Полимерная композиция конструкционного и триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и борполимера

Авторы патента:

Охлопкова Айталина Алексеевна (RU)

Слепцова Сардана Афанасьевна (RU)

Кычкин Анатолий Константинович (RU)

Васильев Андрей Петрович (RU)

Петрова Наталия Николаевна (RU)

Туисов Алексей Геннадьевич (RU)

Дьяконов Афанасий Алексеевич (RU)

Лазарева Надежда Николаевна (RU)

Данилова Сахаяна Николаевна (RU)

Кычкин Айсен Анатольевич (RU)

C08L23/06 - полиэтен

C07F5/04 - эфиры борных кислот

Владельцы патента RU 2784206:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Восточный федеральный университет имени М.К.Аммосова" (RU)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" (RU)

Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в качестве износостойкого полимерного композита на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) для изготовления подшипников скольжения в узлах трения машин, механизмов, износостойких футеровок, изделий функционального и конструкционного назначения, работающих в режиме абразивного изнашивания в углеводородной среде. Данная композиция содержит СВМПЭ 95,0-99,8 мас.% и модификатор – полиметилен-п-трифениловый эфир борной кислоты – 0,2-5,0 мас.%. Технический результат – разработка конструкционного и износостойкого композиционного материала, обладающего повышенными прочностными и износостойкими свойствами. 1 табл., 8 пр.

К большинству полимерных композитов при разработке предъявляют комплекс требований по стойкости к действию масел, физико-механическим, износостойким, теплофизическим и другим характеристикам. В связи с этим при создании полимерных композитов необходимо подобрать компоненты, которые оказывают комплексное воздействие на полимерную матрицу для улучшения эксплуатационных свойств.

Известна полимерная композиция конструкционного назначения на основе СВМПЭ и волокнистых наполнителей (см. RU №2346963, кл. C08L 23/06, C08K 13/04, C08K 7/02, опубл. 20.02.2009), содержащая волокнистый наполнитель в количестве 5-25 мас.%. В данном случае волокнистый наполнитель используют в виде смеси волокон длиной 2-3 мм, состоящей из 70 мас.% полиоксадиазольного волокна и 30 мас.% волокон из хлопчатобумажной пряжи. При этом материал характеризуется относительно невысокой стойкостью к истиранию частицами повышенной твердости.

Полимерный композит по патенту RU №2087490 (кл. B29C 67/00, B29K 23/00, B29K 105/16, C08F 2/44, C08F 4/60, C08F 4/64, C08F 4/659, C08F 8/00, C08F 10/02, C08F 292/00, C08K 3/00, C08L 23/04, опубл. 20.08.1997) включает 25,5-92,0 мас.% ультравысокомолекулярного линейного полиэтилена с высокой молекулярной массой и температурой плавления кристаллитов выше 143°С, при этом полиэтилен способен к понижению температуры плавления при повторном плавлении на 3°С и имеет кристаллическую морфологию, формирующуюся в бимодальном распределении параметра складывания молекулярных цепей в кристаллической решетке, и 8,0-74,5 мас.% наполнителя с поверхностью от нейтральной до кислотной.

Недостатками известного материала являются низкая устойчивость к ударным нагрузкам, невысокая стойкость к истиранию частицами повышенной твердости.

Известна полимерная композиция на основе СВМПЭ (см. RU №2381242, кл. C08L 23/06, B82B 1/00, опубл. 10.02.2010), где в качестве наполнителя использован оксид алюминия Al₂O₃ модификации корунд двух фракций с размером 0,1 и 0,3 мм при соотношении 1:2 и в общем количестве 18 мас.%. В качестве полимерной матрицы применяется СВМПЭ, предварительно механоактивированный в планетарной мельнице АГО-2С.

