Полимерный материал триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена, механоактивированных каолина и шпинеля магния



Владельцы патента RU 2699109:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Восточный федеральный университет имени М.К.Аммосова" (RU)

Изобретение относится к получению полимерного материала триботехнического назначения и может быть использовано для изготовления подшипников скольжения и других элементов узлов трения, эксплуатируемых в условиях средних нагрузок и скоростей скольжения. Полимерный материал содержит политетрафторэтилен(ПТФЭ)и наполнители: механоактивированный каолин, механоактивированный шпинель магния при соотношении компонентов, мас.%: механоактивированный каолин – 0,8-1,8; механоактивированный шпинель магния – 0,1-0,5; ПТФЭ – остальное. Использование настоящего изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволит увеличить износостойкость композиционного материала при сохранении деформационно-прочностных характеристик. 1 табл.

 

Полимерный материал триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена, механоактивированных каолина и шпинеля магния

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно, к разработке полимерных композитов триботехнического назначения с улучшенными свойствами по износостойкости, которые могут быть использованы для изготовления подшипников скольжения и других элементов узлов трения, эксплуатируемых в условиях средних нагрузок и скоростей скольжения.

Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцевых уплотнений и других элементов узлов трения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и неорганических наполнителей различной химической природы (см. Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторопластов. - М.: Наука, 1987. - 147 с.).

Кроме того, известна полимерная композиция конструкционного назначения на основе ПТФЭ (см. Берладир К.В., Будник А.Ф., Свидерский В.А., Будник О.А., Руденко П.В. Влияние геомодификатора на структуру и свойства механически активированного политетрафторэтилена // Журнал инженерных наук. – 2015. – Т. 2, № 1. – С. F1-F5), содержащая каолин в количестве от 2 до 6 мас.%.

Известный материал характеризуется недостаточной износостойкостью, прочностью и, соответственно, малым ресурсом работы в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения.

Полимерная композиция конструкционного назначения на основе ПТФЭ и природных алмазных наполнителей по патенту RU №2177963 (кл. C08J 5/16, С08L 27/16, С08К 9/00, опубл. 10.01.2002) содержит в качестве наполнителя природный алмазный порошок, добавляемый в количестве от 0,1 до 2,0 мас.%. Природный алмазный порошок, представляющий собой смесь высокодисперсных алмазов со средним размером частиц менее 40 мкм, полученный из отходов алмазного сырья после переработки, инертен к полимерной цепи и не может способствовать эффективному совмещению. В результате, композиция имеет недостаточную износостойкость, небольшой ресурс работы в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является антифрикционный полимерный композиционный материал, включающий ПТФЭ в количестве 98,0-99,0 мас. % и шпинель магния в количестве 1,0-2,0 мас.% (см. RU №2281960, кл. C08J 5/16, C08L 27/18, C08K 3/22, опубл. 20.08.2006).

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение износостойкости композиционного материала на основе ПТФЭ при сохранении деформационно-прочностных свойств на уровне ненаполненного ПТФЭ.

Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в расширении ассортимента полимерных композиционных материалов триботехнического назначения на основе ПТФЭ за счет повышения износостойкости деталей, уменьшении интенсивности массового изнашивания материала.

Для решения поставленной задачи полимерный композиционный материал триботехнического назначения на основе ПТФЭ, содержащий наполнитель, отличается тем, что в качестве наполнителей содержит механоактивированный каолин, механоактивированный шпинель магния, при этом соотношение компонентов составляет, мас.%: механоактивированный каолин – 0,8-1,8; механоактивированный шпинель магния – 0,1-0,5; ПТФЭ – остальное.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают улучшение износостойкости полимерного композиционного материала при сохранении деформационно-прочностных показателей на уровне ненаполненного ПТФЭ.

Основным критерием при выборе наполнителя является его способность выдержать температурный режим переработки (365-375°С). В общем случае, к наполнителям предъявляются следующие требования: термическая и химическая стабильность при температуре переработки фторопластов, стойкость к атмосферной коррозии, химическая стойкость, высокая теплопроводность.

