Композиционный конструкционный материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, оксида цинка, 2-меркаптобензотиазола и серы

Авторы патента:

C08J5/16 - изготовление изделий или материалов с низким коэффициентом трения

C08J5/00 - Изготовление изделий или формованных материалов, содержащих высокомолекулярные вещества (формование пищевых продуктов A23P; производство полупроницаемых мембран B01D 67/00- B01D 71/00; механическая часть включена в соответствующие классы, например в B29)

Изобретение относится к области полимерного материаловедения и может быть использовано в качестве конструкционного композитного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Описан композиционный конструкционный материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), содержащий модификатор, в котором в качестве модификаторов содержит оксид цинка, 2-меркаптобензотиазол и серу, при следующем соотношении компонентов, мас. %: СВМПЭ 91,0-98,5, оксид цинка 0,5-2,0, 2-меркаптобензотиазол 0,5-2,0, сера 0,5-5,0. Технический результат: расширение ассортимента полимерных композиционных материалов конструкционного назначения на основе СВМПЭ. 2 табл.

Изобретение относится к области полимерного материаловедения и может быть использовано в качестве конструкционного композитного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) для изготовления изделий конструкционного назначения, эксплуатирующихся в условиях воздействия агрессивных сред (нефти, масел, смазок, топлива, кислот и щелочей и др.), а также, в качестве футеровочного материала, применяемого для облицовки горно-обогатительного и горнодобывающего оборудования.

К большинству современных функциональных и конструкционных материалов на основе полимерных матриц, кроме стандартных физико-механических, износостойких, теплофизических характеристик, предъявляют комплекс требований и по стойкости к действию агрессивных сред, в частности, масел.

Известен полимерный композит конструкционного назначения на основе СВМПЭ с молекулярной массой 4⋅10⁶ г/моль (см. RU №2674019, кл. C08J 5/16, C08L 23/06, C08L 51/06, C08K 3/04, C08K 7/06, опубл. 04.12.2018), содержащий сополимер этилена высокой плотности с привитым винилтриметоксисиланом (HDPE-g-VTMS) или сополимер этилена высокой плотности с привитым малеиновым ангидридом (HDPE-g-SMA) в виде молотого гранулята с размером частиц 160-250 мкм и армирующие углеродные волокна, имеющие диаметр 7,5-15,0 мкм и длину 75-200 мкм. Материал предназначен для получения антифрикционных изделий в узлах трения в машиностроении и медицине с применением аддитивных технологий.

При этом, полученный композит характеризуется относительно низкими прочностью при растяжении и модулю упругости, а материал отличается высокой стоимостью.

Известен полимерный композит (см. RU №2625454, кл. C08L 23/06, C08K 3/04, C08K 7/04, C08J 5/16, B82Y 30/00, опубл. 14.07.2017), состоящий из СВМПЭ с молекулярной массой 5⋅10⁶ г/моль и наполнителя, в качестве которого используют многостенные углеродные нанотрубки длиной не менее 2 мкм, представленные разными диаметрами (4-15 нм). Полученный материал отличается равномерным распределением наполнителя в объеме полимерной матрицы и ориентированной структурой полимерной матрицы и предназначен для изготовления триботехнических изделий, таких как подшипники скольжения, втулки, применяемые в слабо- и средненагруженных узлах трения, в том числе в эндопротезах коленных и тазобедренных суставов в качестве полимерного вкладыша.

Однако, известные материалы характерны невысокой устойчивостью к ударным нагрузкам, а также, относительно низкими прочностью, модулю упругости и отличаются высокой стоимостью.

В композиции по патенту RU №2476461 (кл. C08L 23/06, C08K 3/22, B82B 1/00, опубл. 27.02.2013) в механоактивированный СВМПЭ добавляют модификатор оксид алюминия, представленный в виде модификации корунд двух фракций - размером 0,1 мм и размером 0,3 мм в соотношении 1:2 и в общем количестве 18% от массы СВМПЭ. Аналог выбран в качестве прототипа.

К недостаткам материала следует отнести высокую стоимость наполнителя (Аl₂О₃) и сложный технологический процесс изготовления.

Задача, на решение которой направлено заявленное решение, заключается в разработке конструкционного композиционного материала для изготовления деталей, использующихся в условиях влияния химически агрессивных сред (нефти, масел, смазок, топлива, кислот и щелочей и др.) и защиты от ударных, истирающих и налипающих воздействий.

Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в расширении ассортимента полимерных композиционных материалов конструкционного назначения на основе СВМПЭ за счет повышения прочности и надежности деталей, уменьшении интенсивности массового изнашивания материала.

Для решения поставленной задачи композиционный конструкционный материал на основе СВМПЭ, содержащий модификатор, отличается тем, что в качестве модификаторов содержит оксид цинка, 2-меркаптобензотиазол и серу при следующем соотношении компонентов, мас. %: СВМПЭ - 91,0-98,5; оксид цинка - 0,5-2,0; 2-меркаптобензотиазол - 0,5-2,0; сера - 0,5-5,0.

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

Совокупность признаков изобретения обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, увеличение прочности исходного материала новой полимерной композиции в 1,5 раза, повышение надежности деталей машин, в частности, футеровок для облицовки горно-обогатительного и горнодобывающего оборудования, изделий конструкционного назначения, работающих в среде нефти, масел, смазок, топлива, кислот и щелочей.

Из уровня техники также известны исследования взаимодействия каучука с меркаптобензотиазолом (ускоритель вулканизации) и серой (вулканизующий агент) и оксидом цинка, способствующего интенсификации взаимодействия серы с макромолекулами каучука (см. Корнев А.Е. Технология эластомерных материалов / А.Е. Корнев, А.М. Буканов, О.Н. Шевердяев. - Истек, 2009. - 472 с.), влияния 2-меркаптобензотиазола и тетраметилтиурамдисульфида на взаимодействие серы с полиэтиленом (см. Догадкин Б.А. Взаимодействие полиэтилена с серой в присутствии меркаптобензотиазола и тетраметилтиурамдисульфида / Б.А. Догадкин, А.А. Донцов // Высокомолекулярные соединения. - 1963. - №. 1. - С. 1107-1117). При этом было установлено, что 2-меркаптобензотиазол вступает в реакцию с серой с образованием большого количества серосодержащих радикалов, а добавление оксида цинка совместно с серой и 2-меркаптобензотиазола приводит к увеличению степени сшивания и общей скорости реакций между макромолекулами каучука с серой.

Заявляемая композиция состоит из полимерной матрицы на основе СВМПЭ и наполнителей - оксида цинка, 2-меркаптобензотиазола (2-МБТ) и серы, добавляемых в качестве модификаторов.

Сущность изобретения состоит в следующем: в СВМПЭ вводятся оксид цинка, 2-МБТ, сера в количестве от 0,5 до 5 мас. %. При этом наблюдается повышение прочности материала в 1,5 раза в зависимости от концентрации наполнителей. Введение модификаторов в СВМПЭ позволяет увеличить прочность материала.

Разработанный композиционный материал применим для изготовления конструкционных изделий, работающих в среде нефти, масел, смазок, топлива, кислот и щелочей; в качестве футеровочного материала, применяемых для облицовки горно-обогатительного и горнодобывающего оборудования.

Для изготовления композитов используют СВМПЭ, например, марки Ticona GUR-4022 (Celanese, Китай), с молекулярной массой 5,3×10⁶ г/моль, со средним размером частиц 145 мкм и плотностью 0,93 г/см³. В качестве модификатора СВМПЭ используют серу (ТУ 6-09-4012-75), оксид цинка (ТУ 6-09-4012-75) и 2-МБТ (ТУ 6-09-4012-75), который применяется в качестве кислотного ускорителя вулканизации, придающий резинам стойкость к старению.

В рамках исследования использовались следующие соотношения компонентов (см. таблицу 1): оксид цинка - 0,5; 1; 2; 5 мас. %, 2-МБТ - 0,5;1; 2; 5 мас. %, сера - 0,5; 1; 2; 5 мас. %, СВМПЭ - 85; 88; 91; 94; 97; 98,5 мас. %.

Изготовление композитов из СВМПЭ проводят методом горячего прессования по стандартной технологии, а именно, прессованием при температуре 175°С, давлении 10 МПа и выдержке 20 мин с последующим охлаждением до комнатной температуры. Порошки СВМПЭ и 2-МБТ смешивают в лопастном смесителе в сухом виде со скоростью вращения перемешивающих устройств 1200 об/мин.

Использование оксида цинка, серы, 2-МБТ позволяет без усложнения технологических операций получать полимерные композиционные материалы на основе СВМПЭ с повышенными прочностными свойствами.

Физико-механические свойства композитов исследовали на разрывной машине AGS-J (Shimadzu, Япония) согласно ГОСТ 11262-80 при скорости движения подвижных захватов 50 мм/мин. Модуль упругости при растяжении определяли согласно ГОСТ 9550-2014, триботехнические характеристики - на трибомашине UMT-3 (CETR, США).

