АНТИФРИКЦИОННАЯ КОМПОЗИЦИЯ Российский патент 1997 года по МПК C08J5/16 C08L27/18 

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к антифрикционным материалам на полимерной основе, которые могут быть использованы для изготовления уплотнительных элементов пар вращательного и возвратно-поступательного перемещения и других элементов герметизаторов.

Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцевых уплотнений и других элементов узлов трения на основе политетрафторэтилена и неорганических наполнителей различной химической природы [1] Материалы известны как самосмазывающиеся антифрикционные с малым коэффициентом трения, но имеют низкие деформационно-прочностные характеристики, что снижает их работоспособность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является малонаполненный композит на основе политетрафторэтилена и ультрадисперсного неорганического наполнителям β -сиалона (прототип) [2] Прототип является композицией, содержащей ПТФЭ(90-99,5% мас.) и ультрадисперсный сиалон (0,5-10,0 мас.). Общая формула Si_6-xAl_xO_xN_8-x. Обладая высокой износостойкостью в сочетании с высокими упруго-эластическими характеристиками, материал характеризуется нестабильностью коэффициента трения и сильным износом в области верхнего предела эксплуатации материла в составе изделия (0,5-1,0 мас.).

Технической задачей изобретения является повышение износостойкости материала, уменьшение коэффициента трения.

Достижение положительного эффекта обеспечивается введением в политетрафторэтилен ультрадисперсных керамик на основе нитрида кремния и оксидов бора, алюминия, кремния в сочетании с органическим модификатором - флуорексом, при следующем соотношении компонентов (% мас.):
ультрадисперсные керамики 0,5-1,0
флуорекс 1510 0,1-2,0
политетрафторэтилен остальное
Политетрафторэтилен (фторопласт-4) промышленный продукт (ГОСТ 10007-80), представляет собой белый, рыхлый порошок со степенью кристалличности до спекания 95-98% после спекания 70% плотностью 2,16-2,17 г/см³, Тпл 327^oC.

Ультрадисперсные керамики на основе нитрида кремния и оксидов бора, алюминия, иттрия представляют собой тугоплавкие твердые растворы на основе нитрида кремния, в которых атомы азота частично заменены кислородом, а атомы кремния бором, алюминием, иттрием, объединенные общим определением "ультрадисперсные керамики". Общая формула керамик: Si₃N₄: Q₂O₃SiO₂N, где Q атомы бора, алюминия, иттрия. Они носят названия: оксинитрид бора-кремния, оксинитрид иттрия-кремния, оксинитрид алюминия-кремния. Физические параметры ультрадисперсных керамик: размер частиц -0,01-0,1 мкм; удельная поверхность 50 м²/г; плотность 3,10 г/см³ форма частиц сферическая. Выпускаются по ТУ 88 Латв.ССР 0140-91.

Флуорекс 1510 продукт, полученный из отходов переработки нефти, являясь концентратом нефтяных высокомолекулярных соединений, представляет собой порошок черного или темно-коричневого цвета с плотностью 1,1 г/см³ (ТУ 3840140-88).

Для получения композиции в политетрафторэтилен вводили ультрадисперсную керамику и флуорекс, помещая расчетную массу полимера, керамики и флуорекса в высокооборотный смеситель, и смешивали до получения однородной массы. Затем из композиции путем холодного прессования делали заготовки требуемой формы и спекали их в электрической печи при температуре 370+ 5^oC.

Оказалось, что сочетание политетрафторэтилена, ультрадисперсной керамики и флуорекса позволяет получить композиционный материал, обладающий высокой износостойкостью, стабильным коэффициентом трения и хорошим комплексом физико-механических характеристик.

Подобные свойства антифрикционной композиции заявляемого состава определяются химическим составом и физическими параметрами ультрадисперсных керамик, природой органического модификатора и синергетическим действием их одновременного участия в формировании структуры композита.

Пример 1. 99,4 г политетрафторэтилена смешивали с 0,05 г оксинитрида алюминия-кремния и 0,1 г флуорекса 1510 в смесителе в течение 2 мин до получения однородной массы. Затем композицию помещали в пресс-форму и формовали изделие при удельном давлении 50 МПа. Спекание изделия проводили в свободном состоянии в электрической печи при температуре 370 + 5^oC при времени выдержки 0,3 ч на мм толщины изделия и далее охлаждали в печи до комнатной температуры. Затем определяли физико-механические и трибологические параметры материала.

Пример 6. 98,9 г политетрафтоэтилена смешивали с 1,0 г оксинитрида иттрия-кремния и 0,1 г флуорекса 1510 в смесителе до получения однородной массы. Полученную композицию помещали в пресс-форму и формовали изделие при удельном давлении 50 МПа. Затем спекали при температуре 370 + 5^oC и далее охлаждали в печи до комнатной температуры. Затем определяли физико-механические и трибологические параметры материала.

Пример 9. 99,4 г политетрафторэтилена смешивали с 0,5 г оксинитрида бора-кремния и 0,1 г флуорекса 1510 в смесителе. Полученную композицию помещали в пресс-форму и прессовали изделие при удельном давлении 50 МПа. Затем спекали при температуре 370+5^oC и далее охлаждали в печи до комнатной температуры. Затем определяли физико-механические параметры материала.

Остальные примеры получения антифрикционной композиции заявляемого состава приведены в таблице примеров.

Методики определения свойств антифрикционной композиции
Физико-механические характеристики материала определяли на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Испытания проводили на разрывной машине "Инстрон" (Англия) при скорости движения подвижных захватов 100 мм/мин.

Трибологические испытания проводили на машине трения СМЦ-2 по схеме "вал-втулка". Исследуемый образец втулка диаметром 26х22 мм и высотой 32 мм, контртело-стальной вал. Нагрузка 67 H, скорость скольжения 0,39 м/сек. Путь трения 7-10 км, замеряли линейный и массовый износ и коэффициент трения.

Использование заявляемого изобретения позволит повысить ресурс работы изделий (герметизаторов, уплотнительных элементов) из заявляемой композиции в узлах трения за счет повышенной износостойкости и уменьшения коэффициента трения. Введение модифицирующих количеств флуорекса 1510 в композицию позволяет получить материал с износостойкостью на уровне 10% мас. наполнения сиалоном (прототип), что обеспечивает экономию материала за счет существенного уменьшения содержания наполнителя. Как видно из приведенных данных, заявляемые композиции имеют высокую износостойкость в сочетании с низким коэффициентом трения. Коэффициент трения уменьшился в 1,5-2 раза по сравнению с прототипом, изностойкость возросла в 1000 раз, что привело к увеличению ресурса работы узлов трения.

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к антифрикционным материалам на полимерной основе, которые могут быть использованы для изготовления уплотнительных элементов пар вращательного и возвратно-поступательного перемещения. Техническим эффектом изобретения является повышение износостойкости момента трения. Новым в заявляемом составе антифрикционной композиции является сочетание ультрадисперсных керамик и флуорекса при модификации политетрафторэтилена и интервалы содержания компонент в композиции. 1 табл.

Антифрикционная композиция, включающая политетрафторэтилен, неорганический наполнитель и модификатор, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя она содержит ультрадисперсную керамику на основе нитрида кремния и оксида бора, или алюминия, или иттрия, а в качестве модификатора флуорекс, полученный из отходов переработки нефти, при следующем соотношении компонентов, мас.

Ультрадисперсная керамика 0,5 1,0
Флуорекс 0,1 2,0
Политетрафторэтилен До 100о