Одним из перспективных направлений создания полимерных композитов является использование в качестве наполнителей минеральных слоистых силикатов или так называемых глинистых минералов. Во-первых, получаемые из них частицы однородны по размерам и имеют хлопьевидную форму, что может способствовать повышению механических свойств нанокомпозитов, а во-вторых, благодаря слоистой структуре глинистых минералов возможна интеркаляция полимерных цепей в межслоевые пространства и создание нанокомпозитов, и в-третьих, исходный материал является достаточно легкодоступным. В результате их смешения с полимерами размер полученных частиц может достичь толщины около 1 нм и диаметра от 250 до 1000 нм. Благодаря нанометровому размеру частиц, достигаемому диспергированием, нанокомпозиты на основе слоистых силикатов проявляют значительно улучшенные механические, термические и физико-химические свойства по сравнению с чистым полимером или традиционным наполненным полимером при небольшом содержании наполнителя. Улучшения в свойствах могут включать, например, увеличение модуля упругости, прочности, теплоустойчивости, уменьшение газопроницаемости и воспламеняемости (см. Герасин В.А., Зубова Т.А., Бахов Ф.Н. Структура нанокомпозитов полимер/Na+-монтмориллонит, полученных смешением в расплаве // Российские нанотехнологии. – Т.2. - №1-2. – 2007. - С. 90-105).

Известно, что введение в ПТФЭ наношпинеля магния позволяет повысить износостойкость полимерных композиционных материалов (ПКМ) в 25-350 раз при некотором снижении прочностных характеристик (см. Охлопкова А.А., Петрова П.Н., Гоголева О.В., Бельков И.А. Шаринов Н.И. Антифрикционные композиты на основе смесей фторопластов // Мат. 7-й Всероссийской конф. «Химия фтора».- Москва, 2006. – С. 8-12).

Каолин является один из основных дисперсных наполнителей, применяемых в производстве полимерно-композиционных материалов, применяется для увеличения прочности ПКМ (см. Барань Ш. и др. Кинетика и механизм флокуляции суспензий бентонита и каолина полиэлектролитами и прочность образующихся флокул //Коллоидный журнал. – 2009. – Т. 71. – №. 3. – С. 291-298).

Установлено, что при совместном (комплексном) применении данных наполнителей в ПТФЭ достигается улучшение износостойкости при сохранении деформационно-прочностных показателей, обусловленных тем, что механоактивированный шпинель магния и механоактивированный каолин в заявленных пределах обладают дополнительным структурирующим действием на полимерную матрицу.

Таким образом, в заявляемом техническом решении комплексный наполнитель включает механоактивированные каолин и шпинель магния.

Политетрафторэтилен (фторопласт-4) – промышленный продукт марки ПН, получаемый в соответствии с ГОСТ 10007-80, характеризуется средним размером частиц 46-135 мкм, степенью кристалличности до спекания 95-98 %, после спекания 50-70 % и плотностью 2170-2190 кг/м3, температурой плавления 327°С.

Наполнитель шпинель магния представляет собой двойной оксид с общей химической формулой: MgAl2O4.

Минеральный наполнитель каолин представляет собой крупные пластинчатые кристаллы белого цвета, химический состав отвечает приблизительной формуле Al2O3·2SiO2·2H2O. Каолин имеет структуру, состоящую из одного слоя октаэдров и одного слоя тетраэдров. Слои прочно связаны между собой и плотно прилегают друг к другу, в результате чего, молекулы воды и катионы металлов не могут входить в межслойное пространство и минерал не набухает в воде, а также обладает низкой емкостью катионного обмена.

При использовании наполнители шпинель магния и каолин подвергаются предварительной механической активации в течение 2 мин на планетарной мельнице типа «Активатор-2S». При этом достигается механическая активация дисперсных наполнителей, повышающая структурную активность и усреднение дисперсного состава.

Получение композиционного материала осуществляют известными способами.

Смешивание компонентов полимерного композиционного материала проводится в лопастном смесителе со скоростью вращения лопастей 3000 об/мин до получения однородной массы. Образцы после смешивания и просеивания монолитизируют по технологии холодного прессования в пресс-форме при давлении 50 МПа с последующим свободным спеканием при температуре 370±5°С (время выдержки из расчета 0,3 часа на 10-3 м толщины образца). Полученные изделия охлаждают в печи до 200°С со скоростью 0,03°С/сек с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры.

Пример. 53,900 г политетрафторэтилена, 0,825 г каолина, 0,275 г шпинели магния смешивают в лопастном смесителе до получения однородной массы. Затем композицию помещают в пресс-форму и проводят прессование изделия при удельном давлении 50 МПа. Спекание проводят в электрической печи при температуре 370±5°С. Охлаждение спеченных изделий проводили непосредственно в печи.