Коэффициент трения определяли согласно ГОСТ 11629-2017. Схема трения «палец - диск». Образцы с диаметром 10,00±0,02 мм. Контртело - стальной диск из стали 45 с твердостью 45-50 HRC, шероховатость R_а = 0,06-0,08 мкм. Удельная нагрузка - 1,9 МПа, линейная скорость скольжения - 0,5 м/с. Время испытания 3 ч.

В таблице 2 приведены полученные значения физико-механических и триботехнических характеристик заявляемой композиции.

Полученные результаты исследования показывают, что наилучшими прочностными свойствами при растяжении обладает композиция СВМПЭ с содержанием серы в количестве 1 мас. %, оксида цинка - 1 мас. % и 2-МБТ - 1 мас. %: у заявляемой композиции прочность при растяжении на 25% больше, чем у ближайшего аналога, а по сравнению с исходным СВМПЭ прочность при растяжении увеличилось на 53%.

Композиционный конструкционный материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), содержащий модификатор, отличающийся тем, что в качестве модификатора содержит оксид цинка, 2-меркаптобензотиазол и серу, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

СВМПЭ	91,0-98,5
оксид цинка	0,5-2,0
2-меркаптобензотиазол	0,5-2,0
сера	0,5-5,0

Изобретение относится к адгезионной полиэтиленовой композиции, применяемой, в многослойных покрытиях стальных труб, используемых для транспортировки, в том числе газа и нефтепродуктов.

Композиция полипропилена с низкой эмиссией и слабовыраженным запахом // 2705580

Изобретение относится к полимерной композиции, к способу получения из нее изделия и к изделию, предназначенному для применения в автомобильной промышленности или в хозяйственно-бытовых целях.

Способ получения строительного материала из смеси измельченного бытового полиэтилена и золы от сжигания осадков сточных вод // 2705120

Изобретение относится к области производства строительных материалов для дорожных конструкций. Способ включает приготовление смеси, содержащей в качестве вяжущего вещества измельченный до размера 5 мм бытовой полиэтилен.

Смеси бутильных иономеров // 2700611

Изобретение относится к полимерному компаунду для получения изделий, включающему смесь, содержащую 80-95 мас.% термопластика, обладающего средней температурой плавления (Tm) 105-185°С, и 5-20 мас.% иономера бутильного каучука, диспергированного в матрице из термопластика, в пересчете на суммарную массу смеси, причем термопластик содержит полиолефины, поливинильные соединения, полистирольные соединения, полиакрилонитрильные соединения, полиакрильные соединения, полиамиды, полиуретаны, сложные полиэфиры, полисилоксаны, поливинилхлориды и полистиролы.

Композиционный материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (варианты) и способ его получения // 2699219

Изобретение относится к композиционным материалам (КМ) на основе высокомолекулярных соединений и к способу его получения. Предложен способ получения КМ на основе СВМПЭ полимеризацией этилена на поверхности частиц наполнителя в присутствии иммобилизованного на них катализатора, состоящего из соединения переходного металла VCl4 и алюминийорганического соединения Al(i-Bu)3.

Полимерная композиция на основе вторичного полиэтилена низкого давления // 2696863

Настоящее изобретение относится к полимерной композиции для изготовления технической тары методом литья под давлением на основе вторичного полиэтилена низкого давления, содержащей одну из следующих добавок: 10 вес.% вторичного полиэтилентерефталата; 10 вес.% полиэтилена высокого давления; 3 вес.% термостабильной добавки; 10 вес.% полиэтилена высокого давления и 3 вес.% термостабильной добавки.

Полиэтилен для труб // 2694769

Настоящее изобретение предлагает способ получения мультимодального полиэтилена, включающий: (i) полимеризацию этилена и необязательно α-олефинового сомономера на первой стадии полимеризации с получением первого этиленового полимера; и (ii) полимеризацию этилена и необязательно α-олефинового сомономера в присутствии указанного первого этиленового полимера на второй стадии полимеризации, в котором первую и вторую стадии полимеризации проводят в присутствии ненанесенного металлоценового катализатора полимеризации и каждая стадия полимеризации дает, по меньшей мере, 5% масс.

Состав полиэтилена для литья под давлением // 2694048

Изобретение относится к композиции полиэтилена для литья под давлением, хорошо поддающейся обработке. Композиция полиэтилена является мультимодальной и обладает плотностью от 0,950 до 0,970 г/см3, MIЕ от 1 до 30 г/10 мин, отношением MIF/MIЕ от 15 до 30 и значениями реологической полидисперсности ER от 0,40 до 0,52.