Недостатками материала являются низкая прочность, невысокая стойкость к истиранию частицами повышенной твердости, высокая стоимость производства.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому материалу является композиция на основе СВМПЭ с терморасширенным графитом, добавляемым в качестве модификатора в количестве 2 мас.% (см. RU №2535216, кл. C08J 5/16, C08L 23/06, C08K 3/04, опубл. 10.12.2014). К недостаткам материала следует отнести высокую стоимость терморасширенного графита, недостаточную износостойкость и прочность.

Задача, на решение которой направлено заявленное решение, заключается в разработке конструкционного и износостойкого композиционного материала для изготовления деталей в узлах трения, машин и других механизмов, эксплуатирующихся в условиях абразивного изнашивания в агрессивных средах.

Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении прочности, износостойкости и надежности узлов, уменьшении интенсивности массового изнашивания материала.

Поставленная задача достигается за счет того, что полимерная композиция конструкционного и триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, содержащая модификатор, отличающаяся тем, что в качестве модификатора содержит борполимер, а именно, полиметилен-n-трифениловый эфир борной кислоты, при следующем соотношении компонентов, мас.%: СВМПЭ - 95,0-99,8; полиметилен-n-трифениловый эфир борной кислоты - 0,2-5,0

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, повышение надежности деталей узлов, в частности, подшипников скольжения в узлах трения, машин, механизмов и 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.

Заявляемая композиция состоит из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и борполимера (полиметилен-n-трифениловый эфир борной кислоты). Разработанная композиция позволяет в разы уменьшить интенсивность массового изнашивания и повысить прочность материала.

Сущность изобретения состоит в следующем: в СВМПЭ вводится добавка в виде полиметилен-n-трифенилового эфира борной кислоты в количестве 0,2-5,0 мас.%. При этом наблюдается значительное повышение износостойкости материала и прочности в зависимости от концентрации наполнителя.

Для экспериментальных работ были изготовлены композиты, в которых использовали СВМПЭ марки Ticona GUR-4022 (Celanese, Китай), с молекулярной массой 5,0×10⁶ г/моль, средним размером частиц 145 мкм и плотностью 0,93 г/см³. Физико-механические свойства СВМПЭ показаны в таблице.

В качестве модификатора СВМПЭ использовали полиметилен-n-трифениловый эфир борной кислоты, представляющий собой продукт конденсации трифенилового эфира борной кислоты и триоксиметилена (см. Туисов А.Г., Кычкин А.А., Ананьева Е.С., Максимова Е.М. Исследование процесса растворения борполимера в эпоксиангидридном связующем // Ползуновский вестник. 2020. №4), в следующем соотношении в полимерной матрице - 0,2; 0,5; 1; 2; 3; 5 мас.%.

Изготовление полимерных композитов проводили методом горячего прессования при температуре 175±2°С, давлении 10±0,5 МПа и выдержке 20±0,5 мин с последующим охлаждением до 80°С. Порошки СВМПЭ и полиметилен-n-трифенилового эфира борной кислоты смешивали в лопастном смесителе в сухом виде со скоростью вращения перемешивающих устройств 1200 об/мин.

Физико-механические свойства композитов исследовали на разрывной машине типа AGS-J (Shimadzu, Япония) при скорости движения подвижных захватов 50 мм/мин. При этом модуль упругости при растяжении определяли согласно ГОСТ 9550-2014. Триботехнические характеристики определяли 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 Ra = 0,06-0,08 мкм. Удельная нагрузка - 1,9 МПа, линейная скорость скольжения - 0,5 м/с. Время испытания 3 ч. Для определения массового износа образцы обрабатывали этиловым спиртом и взвешивали на аналитических весах до и после трения.

Основные показатели физико-механических и триботехнических характеристик заявляемой композиции приведены в таблице.