Другие примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице.

Деформационно-прочностные свойства заявляемого триботехнического материала определяли на стандартных образцах по ГОСТ 11262-80. Для этого испытания проводили на универсальной испытательной машине «AUTOGRAF» («Shimadzu AGS-J», Япония) при скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин.

Массовый износ и коэффициент трения определяли на машине трения UMT-3 (CETR, США) по схеме трения «палец – диск», согласно ГОСТ 11629-75. Исследуемый образец – палец диаметром 10±0,5 мм, высотой 21±1 мм, контртело – стальной диск из стали марки 45 с твердостью 45-50 HRS, шероховатость R=0,06–0,08 мкм. Удельная нагрузка – 2 МПа, линейная скорость скольжения – 0,2 м/с. Время испытания 4 часа.

Результаты испытаний представлены в таблице.

При этом отмечается, что оптимальное суммарное содержание наполнителей составляет 1-2 мас.%, превышение которых может привести к ухудшению прочностных свойств вследствие агломерации наполнителей и формирования дефектной структуры.

Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволит увеличить износостойкость до 500 раз, по сравнению с ненаполненным ПТФЭ, при сохранении деформационно-прочностных характеристик относительно ненаполненного ПТФЭ. Применение полимерного материала триботехнического назначения заявляемого состава позволит повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования.

Таблица

Характеристики ПКМ, наполненных комплексным наполнителем

№№
п/п
Состав Содержание компонен-тов, мас.% Относительное удлинение при разрыве εр, % Прочность на разрыв σр, МПа Интенсивность изнашивания I×10-3, г/ч Коэфф. трения f
1. ПТФЭ 100 320 20 65,61 0,22
2. ПТФЭ+
К+
ШМ
99
0,8
0,2
347 20,5 0,15 0,23
3. ПТФЭ+
К+
ШМ
99
0,9
0,1
316 19,7 0,31 0,24
4. ПТФЭ+
К+
ШМ
98
1,5
0,5
373 20,9 0,13 0,24
5. ПТФЭ +
К+
ШМ
98
1,8
0,2
378 20,7 0,18 0,22
6. ПТФЭ +
К+
ШМ
95
4
1
332 15,8 0,15 0,27
7. ПТФЭ +
К+
ШМ
95
4,5
0,5
395 15,6 0,13 0,27
8. ПТФЭ +
К+
ШМ
95
4,8
0,2
440 14,1 0,09 0,23
9. ПТФЭ+
ШМ
(прототип)
97,5
2,5
290-300 18-20 0,5-2 -

Прим.: ПТФЭ – политетрафторэтилен, ШМ – шпинель магния, К – каолин.

Полимерный композиционный материал триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), содержащий наполнитель, отличающийся тем, что в качестве наполнителей содержит механоактивированный каолин, механоактивированный шпинель магния, при этом соотношение компонентов составляет, мас.%:

механоактивированный каолин 0,8-1,8
механоактивированный шпинель магния 0,1-0,5
ПТФЭ остальное



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к добавкам для лакокрасочных материалов. Добавка содержит низкомолекулярный политетрафторэтилен в виде дисперсии в ксилоле или воде, в качестве низкомолекулярного политетрафторэтилена используют сухую смазку «Форум» с размерами частиц 0,1-0,2 мкм, добавка дополнительно содержит неионогенное поверхностно-активное вещество Неонол АФ 9-4, 9-6, 9-10 и 9-12 в количестве 0,2-0,4 мас.%.

Изобретение относится к полимерному материаловедению, представляет собой полимерную композицию на основе политетрафторэтилена, модифицированного углеродным волокнистым активированным материалом марки УВИС-АК-П в количестве 5 мас.
Изобретение относится к радиационной химии и химии высоких энергий по получению, с помощью терморадиационной обработки заготовок, полимерных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками, в частности политетрафторэтилена (ПТФЭ) и других марок фторопластов, используемых в различных областях промышленности.

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к антифрикционным полимерным материалам триботехнического назначения, которые могут быть использованы для изготовления узлов трения, работающих в экстремальных условиях среды.
Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к разработке полимерных композитов триботехнического назначения, которые могут быть использованы для изготовления подшипников скольжения и других элементов узлов трения, эксплуатируемых в условиях средних нагрузок и скоростей скольжения.

