Эпоксидная композиция
Владельцы патента RU 2424258:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (ЮФУ) (RU)
Изобретение относится к эпоксидным композициям и может применяться в машиностроении. Эпоксидная композиция, содержит (мас.ч.): эпоксидную диановую смолу - 100, полиэтиленполиамин - 15-20, дибутилфталат - 8-12, измельченный графит с дисперсностью (0,3-0,5)·10-6 м - 20-25, кристаллический йод - 0,5-1,0 мас.ч., порошок железа с дисперсностью (5-10)·10-6 м 200-250. Эпоксидная композиция обладает повышенной износостойкостью и стойкостью к поверхностному истиранию при нагреве до температуры 80°С. 2 табл.
Предлагаемое изобретение относится к области химии, преимущественно к органическим высокомолекулярным соединениям и композициям на их основе, и может найти применение в различных отраслях машиностроения.
Известна эпоксидная композиция (см. авторское свидетельство №1609799, С08L 63/02, бюл. №44, 1990 г.), содержащая эпоксидную диановую смолу, полиэтиленполиамин и пятипроцентный раствор диацетата целлюлозы в фурфуриловом спирте при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
| Эпоксидная диановая смола | 100 |
| Полиэтиленполиамин | 21-42 |
| Пятипроцентный раствор диацетата | |
| целлюлозы в фурфуриловом спирте | 1-25 |
Признаки, совпадающие, - наличие составляющих: эпоксидная диановая смола, полиэтиленполиамин.
Причины, препятствующие решению поставленной задачи, - данная эпоксидная композиция имеет низкую теплопроводность и ударную прочность при высоких значениях коэффициента трения, а также сложность получения композиции в производственных условиях вследствие ограниченного выпуска диацетата целлюлозы в фурфуриловом спирте деревообрабатывающей промышленностью и его высокой огнеопасности.
Известна эпоксидная композиция (см. Миненков В.В., Стасенко И.В. «Прочность деталей из пластмасс», М.: Машиностроение, 1977, стр.21), содержащая эпоксидную смолу ЭД-5, полиэтиленполиамин, дибутилфталат, железный порошок при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
| Эпоксидная смола ЭД-5 | 100 |
| Полиэтиленполиамин | 10 |
| Дибутилфталат | 10 |
| Железный порошок | 200 |
Признаки, совпадающие: эпоксидная смола ЭД-5, полиэтиленполиамин, дибутилфталат, железный порошок.
Причины, препятствующие решению поставленной задачи, - низкая износостойкость эпоксидной композиции (компаунда), не позволяющая широко использовать сравнительно дешевую композицию в машиностроении при изготовлении, например, втулок для подшипников скольжения, штампов, направляющих и других деталей.
За прототип принята эпоксидная композиция (см. патент РФ №2156658, С08J 63/02, С08К 13/02, С08J 5/16 // (C08L 63/02, 73:02), (С08К 13/02, 3:08, 3:08, 5:10, бюл. №23, 2000 г.)), содержащая эпоксидную диановую смолу, полиэтиленполиамин, дибутилфталат, порошок железа с дисперсностью (5-10)·10-6 м, измельченный графит с дисперсностью (0,3-0,5)·10-6 м при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
| Эпоксидная диановая смола | 100 |
| Полиэтиленполиамин | 15-20 |
| Дибутилфталат | 8-12 |
| Порошок железа с дисперсностью (5-10)·10-6 м | 150-200 |
| Измельченный графит с дисперсностью | |
| (0,3-0,5)·10-6 м | 20-25 |
Признаки, совпадающие, - наличие составляющих: эпоксидная диановая смола, полиэтиленполиамин, дибутилфталат, порошок железа с дисперсностью (5-10)·10-6 м, измельченный графит с дисперсностью (0,3-0,5)·10-6 м.
Причины, препятствующие решению поставленной задачи, - снижение ударной прочности, износостойкости и стойкости к поверхностному истиранию композиционного материала при повышении температуры эксплуатации.
Задачей настоящего изобретения является повышение ударной прочности эпоксидной композиции с одновременным обеспечением высокой износостойкости и стойкости к поверхностному истиранию ее при повышении температуры эксплуатации.
Технический результат заключается в том, что композиция дополнительно содержит кристаллический йод в количестве 0,5-1,0 мас.ч., а порошок железа с дисперсностью (5-10)·10-6 м содержится в количестве 200-250 мас.ч.
Для достижения технического результата эпоксидная композиция, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.ч.:
| Эпоксидная диановая смола | 100 |
| Полиэтиленполиамин | 15-20 |
| Дибутилфталат | 8-12 |
| Измельченный графит с дисперсностью | |
| (0,3-0,5)·10-6 м | 20-25, |
дополнительно содержит кристаллический йод в количестве 0,5-1,0 мас.ч., а порошок железа с дисперсностью (5-10)·10-6 м содержится в количестве 200-250 мас.ч.
Сущность изобретения выражается в совокупности новых свойств эпоксидной композиции (повышении износостойкости и стойкости к поверхностному истиранию при нагреве ее до температуры 80°С), достигаемых в результате использования в эпоксидной композиции большего количества порошка железа с дисперсностью (5-10)·10-6 м и добавления в ее состав кристаллического йода при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
| Эпоксидная диановая смола | 100 |
| Полиэтиленполиамин | 15-20 |
| Дибутилфталат | 8-12 |
| Порошок железа с дисперсностью (5-10)·10-6 м | 200-250 |
| Измельченный графит с дисперсностью | |
| (0,3-0,5)·10-6 м | 25-30 |
| Кристаллический йод | 0,5-1,0 |
Эпоксидная композиция получается следующим образом: в эпоксидную диановую смолу (например, ЭД-5) в количестве 100 мас.ч. добавляется пластификатор дибутилфталат (8-12 мас.ч.), порошок железа с дисперсностью (5-10)·10-6 м (200-250 мас.ч.) и измельченный графит с дисперсностью (0,3-0,5)·10-6 м (20-25 мас.ч.). Полученная смесь тщательно перемешивается в течение 8-10 мин, после чего в нее добавляются кристаллический йод (0,5-1,0 мас.ч.) и отвердитель - полиэтиленполиамин (15-20 мас.ч.); полученная смесь вновь тщательно перемешивается в течение 3-5 мин. Приготовленная таким образом эпоксидная композиция заливается в формы и устанавливается для затвердевания в сушильном шкафу. Затвердевание эпоксидной композиции происходит в течение 12-16 часов при температуре 60-80°С.
Принятое количество порошка железа с дисперсностью (5-10)·10-6 м обусловлено необходимостью увеличения теплопроводности и ударной прочности эпоксидной композиции при нагреве ее до температуры 80°С. Более насыщенное содержание частиц железа в эпоксидной композиции позволяет легче отводить тепло из нее в окружающую среду. При этом железо имеет более высокую ударную прочность, чем эпоксидная смола.
Так как изделия из эпоксидной композиции чаще всего работают в узлах трения (например, втулки подшипников скольжения, направляющие металлорежущих станков и приборов, плунжерные пары), то добавление в эпоксидную композицию кристаллического йода необходимо для повышения температурной устойчивости измельченного графита с дисперсностью (0,3-0,5)·10-6 м, являющегося твердой смазкой, так как с повышением температуры в результате физико-химических превращений активность йода повышается и образующиеся на его основе соединения приобретают свойства твердой смазки (см. Латышев В.Н., Наумов А.Г., Раднюк B.C., Тимаков А.С., Корчагин А.В. Применение йода как компонента СОТС при резании металлов. // Металлообработка, 2008, №3(45). - С.9-14).
Для определения оптимального соотношения между компонентами предлагаемой эпоксидной композиции были выполнены исследования последней на теплопроводность, ударную прочность и износостойкость. Для определения теплопроводности эпоксидной смолы изготавливались стержни диаметром 10 мм и длиной 100 мм, а для определения ударной прочности эпоксидной композиции изготавливались кубики размером сторон 20·10-3 м (20 мм). Теплопроводность эпоксидной композиции определялась на специальной установке, содержащей нагреватель (нихромовую спираль), устанавливаемый с одного конца испытываемого стержня, камеры с захватом и тепловым датчиком, прижимаемым к другому концу стержня. Тепловой датчик был настроен на температуру 80°С, по достижении которой зажигалась сигнальная лампочка. О теплопроводности эпоксидной смолы судили по промежутку времени от начала нагрева конца стержня до зажигания лампочки.
Ударная прочность эпоксидной композиции определялась на копре по массе груза, падающего с высоты 1,5 м, при котором происходит разрушение кубика. Последний также нагревался при помощи нихромовых пластин до температуры 80°С.
Для испытания эпоксидной композиции на износостойкость использовалась специальная установка для испытания материалов на истирание (см. Бутенко В.И. «Исследование качества поверхностного слоя обрабатываемой стали». // Известия вуз. Машиностроение, 1979, №4, стр.101-104). Нагрев испытываемых образцов осуществлялся с помощью устройства индукционного нагрева (см. патент РФ №2245927, «Устройство индукционного нагрева для обработки поверхностей резанием», С21D 1/42, В23В 1/00, бюл. №4, 2005 г.). В качестве контртела использовались бруски из быстрорежущей стали Р6М5, закаленной до твердости HRC 63-65. Были приняты следующие режимы испытания: давление контртела на исследуемую поверхность образца р=0,8 МПа, скорость скольжения Vск=1,2 м/с, без смазки. Износостойкость и стойкость к поверхностному истиранию образцов из эпоксидной композиции определялась на вертикальном оптиметре ИЗВ-1 с точностью ±0,001 мм.
Результаты выполненных исследований по определению оптимального состава предлагаемой эпоксидной композиции приведены в табл.1.
Проведены сравнительные испытания на ударную прочность и износостойкость образцов, изготовленных из известной эпоксидной композиции по прототипу (см. патент РФ №2154658, С08L 63/02, С08К 13/02, С08J 5/16 // (С08L 63/02, 73:02), (С08К 13/02, 3:04, 3:08, 5:10), бюл. №23, 2000 г.) и предлагаемой эпоксидной композиции состава, мас.ч.:
| Эпоксидная диановая смола | 100 |
| Полиэтиленполиамин | 15-20 |
| Дибутилфталат | 8-12 |
| Порошок железа с дисперсностью (5-10)·10-6 м | 200-250 |
| Измельченный графит с дисперсностью | |
| (0,3-0,5)·10-6 м | 20-25 |
| Кристаллический йод | 0,5-1,0 |
Испытания образцов из различных составов эпоксидной композиции проводились на установке для испытания материалов на истирание при индукционном нагреве образцов с использованием в качестве контртела брусков из быстрорежущей стали Р6М5, закаленных до твердости HRC 62-65. Режим испытаний был принят следующим: давление р=1,5 МПа, скорость скольжения Vск=2 м/с, температура контакта Θ=80°С, время испытаний 7,2·10 с, без смазки. Результаты испытаний приведены в табл.2.
Анализ представленных в табл.2 данные показывает, что использование предлагаемой эпоксидной композиции позволяет в 1,5-2 раза повысить ее ударную прочность с одновременным обеспечением высокой износостойкости и стойкости к поверхностному истиранию при нагреве до температуры 80°С.
| Таблица 2 Результаты испытаний образцов из эпоксидной композиции по прототипу и предлагаемого состава на ударную прочность и износостойкость |
|||||
| Состав эпоксидной композиции по прототипу | Предлагаемый состав эпоксидной композиции | ||||
| № образца | Ударная прочность, кг/см2 | Износ U·10-6, м | № образца | Ударная прочность, кг/см2 | Износ U·10-6, м |
| 1. | 8,6 | 75 | 1. | 14,4 | 34 |
| 2. | 8,9 | 71 | 2. | 15,1 | 32 |
| 3. | 8,2 | 73 | 3. | 14,8 | 33 |
| 4. | 7,9 | 85 | 4. | 15,4 | 35 |
| 5. | 8,1 | 69 | 5. | 15,2 | 34 |
| 6. | 8,3 | 72 | 6. | 15,5 | 29 |
| 7. | 8,4 | 74 | 7. | 14,7 | 27 |
| 8. | 8,2 | 70 | 8. | 14,6 | 31 |
| 9. | 9,0 | 67 | 9. | 15,6 | 28 |
| 10. | 8,1 | 75 | 10. | 15,3 | 32 |
Эпоксидная композиция, содержащая, мас.ч.:
| эпоксидную диановую смолу | 100 |
| полиэтиленполиамин | 15-20 |
| дибутилфталат | 8-12 |
| измельченный графит с дисперсностью (0,3-0,5)·10-6 м | 20-25, |
отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кристаллический йод в количестве 0,5-1,0 мас.ч., а порошок железа с дисперсностью (5-10)·10-6 м содержится в количестве 200-250 мас.ч.