Наилучшие показатели интенсивности массового изнашивания получены у композиции СВМПЭ с 5 мас.% содержанием полиметилен-n-трифенилового эфира борной кислоты: интенсивность весового изнашивания при нагрузке 150 Н в 11 раз меньше, чем у прототипа, а по сравнению с исходным СВМПЭ в 6 раз. При этом удалось увеличить прочность при растяжении у заявляемой композиции на 11% по сравнению с прототипом, а по сравнению с исходным СВМПЭ - на 22%.

Введение 0,5% полиметилен-n-трифенилового эфира борной кислоты в полимерную матрицу увеличивает прочность на 42% по сравнению с прототипом и на 56% по сравнению с исходным образцом. Помимо этого, заявляемая композиция характеризуется повышенным значением твердости (на 26%) относительно исходного СВМПЭ и сниженным значением коэффициента трения, что свидетельствует об отсутствии абразивного воздействия на прилегающую рабочую поверхность изделия.

Таким образом, использование полиметилен-n-трифенилового эфира борной кислоты позволяет без усложнения технологических операций получать полимерные композиционные материалы на основе СВМПЭ с повышенными прочностными и износостойкими свойствами.

Таблица Свойства полимерных композитов
Образец	δ, МПа	ε, %	Е_р, МПа	H, Н/мм²	f	J, мг/ч	Сжатие
δ_сд2,5, МПа	δ_сд10, МПа	δ_сд25,МПа
исходный СВМПЭ	32+3	339+16	550+26	41,64	0,38	0,12	4	17	30
СВМПЭ+0,2% БП	49+1	434+14	743+34	41,64	0,38	0,14	11	28	29
СВМПЭ+0,5% БП	50+1	417+10	712+37	44,24	0,4	0,14	8	20	26
СВМПЭ+1% БП	45+1	389+8	692+19	50,56	0,4	0,12	8	23	30
СВМПЭ+2% БП	43+2	383+18	692+32	50,64	0,38	0,11	13	26	31
СВМПЭ+3% БП	43+1	369+12	801+21	50,56	0,35	0,05	11	24	33
СВМПЭ+5% БП	39+1	327+14	719+22	52,56	0,29	0,02	10	25	34
Прототип	35	300	-	-	-	0,23	-	-	-

Примечание: δ - Предел прочности при растяжении, МПа; ε - относительное удлинение при разрыве, %; Е_р - модуль упругости при растяжении, МПа; H- твердость при сжатии, Н/мм²; f - Коэффициент трения; J - Скорость массового изнашивания, мг/ч; δ_сд2,5 - деформация при 2,5%, МПа; δ_сд10 - деформация при 10%, МПа; δ_сд25 - деформация при 25%, МПа.

Полимерная композиция конструкционного и триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), содержащая модификатор, отличающаяся тем, что в качестве модификатора содержит полиметилен-п-трифениловый эфир борной кислоты при следующем соотношении компонентов, мас.%:

СВМПЭ – 95,0-99,8

Полиметилен-п-трифениловый эфир борной кислоты – 0,2-5,0.

Изобретение относится к пеноматериалам. Предложен пеноматериал из фенольной смолы для теплоизоляции, звукопоглощения, задержки распространения пламени и стойкости к химической коррозии, содержащий в частях по весу: от 44,4 до 56,8 части термоотверждающейся фенольной смолы, от 37,9 до 45 частей ПОЭ, от 1 до 6 частей пенообразующего агента, от 0,2 до 0,4 части поперечно сшивающего агента, от 1 до 10 частей наполнителя и от 0,3 до 0,6 части антиоксиданта.

Биодеградируемый полимерный композиционный материал на основе полиэтилена // 2783825

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и предназначено для получения биоразлагаемых композиционных материалов на основе полиолефинов, преимущественно ПЭВД, и может быть использовано в сельском хозяйстве, строительстве, медицине при изготовлении упаковочных материалов. Техническим результатом изобретения является повышение скорости разложения материала на основе полиолефинов.

Композиция полиэтилена для труб высокого давления с улучшенной гомогенностью // 2777964

Изобретение относится к композициям полиэтилена с улучшенной гомогенностью, подходящим для труб высокого давления. Предложена композиция полиэтилена, содержащая базовую смолу с плотностью от 952,0 кг/м³ до 960,0 кг/м³, как определено согласно ISO 1183, где композиция полиэтилена имеет скорость течения расплава MFR21 (190°C, 21,16 кг) от 1,0 до 7,5 г/10 минут, как определено согласно ISO 1133, комплексную вязкость при частоте 0,05 рад/с eta0,05 от 750 кПа*с до 1900 кПа*с, как определено согласно ISO 6721-1 и ISO 6721-10, показатель белых пятен не более чем 12,0, как определено согласно ISO 18553, и модуль упругости при растяжении, равный или более 1200 МПа, как определено согласно ISO 527-2:1993.

Разделительные компоненты для повышения антиадгезионных свойств термопластичного упаковочного материала // 2774773

Группа изобретений относится к композиции, предназначенной для использования в изготовлении формованных пластмассовых изделий с разделительными свойствами для упаковки прилипающих продуктов, и к формованному изделию, изготовленному из такой композиции. Композиция содержит компонент А, компонент В и/или С, и компонент D, где компонент А представляет собой термопластичный материал, представляющий собой полиэтилен, компонент В представляет собой органическую добавку, представляющую собой смесь моно-, ди-, три- и тетраглицерина, этерифицированного жирными кислотами растительного происхождения, компонент С представляет собой органическую добавку, представляющую собой сложный эфир сорбита, имеющего длину цепи сложного эфира C8-C18, компонент D представляет собой гидроталькит.

Битумные композиции и способы их получения // 2769779

Изобретение по существу относится к битумным композициям и способам их получения. Композиция содержит: базовый битум в количестве от около 91 до около 96 мас.% в расчете на общую массу указанной композиции, выбранный из классов эффективности PG 58-28, PG 64-22, PG 52-34 и их комбинаций; неэпоксидированное масло, выбранное из полугудронов, кукурузного масла и их комбинаций в количестве от около 2,5 до около 6 мас.% в расчете на общую массу указанной композиции для повышения устойчивости к термическому растрескиванию; и по меньшей мере один полиолефин в общем количестве от около 1,2 до около 3 мас.% в расчете на общую массу указанной композиции для повышения устойчивости к деформации.

Адгезионная композиция на основе полиэтилена с улучшенной долговременной стабильностью, способ ее получения и применение // 2768173

Настоящее изобретение относится к группе изобретений: адгезионная композиция на основе полиэтилена, способ получения адгезионной композиции, применение адгезионной композиции и труба. Данная композиция содержит: А) от 50 до 80 мас.% линейного полиэтилена низкой плотности (ЛПЭНП), полученного на каталитических системах Циглера-Натта, имеющего плотность от 0,915 до 0,925 г/см3 и показатель текучести расплава (ПТР190/2,16) в диапазоне от 2,5 до 8,0 г/10 мин; В) от 15 до 30 мас.% полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), привитого функциональным мономером, имеющего плотность не менее чем 0,955 г/см3 и показатель текучести расплава (ПТР190/2,16) в диапазоне от 1,5 до 2,5 г/10 мин; и С) от 5 до 20 мас.% эластомера.

Полиэтиленовая композиция для производства пленок, получаемых экструзией с раздувкой // 2767655

Полиэтиленовая композиция, пригодная для производства пленок, получаемых экструзией с раздувкой, содержащая гомополимер или сополимер этилена А) и сополимер этилена В), имеющий значение MIE меньше, чем значение MIE для А), указанная композиция, обладающая следующими свойствами: 1) плотностью, составляющей от 0,948 до 0,960 г/см3; 2) соотношением MIF/MIP, составляющим от 20 до 40; 3) индексом MIF, составляющим от 6 до 15 г/10 мин; 4) индексом HMWcopo, составляющим от 0,5 до 3,5; 5) показателем длинноцепочечной разветвленности (ПДЦР), равным или составляющим меньше чем 0,82; 6) значением η0,02, равным или составляющим меньше чем 150000.

Композиция концентрата добавок на основе полукристаллического полиолефина // 2766574

Настоящее изобретение относится к группе изобретений: композиция концентрата добавок для получения влагоотверждаемой полиолефиновой композиции, влагоотверждаемая полиолефиновая композиция для применения в качестве компонента оболочки проводника с покрытием, способ изготовления влагоотверждаемой полиолефиновой композиции, влагоотвержденная полиолефиновая композиция, произведенное изделие, проводник с покрытием и способ пропускания электричества.

Биозащитная полимерная порошковая композиция // 2766332

Изобретение относится к составам полимерных покрытий, защищающих от микробиологических повреждений поверхности металла в условиях повышенной влажности и температуры, а также используемых для защиты корпусов морских и речных судов, гидротехнических и иных сооружений от обрастания различного рода биологическими обитателями водной среды.

Полимерный материал // 2765293

Изобретение имеет отношение к полимерному материалу для изготовления волокна, пленки или впитывающего изделия, волокну, нетканому полотну и впитывающему изделию, которые включают указанный полимерный материал, а также к способам образования полимерного материала и волокна. Полимерный материал содержит термопластичную композицию.

Способы кросс-сочетания // 2777977

Изобретение относится к способу получения замещенного бицикло[1,1,1]пентана формулы (I). Способ включает: приведение в контакт соединения формулы (А) с соединением формулы (B) в присутствии первого катализатора на основе переходного металла, необязательно второго катализатора на основе переходного металла и необязательно основания, при условиях, выбранных для образования соединения формулы (I); причем соединение формулы (A) имеет структуру, как показано далее, где R1 выбран из группы, состоящей из C6-10 арила, замещенного незамещенным С1-4 алкилом, бензоксазола, замещенного незамещенным С1-4 алкилом, C-карбокси, замещенного незамещенным С1-4 алкилом, , и первого борсодержащего фрагмента, причем первый борсодержащий фрагмент связан посредством бора; причем первый борсодержащий фрагмент выбран из группы, состоящей из и ; где X1 выбран из группы, состоящей из –C(=O)Y, и второго борсодержащего фрагмента; причем второй борсодержащий фрагмент выбран из группы, состоящей из , и ; причем соединение формулы (B) имеет структуру R2-X2; где R2 выбран из группы, состоящей из C6-10 арила, замещенного незамещенным С1-4 алкилом или С1-4 алкокси, пиридина, замещенного С1-6 галогеналкилом, пиримидина и хинолина; где X2 выбран из группы, состоящей из хлорида, бромида, иодида и псевдогалогенида, где псевдогалогенид представляет собой сульфонат, фосфат, цианид, азид, изоцианат, тиоизоцианат или четвертичный азотный фрагмент; причем первый катализатор на основе переходного металла выбран из группы, состоящей из Pd катализатора и Ni катализатора, где Pd катализатор выбран из группы, состоящей из Pd(PPh3)4 и PdCl2(dppf); и где Ni катализатор представляет собой NiCl2⋅диметоксиэтан; причем второй катализатор на основе переходного металла представляет собой Ir катализатор, где Ir представляет собой Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbpy)PF6; причем соединение формулы (I) имеет структуру как показано далее; причем связь между R2 и бицикло[1,1,1]пентаном в соединении формулы (I) представляет собой углерод-углеродную связь; причем Y выбран из группы, состоящей из OR6 и OM; причем R6 представляет собой водород; и где М представляет собой одновалентный катион; при условии, что по меньшей мере один из X1 и X2 не является борсодержащим фрагментом; и при условии, что если второй катализатор на основе переходного металла присутствует, то или X1 или X2 представляет собой –C(=O)Y.