Изобретение относится к области получения нанокомпозиционных полимерных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками, а именно к радиационно-обработанным полимерным композиционным материалам антифрикционного и уплотнительного назначения на основе фторопластов.

Настоящее изобретение относится к фторполимерной покровной композиции и к изделию, имеющему поверхность с низким коэффициентом трения. Указанная фторполимерная композиция содержит диспергированные в воде частицы фторированного гомополимера, диспергированные в воде частицы фторированного сополимера, диспергированные в воде частицы нефторированного полимера и по меньшей мере одно азиридиновое соединение, содержащее по меньшей мере две азиридиновые группы.

Изобретение направлено на разработку двухстадийного способа получения массивных блочных изделий из суспензионного политетрафторэтилена и неагломерированных наночастиц наполнителя, представляющего собой молекулярный нанокомпозит на основе ультрадисперсного политетрафторэтилена и наночастиц диоксида титана или диоксида кремния, синтезированный из газовой фазы пиролизом с последующим осаждением аммиачной водой на первой стадии.
Изобретение относится к способу получения композиционных полимерных материалов, которые могут быть использованы для изготовления уплотнительных деталей. Способ получения полимерных композиций на основе политетрафторэтилена включает предварительное диспергирование минерального наполнителя флогопита и шпинели магния в планетарной мельнице.

Изобретение относится к смешанным композициям фторполимеров, используемым для получения покрытий. В состав композиции входят: низкомолекулярный политетрафторэтилен (LPTFE), имеющий среднечисловую молекулярную массу (Mn) менее 500000 и начальную температуру плавления (Tm) 332°C или менее, в виде жидкой дисперсии частиц со средним размером 1,0 мкм или менее, где жидкая дисперсия включает менее 1,0 вес.% поверхностно-активного вещества от массы дисперсии LPTFE, при этом дисперсию получают эмульсионной полимеризацией и ее не подвергают агломерации, деградации при воздействии температуры, или облучению, и перфторалкокси (PFA) в форме жидкой дисперсии частиц со средним размером частиц 1,0 мкм или менее и имеющий скорость течения в расплаве (MFR) по меньшей мере 4,0 г/10 мин, где содержание PFA в вышеуказанной композиции составляет от 37 до 65 вес.%, а содержание LPTFE составляет от 35 до 63 вес.% от общего содержания твердых веществ вышеуказанных LPTFE и PFA.

Изобретение относится к применению модифицированных силаном полибутадиенов в каучуковых смесях. Предложено применение полибутадиенов с концевой силановой группой в каучуковых смесях, где полибутадиен содержит полученные из 1,3-бутадиена мономерные звенья А, В и С, где доля A от общего количества мономерных звеньев, полученных из 1,3-бутадиена, присутствующих в полибутадиене, составляет от 15 до 30 мол. %, доля B - от 50 до 70 мол. %, и доля C - от 15 до 30 мол. %, где полибутадиены с концевой силановой группой получены в результате реакции полибутадиенов с концевыми гидроксильными группами, полученных посредством свободнорадикальной полимеризации, с одним или несколькими органосилановыми соединениями, и где органосилановое соединение выбрано из группы, содержащей соединения формулы I, где R представляет собой линейные или разветвленные алкиленовые цепи с 1-4 атомами углерода, и R1 и R2 одновременно или независимо друг от друга представляют собой линейные или разветвленные алкильные цепи с 1-5 атомами углерода.

Настоящее изобретение относится к способу получения ПВХ продукта с использованием термостабилизатора из вермикулита, включающему следующие этапы: первый этап: предварительная обработка вермикулита: сырой вермикулит промывают и сушат, измельчают и вспучивают микроволнами для получения вспученного вермикулита, готового к использованию; второй этап: вспученный вермикулит измельчают, помещают в раствор пероксида водорода и после нагревания, перемешивания и расслаивания добавляют разбавленную кислоту, чтобы довести значение рН до 1, осуществляют реакцию нагревания и осуществляют центрифугирование с получением супернатанта и твердого вещества, при этом твердое вещество, полученное после промывания, представляет собой термостабилизатор на основе диоксида кремния; третий этап: полученный на втором этапе супернатант, значение рН которого с помощью раствора гидроксида натрия доводят до 3, нагревают с флокуляцией, отфильтровывают красный твердый гидроксид железа с получением фильтрата, при последующем высокоскоростном перемешивании смешанный раствор фильтрата, гидроксида натрия и карбоната натрия постепенно выливают в контейнер, после определенного времени реакции осуществляют центрифугирование с получением твердого вещества, при этом твердое вещество повторно диспергируют в дистиллированной воде, а затем осуществляют центрифугирование и после повторения промывания 3-5 раз снова диспергируют в дистиллированной воде, затем помещают его в реактор и выполняют реакцию при нагревании; после завершения реакции твердое вещество, полученное в результате центрифугирования, представляет собой термостабилизатор на основе гидроксида; четвертый этап: в полученный на втором этапе термостабилизатор на основе диоксида кремния или полученный на третьем этапе термостабилизатор на основе гидроксида добавляют раствор этилового спирта и после 3-5 раз центробежного перемешивания с помощью ультразвука добавляют этанол, а после диспергирования при перемешивании с помощью ультразвука добавляют порошок ПВХ и снова после диспергирования при перемешивании с помощью ультразвука получают суспензию, затем полученные во время центробежного отделения твердое вещество, содержащее диоксид кремния или гидроксид, а также смесь ПВХ сушат и в результате получают однородную твердую смесь термостабилизатора и ПВХ; пятый этап: в полученную твердую смесь термостабилизатора и ПВХ добавляют пластификатор, нагревают и получают ПВХ продукты.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Натриевую форму монтмориллонита диспергируют в водной среде и осуществляют химическую обработку цвиттер-ионным ПАВ из класса бетаинов и имидазолинов из расчета количества ПАВ, эквивалентного не менее 0,2 ёмкости катионного обмена минерала.

Изобретение относится к полиэтиленовой композиции для получения трудногорючих конструкционных материалов. Композиция содержит полиэтилен высокой плотности в количестве 52,7-66,8 мас.

Изобретение относится к способу получения композиционного материала на основе полифениленсульфона, применяемого в качестве суперконструкционного полимерного материала для аддитивных 3D технологий.

Изобретение относится к самоочищающемуся композитному материалу, предназначенному для производства формованных деталей интерьера кухни и ванной комнаты. Самоочищающийся композитный материал по изобретению содержит от 50 до 85% масс.

Изобретение относится к применению композиционного материала в качестве суперконструкционного полимерного материала для аддитивных 3D-технологий методом послойного наплавления (FDM).

Изобретение относится к области получения каучуков общего и специального назначения с регулируемым значением хладотекучести. Предложен способ получения каучуков с пониженной хладотекучестью, где каучуки выбраны из группы, включающей полибутадиеновый каучук, бутилкаучук, полиизобутиленовый каучук.

Изобретение относится к порошковой композиции полиариленэфиркетонов, которая применима для получения изделия и подходит для лазерного спекания. Композиция содержит от 99,6 до 99,99 вес.% по меньшей мере одного порошка по меньшей мере одного полиариленэфиркетона и от 0,01 до 0,4 вес.% гидрофильного агента, повышающего сыпучесть.

Изобретение относится к многослойной металлической подложке с покрытием, включающей металлическую подложку; первую отверждающуюся пленкообразующую композицию, нанесенную на указанную металлическую подложку; и вторую отверждающуюся пленкообразующую композицию, нанесенную поверх, по меньшей мере, части первой отверждающейся пленкообразующей композиции.

Изобретение может быть использовано при окрашивании изделий из поливинилхлорида. Пигмент содержит по меньшей мере одно неорганическое соединение, выбранное из группы оксидов железа.

Изобретение относится к получению полимерного материала триботехнического назначения и может быть использовано для изготовления подшипников скольжения и других элементов узлов трения, эксплуатируемых в условиях средних нагрузок и скоростей скольжения. Полимерный материал содержит политетрафторэтилени наполнители: механоактивированный каолин, механоактивированный шпинель магния при соотношении компонентов, мас.: механоактивированный каолин – 0,8-1,8; механоактивированный шпинель магния – 0,1-0,5; ПТФЭ – остальное. Использование настоящего изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволит увеличить износостойкость композиционного материала при сохранении деформационно-прочностных характеристик. 1 табл.

Наверх