ПРИРОДНЫЕ ЦЕОЛИТЫ В КАЧЕСТВЕ ДОБАВКИ, СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ ФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК C08J5/14 

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к добавкам, стабилизирующим коэффициент трения фрикционных материалов, применяемых для изготовления тормозных накладок и колодок дисковых и барабанных тормозов.

Современные фрикционные материалы с повышенной стабильностью коэффициента трения обеспечивают получение указанного эффекта за счет использования модифицированных традиционных, в частности, фенольных связующих, либо за счет применения сложных систем регуляторов фрикции.

Так, композиция для фрикционного материала со стабильным коэффициентом трения при повышенных температурах (350^oС) в качестве связующего включает фенольный новолак, содержащий 50% орто-связей и 3% непрореагировавшего фенола [1]
Фрикционные материалы с повышенной стабильностью коэффициента трения (до 0,88) на основе фенольно-каучукового связующего содержат комбинированный фрикционный наполнитель, включающий в качестве регулятора фрикции смесь графита, баритового концентрата, сульфида сурьмы, вермикулита и оксида алюминия. Содержание оксида алюминия 8,5-16,0 мас. [2]
Стабильностью коэффициента трения до 90,2 характеризуется материал из фенольно-каучуковой композиции, содержащей в качестве регулятора фрикции смесь графитсодержащего наполнителя, баритового концентрата, сульфида сурьмы, вермикулита, гидрата окиси кальция оксида алюминия и монозамещенных фосфатов хрома и алюминия. Содержание оксида алюминия 40-250 мас.ч. на 100 мас.ч. фенольной смолы [3]
Однако лишь один из компонентов, входящих в составы регуляторов фрикции вышеуказанных материалов, является сорбентом это оксид алюминия. Последний относится к числу сорбентов с мезопорами, то есть с порами диаметром до . Значительно более активный мезопористый сорбент сажа, также вводимая в составы фрикционных композиций. Так, использование сажи в количестве до 35 мас. как таковой или в смеси с другими регуляторами фрикции, в том числе с оксидом алюминия и тальком, предусматривается техническим решением, в соответствии с которым в качестве связующего материал содержит пульпоподобные частицы термостойкого ароматического полимера в сочетании с термореактивной смолой [4]
Известно введение сажи в сочетании с угольным порошком или другим карбонизованным компонентом (графит, антрацит) в композиции, содержащие органическое связующее, включающее каучук в сочетании с термореактивной смолой, предпочтительно фенольной), стальное волокно, неорганический наполнитель и, при необходимости, модификатор фрикции и целевые добавки (антиоксиданты, антипирены и др. ). Композиции могут содержать в числе прочих неорганических наполнителей оксид алюминия, оксид кремния, оксид железа по одному или в смеси [5] Сведения о стабильности коэффициента трения в описании указанного патента отсутствуют.

Техническая задача, решаемая предложенным техническим решением - обеспечение стабильного коэффициента трения фрикционных материалов, лишь в незначительной степени зависящего от условий эксплуатации (температуры, нагрузки, скорости).

Поставленная техническая задача решается применением микропористых цеолитов в качестве добавки, стабилизирующей коэффициент трения фрикционных материалов.

В соответствии с изобретением в качестве микропористых цеолитов применяются природные цеолиты.

Природные цеолиты ценное минеральное сырье, которое представляет собой горные породы, содержащие микрокристаллические цеолиты в количестве от 40-50% до 90-95% c примесью других минералов и обломков пород. Содержание цеолиты горные породы после дробления представляют собой товарный продукт и без обогащения, а в большинстве случаев и без какой-либо дополнительной обработки используются различными отраслями промышленности.

Пористая открытая микроструктура природных цеолитов водных алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных металлов представляет собой каркасную структуру, содержащую крупные полости и каналы, заполненные водой, которая может выделяться из цеолита и возвращаться в него, не нарушая структуры каркаса. Обезвоженные цеолиты приобретают способность сорбировать молекулы различных веществ, которые по своим размерам не превышают диаметра пор каналов, соединяющих микрополости [6]
Структура и химический состав цеолитов определяют их свойства. Однако необходимо учитывать изменчивость состава цеолитов из-за присущего им свойства изоморфизма (Na⁺Si⁺⁴ ⇄ Ca⁺²Al⁺³ и т.п.).

В качестве природных цеолитов были применены высококремнистые фожазит (он же фоязит) Na₂Cа[Аl₂Si₄O₁₂]₂•16Н₂О, шабазит Са[Аl₂Si₄О₁₂]•6Н₂О и морденит (Cа, К₂Nа₂)[АlSi₅О₁₂]•6Н₂О.

Наиболее предпочтительным природным цеолитом, дающим лучшие результаты при использовании его в качестве заявленной целевой добавки, является фожазит цеолит, близкий к шабазиту, но в отличие от последнего редкий. Фожазит кубический, кристаллы октаэдрические, встречается в эффузивных породах - магнитических вулканических породах. Минимальный диаметр наиболее крупных каналов . Шабалит и морденит распространены в базальтах, андезитах и др. Габитус (внешний вид) кристаллов габазита ромбоэдрический (псевдокубический), минимальный диаметр каналов , кристаллы морденита - ромбические, диаметр наиболее крупных каналов [7]
Предложенные добавки эффективно работают в составах фрикционных материалов последнего поколения безасбестовых, экологически чистых, с повышенной термостабильностью.

Применение природных цеолитов в качестве стабилизатора коэффициента трения нам не известно.

Обычные области применения природных цеолитов химическая, нефтехимическая и нефтеперерабатывающая промышленности, где они применяются в качестве адсорбентов для разделения сложных газовых и жидких смесей, в каталитических процессах, например, в дегидрогенизации бензола, изомеризации ксилола, диспропорционировании толуола и т.п.

Предложенные добавки применяются в обычных составах безасбестовых фрикционных материалов на любом полимерном связующем-предпочтительно фенольное связующее в сочетании с бутадиеннитрильным каучуком.

Наиболее подходящим усиливающим наполнителем является стальное волокно или его смеси с другими волокнами.

В качестве дисперсных наполнителей предпочтительно применение порошкообразных металлов или сплавов, окислов металлов, в качестве регуляторов фрикции барита, сульфида сурьмы и т.п.

Количества используемых ингредиентов обычно применяемые в практике изготовления фрикционных материалов.

Фрикционный материал получают пропиткой полимерным связующим смеси усиливающего наполнителя в виде волокон и фрикционных наполнителей с последующим прессованием при температуре порядка 170^oС и давлении порядка 300 кг/см². Далее осуществляют термообработку при температуре 80-200^oС в течение 20-22 ч.

Составы композиций и свойства фрикционных материалов, полученных из них, представлены в примерах 1-5 таблицы.

Нет единого мнения о связи коэффициента стабильности коэффициента трения с содержанием какого-либо компонента во фрикционном материале. Исходя из общих представлений, подтвержденных практикой, важнейшим регулятором стабильности коэффициента трения является стальное волокно, в связи с чем оно присутствует во всех заявленных композициях.

Относительно влияния других добавок, в частности, сорбентов, к числу которых относятся и микропористые цеолиты, можно высказать такое предположение: причиной снижения стабильности коэффициента трения является образование смазывающего слоя из продуктов термодеструкции полимерного связующего в точках физического контакта. Условием образования смазывающего слоя является равенство нормального давления и противодавления смазывающего слоя. Исходя из этого для повышения стабильности коэффициента трения необходимо ввести сорбенты для поглощения продуктов термодеструкции. Подобную роль возможно в известных составах могли играть, например, вещества с развитой поверхностью, к числу которых относятся окислы алюминия, кремния, сажа.

На основе вышеизложенного нам представляется целесообразным для сравнительной характеристики эффективности стабилизации коэффициента трения предложенной добавкой параллельно с заявленными композициями испытать контрольные составы (примеры 6-9), в которых вместо цеолита использованы оксид алюминия, оксид кремния, сажа и их смесь в приблизительно равных соотношениях.

Из полученных композиций отпрессовывают образцы в виде брусков размером 10 х 10 х 15 мм, которые испытывают для оценки трибологических характеристик. Испытания проводят на машине трения 2070 СМТ-1 производства ПО "Точприбор" (г. Иваново) в соответствии с методикой экспресс-оценки фрикционных свойств (коэффициента трения и энергетического износа) полимерных материалов по схеме вытирания канавки с подъемом температуры до 600^oС.

Как видно из представленной таблицы, материалы с использованием микропористых цеолитов превосходят по стабильности коэффициента трения контрольные материалы (0,90- 0,92 против 0,85-0,86).

Техническая документация.

1. Фенольная смола СФП-011 ОСТ 6-05-441-78
2. Бутадиеннитрильный каучук с содержанием акрилонитрила 27-35 мас. в виде латекса СКН-30МС (на сухое вещество) ТУ 38103254-75
3. Вулканизующая группа: сера ГОСТ 127-76
оксид цинка ГОСТ 202-84
4. Фурано-эпоксидная смола ФАЭД ТУ 50.02.039.18.80
5. Полиэтиленполиамин ТУ 6-02-594-75
6. Эпоксидная смола ЭД-20 ГОСТ 10587-76
7. Полиалюмофенилсилоксан КО-810 ГОСТ 18565-73
8. Стальное волокно ультратонкое Опытный образец
9. Стеклянное волокно ТУ 6-11-240-77
10.Порошкообразный сплав цинка с магнием Опытный образец
11.Порошкообразная медь ГОСТ 4960-75
12.Сурьма трехсернистая ОСТ 4835-83
13.Сернокислый барий в виде баритового концентрата ГОСТ 4682-84
14.Оксид хрома ГОСТ 2912-79
15.Оксид алюминия ГОСТ 6912-87
16.Оксид кремния ГОСТ 14922-77
17.Сажа (углерод технический) ГОСТ 7885-86
18.Цеолиты: фожазит, шабазит, морденит, гармотом Природные минералы
Синт.цеолит типа СаУ/мол.отношение оксида кремния к оксиду алюминия4,5 - Производство Горьковского опытного заводат

Использование: в области машиностроения для изготовления тормозных накладок и колодок дисковых и барабанных тормозов. Сущность изобретения: применение микропористых природных цеолитов в качестве добавки, стабилизирующей коэффициент трения. 1 табл.

Применение природных цеолитов, выбранных из группы, включающей фожазит, шабазит или морденит, в качестве добавки, стабилизирующей коэффициент трения фрикционных материалов.