Биологически разрушаемая термопластичная композиция // 2691988

Изобретение относится к полимерным композициям, предназначенным для получения биоразлагаемых изделий, таких как пленки, в том числе пленочные изделия для уничтожения сорняков, термоформованные изделия для цветочной, овощной рассады, мешки для бытового мусора.

Способ очистки загрязненного полиэтилена // 2691330

В изобретении описан способ очистки регенерированного полиэтилена, например полиэтилена, регенерированного после бытового использования или после промышленного использования.

Резиновая смесь // 2688521

Изобретение относится к резиновой промышленности, в частности к производству эластомерных материалов уплотнительного назначения, и может быть использовано для внутреннего слоя уплотнительных элементов в составе водонефтенабухающих пакеров, применяемых в нефтегазодобывающей промышленности.

Полимерная композиция триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и 2-меркаптобензотиазола // 2688134

Изобретение относится к полимерному материаловедению, а именно к износостойкой полимерной композиции триботехнического назначения, применяемой для изготовления подшипников скольжения в узлах трения машин, механизмов, для изготовления износостойких футеровок, применяемых для облицовки горно-обогатительного и горнодобывающего оборудования, износостойких изделий конструкционного назначения, работающих в режиме абразивного изнашивания в среде нефти, масел, смазок, топлива, кислот и щелочей.

Резиновая смесь // 2686202

Изобретение относится к резиновой промышленности, в частности к производству эластомерных материалов уплотнительного назначения, и может быть использовано для внешнего слоя уплотнительных элементов в составе водонефтенабухающих пакеров, применяемых в нефтегазодобывающей промышленности.

Резиновая смесь на основе бутадиен-стирольного каучука с шунгитом // 2686035

Изобретение относится к резиновой промышленности и может быть использовано при изготовлении сайлентблоков, пыльников, применяющихся в автомобильной промышленности, при изготовлении резинотехнических изделий общего назначения.

Морозостойкая резиновая смесь на основе эпихлоргидринового каучука hydrin t-6000 // 2685089

Изобретение относится к резиновой промышленности, в частности к разработке резин на основе эпихлоргидринового каучука, и может быть использовано в автомобильной, нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей промышленности.

Винилсиланы для применения в функционализированных эластомерных полимерах // 2669799

Изобретение относится к новым винилсилановым соединениям, которые могут быть модификаторами при полимеризации сопряженных диеновых мономеров для получения эластомерных полимеров, используемых в производстве резиновых изделий.

Резиновая смесь на основе бутилкаучука // 2668980

Изобретение относится к созданию резиновой смеси на основе бутилового каучука и может быть использовано в шинной и резинотехнической промышленности. Резиновая смесь содержит бутиловый каучук БК-1675, печной технический углерод N326, окисленный активными формами кислорода (АФК), содержащий протоногенные функциональные группы в количестве от 0,6 до 1,6 мг-экв/м2, серу молотую, тетраметилтиурамдисульфид, 2-меркаптобензтиазол, белила цинковые, масло «Норман-538», стеариновую кислоту.

Способ сшивания ерм и epdm // 2664508

Изобретение относится к способу сшивания эластомера, выбранного из этилен-пропиленового (ЕРМ) и этилен-пропилен-диенового терполимерного (ЕРDМ) эластомеров. Способ содержит этап объединения упомянутого эластомера со следующими компонентами: элементарная сера, пероксид, первый ускоритель серной вулканизации и второй ускоритель серной вулканизации.

Эластомерная композиция на основе натурального каучука // 2664070

Изобретение относится к полимерной промышленности и может быть использовано для производства автомобильных шин, напольных покрытий, промышленных шлангов, транспортеров, лент, ремней, строительных материалов.

Формованное изделие, изоляционный материал с его использованием и способ улучшения электроизоляционных свойств композиции полиэфирной смолы // 2663431

Изобретение относится к способу улучшения электроизоляционных свойств композиции полиэфирной смолы. Способ включает введение 0,001-1,0 мас.

Вкладыш эндопротеза // 2703615

Изобретение относится к медицине, а именно к получению антифрикционных вкладышей на основе модифицированного политетрафторэтилена для искусственных эндопротезов суставов и способу его получения, и может использоваться в узлах трения эндопротезов тазобедренного, коленного, плечевого, локтевого суставов, а также межпозвоночных дисков.