АНТИФРИКЦИОННАЯ ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК C08J5/16 C08L77/02 C08L77/02 C08L23/06 C08L33/08 

Изобретение относится к производству композиционных материалов, а именно к полимерным композициям на основе смеси термопластов, используемых для получения антифрикционных материалов, применяемых в различных отраслях машиностроения преимущественно для изготовления подшипников скольжения, вкладышей, направляющих и опор скольжения, работающих в условиях трения без смазки.

Известна полимерная композиция, содержащая алифатический полиамид, низкомодульный и высокомодульный волокнистый углеродный наполнитель [1].

Более широкое применение находит полимерная композиция, содержащая полиамид 6 и 5 - 30 мас.% низкомодульного углеродного волокна на основе гидроцеллюлозы [9].

Композиция обладает высокими прочностными показателями и используется в качестве конструкционного и антифрикционного материала.

Однако при использовании полимерной композиции в качестве антифрикционного материала в условиях трения без смазки допускаемые удельные нагрузки не превышают 4 МПа, т.е. высокие прочностные характеристики композиции реализуются неполностью. Это вызвано тем, что полимерная композиция имеет весьма высокий коэффициент трения 0,26 - 0,38, в результате чего в процессе трения выделяется большое количество тепла, приводящего к размягчению полимерной композиции и к потери работоспособности из-за низкой теплостойкости композиции.

Кроме того, полимерная композиция имеет низкую ударную вязкость, что предполагает ограниченное применение композиции в узлах трения, работающих при ударных нагрузках, например вкладыши шаровой опоры автомобиля.

Наиболее близкий по своим свойствам и достигаемому результату к предлагаемой композиции является антифрикционная полимерная композиция, включающая смесь алифатических полиамидов, полиэтилена низкого давления и политетрафторэтилена, а так же дополнительно содержащая графитовое волокно, окись алюминия и поливиниловый спирт [3].

Однако изготовление такой композиции является весьма трудоемким процессом. Введение полиэтилена и политетрафторэтилена приводит к снижению коэффициента трения, но и к дополнительному снижению прочностных свойств композиции и теплостойкости. Наиболее существенно снижается прочность при сжатии - один из наиболее важных прочностных показателей антифрикционных материалов. Однако из-за малого количества полиэтилена и ПТФЭ коэффициент трения композиции остается достаточно высоким 0,15 - 0,28. Из-за низкой теплостойкости и прочности при сжатии и под воздействием выделяющегося при трении тепла развиваются деформации ползучести материала, что ограничивает области его применения.

Известен способ получения антифрикционной полимерной композиции на основе смеси полиамидов, включающий сухое перемешивание компонентов, пластификацию, смешение в расплаве и гранулирование [3].

При изготовлении композиции получают четыре промежуточных продукта. В полиамид ПА-66 вводят дисперсные наполнители - поливиниловый спирт и окись алюминия, получая композицию A. В полиамид ПА-12 вводят углеродное волокно и получают композицию B.

Для снижения коэффициента трения используют политетрафторэтилен и полиэтилен низкого давления, в которые раздельно вводят окись алюминия и получают композиции C и D.

Получаемый в процессе изготовления промежуточный продукт композиции B является аналогичным известным композициям.

Но при переработке композиции в изделия промежуточные компоненты (композиции A и B) сплавляются и образуют в конечном продукте единую полимерную фазу с меньшим эффектом упрочнения, а следовательно, и с более низкими прочностными свойствами, чем если бы эта полимерная фаза содержала только углеродные волокна. Прочностные характеристики композиции существенно ниже прочностных характеристик композиции известной.

Цель изобретения - снижение коэффициента трения, повышение теплостойкости и прочности при сжатии композиции и, как следствие, повышение нагрузочной способности композиции при сохранении стабильного значения коэффициента трения.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемая антифрикционная полимерная композиция, включающая смесь алифатического полиамида, содержащего волокнистый углеродный наполнитель, с полиэтиленом дополнительно содержит анаэробный герметик Анатерм-Iy на основе олигокарбонатакрилатов по ТУ 6-01-1308-85 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алифатический полиамид, содержащий 5 - 30 мас.% волокнистого углеродного наполнителя - 79,6 - 91,7
Полиэтилен низкого давления - 8,0 - 18,0
Анаэробный герметик Анатерм-Iy на основе олигокарбонатакрилатов - 0,3 - 2,4
Количество анаэробного герметика берут от 0,06 мас.% до 0,08 мас.% на каждый 1 мас.% углеродного наполнителя.

Полимерная композиция дополнительно может содержать твердые смазки (например, тальк в количестве 2 - 4 мас.%), мас.%:
Волокнистый углеродный наполнитель - 4,5 - 23,9
Полиэтилен низкого давления - 8,0 - 18,0
Анаэробный герметик Анатерм-Iy на основе олигокарбонатакрилатов - 0,3 - 2,4
Твердая смазка - 2,0 - 4,0
Алифатический полиамид - Остальное
Предлагаемую полимерную композицию получают следующим способом.

Исходными компонентами полимерной композиции являются гранулы полимерной композиции, содержащие алифатический полиамид и 5 - 30 мас.% волокнистого углеродного наполнителя по ТУ 6-12-31-654-89, гранулы или порошок полиэтилена низкого давления по ГОСТ 16338-85 и анаэробный герметик на основе олигокарбонатакрилатов, Анатрем-Iy по ТУ 6-01-1308-85.

Волокнистый углеродный наполнитель, находящийся в полиамидных гранулах, имеет остаточную пористость. Величина пористости зависит от количества и толщины нитей, используемых для наполнения полиамида. Чем больше количество и чем толще используемые для наполнителя углеродные нити, тем больше остаточная пористость. Заполняя остаточную пористость каким-либо веществом можно влиять на физико-механические и антифрикционные свойства получаемой полимерной композиции. В данном случае предлагается использовать анаэробный герметик Анатерм-Iy на основе олигокарбонаткрилатов (см. А.А. Гуров А.П., Синюков. