Антифрикционная диэлектрическая композиция
Владельцы патента RU 2395534:
Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" (ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей") (RU)
Изобретение относится к наполненным полимерным композициям, используемым для изготовления электроизолированных подшипников скольжения. Антифрикционная диэлектрическая композиция включает 50-60 мас.% ткани с поверхностной плотностью 180-220 г/м2 из полифенилен 1-3-4-оксадиазольной нити толщиной 80-110 текс и 40-50 мас.% полимерного связующего - хлорсодержащей полиглицидиларилендиаминовой эпоксидной смолы. Композиция имеет высокие физико-механические, триботехнические и диэлектрические свойства и характеризуется относительно высокой стабильностью размеров при эксплуатации в воде. 1 табл.
Заявляемое изобретение относится к полимерным композициям, в частности к наполненным полимерным композициям на основе тканого армирующего наполнителя и полимерного термореактивного связующего, обладающим электроизоляционными свойствами. Антифрикционные диэлектрики используются для изготовления электроизолированных подшипников скольжения специального машиностроения, где подшипник должен одновременно выполнять функции электроизоляционной и демпфирующей развязки; для подшипников приборов и деталей трения в электротехнике, например, для электроизолирующих скользящих фиксаторов обмоток роторов турбогенераторов; в механизмах, работающих в морской воде, где используются разнородные детали, например титановый вал и стальной корпус, и т.д. Указанные композиции должны сочетать в себе высокие значения прочности, ударостойкости, износостойкости при трении в воде и при сухом трении (без смазки), электроизоляционные (диэлектрические) и вибродемпфирующие свойства.
Был разработан ряд антифрикционных композиций, используемых для изготовления торцевых уплотнений, подшипников скольжения, включающих углеродную ткань и полимерное термореактивное связующее [см., например, RU 2153107, М. кл. C08L 63/00, 2000]. Указанные композиции имеют высокие прочностные показатели и низкую интенсивность изнашивания при работе по контртелам различной твердости. Однако в силу того, что они включают углеродную ткань, они проводят электрический ток, что недопустимо для таких полифункциональных деталей машин, как фиксаторы обмоток роторов турбогенераторов и др., подшипники специального машиностроения и приборостроения.
Известны антифрикционные композиции на основе волокна, ткани или войлока из полифенилен 1-3-4-оксадиазола, известного также как «Арселон», и полимерного связующего [см., например, RU 2117682, Мкл. C08L 61/10, 1998; RU 2130136, М. кл. F16C 33/12, 1999; заявка RU 2000129003, М. кл. C08J 5/16, 2002; RU 2196693, М. кл. B61F 5/00, 2003; RU 2286487, М. кл. F16C 33/04, 2006; RU 2016000, М. кл. C08J 5/14, 1994; RU 2137790, М. кл. C08L 61/10, 1999; RU 2270845, М. кл. C08L 61/10, 2006; RU 2278878, М. кл. C08L 61/10, 2006 и др.]. В качестве связующего указанные композиции содержат фенолформальдегидную или крезолформальдегидную смолы. Полифенилен 1-3-4 оксадиазол в отличие от углеродной ткани и волокна является диэлектриком.
Полимерные композиции на основе полиоксадиазольной (арселоновой) ткани с фенолформальдегидным связующим имеют высокие диэлектрические свойства, относительно высокие прочностные и триботехнические свойства (износостойкость). Но для ряда деталей трения специального машиностроения, где предъявляются исключительно жесткие требования по прочности при сжатии, изгибе и межслойном сдвиге, этого недостаточно.
Наиболее близкой к заявляемой композиции по совокупности существенных признаков является антифрикционная композиция, включающая 38-70 мас.ч. полиоксадиазольного волокна, сетки, ткани или кусочков ткани и 25-47 мас.ч. полимерного связующего - новолачной формы фенолформальдегидной или крезолформальдегидной смолы или их смесей с резольной формой этих же смол [RU 2278878, М. кл. C08L 61/10, 2006]. Указанная композиция имеет динамический коэффициент трения 0,09-0,15, линейный износ 1×10-7-7×10-8 (мкм/км), предел прочности при сжатии на уровне 120-180 МПа при повышенной устойчивости к расслоению. Однако композиция по RU 2278878 не обладает требуемыми значениями прочности и стабильности размеров при эксплуатации в воде, тем более что армирующий материал включает 30-70% хлопка.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в придании антифрикционной диэлектрической композиции более высокой прочности при сжатии, изгибе и межслойном сдвиге и стабильности размеров при эксплуатации в воде.
Указанный результат достигается тем, что антифрикционная композиция, включающая тканый армирующий материал из полифенилен 1-3-4-оксадиазола и полимерное связующее, в качестве полимерного связующего содержит хлорсодержащую полиглицидиларилендиаминовую эпоксидную смолу, а в качестве тканого армирующего материала из полифенилен 1-3-4-оксадиазола - ткань с поверхностной плотностью 180-220 г/м2 из нити толщиной 80-110 текс при следующем соотношении компонентов, мас.%:
полифенилен 1-3-4-оксадиазольная ткань 50-60;
хлорсодержащая полиглицидиларилендиаминовая эпоксидная смола 40-50.
Тканый армирующий материал из полифенилен 1-3-4-оксадиазола с указанными значениями поверхностной плотности изготовлен специально из нити толщиной 80-110 текс (опытные партии).
Пример 1.
В качестве полифенилен 1-3-4-оксадиазольной ткани использована опытная партия ткани с поверхностной плотностью 200 г/м2 из нити толщиной 100 текс. В реактор загружают 30 кг смолы ЭХД (тетраглицидилдихлордиаминодифенилметан, ТУ 2225-607-11131395-2003), нагретой до 70°С, 26 кг ацетона, перемешивают в течение 15 минут до полного растворения. Затем в реактор загружают 17 кг ДХ (дихлордиаминодифенилметан ТУ 6-14-980). В смесь вводят 1,5 кг резорцина (ГОСТ 9970) - ускорителя отверждения и перемешивают 20 мин до полного растворения компонентов. Пропитку опытной арселоновой ткани (1-3-4 полиоксадиазольного волокна) производят в вертикальной пропиточной машине. Скорость пропитки 1 кг/мин, температура в сушильной камере пропиточной машины 100-105°С. Из полученной антифрикционной композиции методом горячего прессования при температуре 150°С и давлении 5 МПа изготавливают образцы. Время выдержки при температуре прессования составляло 3 часа.
Полученную антифрикционную композицию исследовали по следующим показателям:
1. Интенсивность изнашивания (износостойкость) I: I×10-8 при контактном давлении 10 МПа, скорости скольжения 1 м/с при смазке водой, скорости скольжения 0,1 м/с без смазки (сухое трение), машина трения типа ИИ-5018, контртело - сталь 14Х17Н2 (HRC 35), методика №11-114-345-2002, испытания проводятся перпендикулярно слоям ткани (торцевое трение) в композиции.
2. Прочностные показатели:
- Разрушающее напряжение при сжатии параллельно слоям, МПа по ГОСТ 23803-79.
- Разрушающее напряжение при изгибе, МПа по ГОСТ 4648-71,
- Разрушающее напряжение при межслойном сдвиге, МПа по ГОСТ 23804-79.
3. Стабильность размеров при эксплуатации
Изменение толщины образцов размером 50×50×5 мм в воде после выдержки в течение года при температуре 20°С, ГОСТ 4650-80.
4. Тангенс угла механических потерь (для оценки вибродемпфирующих свойств) определялся по РД 5.УЕИА-2977.
5. Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь определялась на образцах ⌀25×3 мм по ГОСТ 22372-77.
Состав композиции и физико-механические свойства композиции представлены в табл.1
Примеры 2, 3, 4, 5.
Антифрикционные композиции получены, как в примере 1, но состав композиции другой.
Пример 6к (контрольный).
Антифрикционная композиция получена, как в примере 1, но в качестве ткани использовали промышленную арселоновую ткань марки ТТА-4 с поверхностной плотностью 470 г/м2 из нити арселон толщиной 100×2 текс, ТУ РБ 00204056.125-97.
Примеры 7,8к (контрольные).
Антифрикционную композицию получали, как в примере 1, но вместо предлагаемой композиции на основе смолы ЭХД-ДХ использовали стандартную эпоксидиановую смолу ЭД-16 (ГОСТ 10587) с двумя отвердителями - диаминодифенилметаном (ДМ), триэтаноламинотитанатом (ТЭАТ - ТУ 6-09-11-2119-93).
Пример 9к (прототип).
Антифрикционную композицию получали в соответствии с прототипом на основе фенолформальдегидной смолы и арселоновой ткани.
Пример 10к (аналог).
Антифрикционную композицию в соответствии с аналогом (патентом №215307) на основе углеродной ткани УРАЛ-Т-15. Параметры углеродного волокна этой ткани соответствуют патенту 215307.
| Таблица 1 | ||||||||||
| Состав и физико-механические характеристики антифрикционных композитов | ||||||||||
| Показатели | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6к | 7к | 8к | прототип 2278878 | УГЭТ (аналог по патенту215307) |
| Содержание основных компонентов, мас.%: | ||||||||||
| Хлорполиглицидиларилендиаминовая смола | 30,0 | 27,0 | 34,0 | 23,0 | 38,0 | 30,0 | - | - | 30,0 | |
| Дихлордиаминодифенилметан | 17,0 | 12,0 | 21,0 | 11,0 | 22,0 | 17,0 | - | - | 17 | |
| Ускоритель | 1,5 | 1,0 | 2,0 | 1,0 | 2,0 | 1,5 | - | - | 1,5 | |
| Эпоксидиановая смола ЭД-16 | - | - | - | - | - | - | 30,0 | 40,0 | ||
| Диаминодифенилметан | - | 17,0 | - | |||||||
| Триэтаноламинотитанат | - | - | 10,0 | |||||||
| Полифенилен 1-3-4-оксадиазольная (арселоновая) ткань с поверхностной плотностью 180 г/м2 из нити 100 текс | 60,0 | |||||||||
| Полифенилен 1-3-4-оксадиазольная (арселоновая) ткань с поверхностной плотностью 200 г/м2 из нити 100 текс | 51,5 | - | - | 65,0 | 38,0 | - | 53,0 | 50,0 | ||
| Полифенилен 1-3-4-оксадиазольная (арселоновая) ткань с поверхностной плотностью 220 г/м2 из нити 100 текс | 43,0 | |||||||||
| Полифенилен 1-3-4-оксадиазольная (арселоновая) ткань с поверхностной плотностью 470 г/м2 из нити 100×2 текс | 51,5 | - | 60,0 | |||||||
| Углеродная ткань УРАЛ-Т-15 | - | - | 51,5 | |||||||
| Фенолформальдегидная смола | - | - | 40,0 | |||||||
| Свойства: | ||||||||||
| Разрушающее напряжение при сжатии параллельно слоям, МПа | 220 | 230 | 215 | 225 | 218 | 180 | 140 | 135 | 170,0 | 250,0 |
| Разрушающее напряжение при изгибе параллельно слоям, МПа | 260 | 255 | 250 | 260 | 240 | 210 | 160 | 165 | - | 250 |
| Разрушающее напряжение при межслойном сдвиге параллельно слоям, МПа | 32 | 37 | 35 | 35 | 36 | 25 | 17 | 18 | 20 | 40,0 |
| Линейная интенсивность изнашивания при трении, при Р=10 МПа, мкм/км |
||||||||||
| в воде (при скорости 1 м/с) | 6,4 | 6,9 | 6,5 | 6,5 | 6,6 | 7,1 | 6,9 | 7,0 | 8,4 | 1,7 |
| на воздухе (при скорости 0,1 м/с) | 3,6 | 4,1 | 3,9 | 3,8 | 3,8 | 4,2 | 4,0 | 4,0 | 4,8 | 3 |
| Изменение толщины в воде при t=20°С за 1 год, % | 4,0 | 4,1 | 4,0 | 4,2 | 4,2 | 4,9 | 5,3 | 5,5 | 6,8 | 0 |
| Тангенс угла механических потерь ×10-2 | 2 | 1,9 | 1,8 | 1,9 | 2,1 | 1,5 | 1,6 | 1,5 | 1,2 | 0,8 |
| Диэлектрическая проницаемость | 3,4 | 3,3 | 3,4 | 3,4 | 3,3 | 3,7 | 4,0 | 3,9 | 6,5 | - |
| Тангенс угла диэлектрических потерь ×10-2 | 1,5 | 1,6 | 1,4 | 1,4 | 1,5 | 1,8 | 2,0 | 2,1 | 2,5 | - |
Как видно из таблицы 1, заявленная композиция по сравнению с прототипом на основе фенолформальдегидного связующего имеет значительно более высокую прочность при сжатии, изгибе и межслойном сдвиге, стабильность размеров при эксплуатации в воде. Важным преимуществом заявляемой композиции по сравнению с прототипом является ее технологичность, поскольку заявляемая композиция перерабатывается методами прессования и намотки, в то время как композиция по прототипу перерабатывается только методом прессования. При намотке изделий из композиции по прототипу выделяются летучие компоненты (фенолформальдегидное связующее), при отверждении эпоксидных связующих летучие компоненты не выделяются.
Высокая прочность при сжатии, изгибе и межслойном сдвиге характерны только для заявляемой композиции на основе хлорсодержащей полиглицидиларилендиаминовой смолы (ЭХД). Для сравнения нами были изготовлены на основе полиоксадиазольной (арселоновой) ткани две антифрикционные композиции, содержащие стандартную эпоксидиановую смолу (ЭД-16) (ГОСТ 10587) с отвердителями диаминодифенилметаном и триэтаноламинотитанатом. Результаты испытаний (примеры 7к и 8к) приведены в табл.1. Свойства этих композиций значительно ниже, чем у заявляемой.
Для обеспечения прочности и стабильности размеров при эксплуатации в воде важное значение имеет поверхностная плотность и толщина нити арселоновой ткани. Эта опытная ткань была изготовлена по нашему заказу. В примере 6к использована промышленная арселоновая ткань большей поверхностной плотности. Свойства антифрикционной композиции на основе этой ткани ниже, чем опытной с меньшей поверхностной плотностью.
Антифрикционная диэлектрическая композиция, включающая тканый армирующий материал из полифенилен 1-3-4-оксадиазола и полимерное связующее, отличающаяся тем, что в качестве полимерного связующего она содержит хлорсодержащую полиглицидиларилендиаминовую эпоксидную смолу, а в качестве тканого армирующего материала композиция включает ткань с поверхностной плотностью 180-220 г/м2 из полифенилен 1-3-4-оксадиазольной нити толщиной 80-110 текс при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| полифенилен 1-3-4-оксадиазольная ткань | 50-60 |
| хлорсодержащая полиглицидиларилендиаминовая | |
| эпоксидная смола | 40-50 |
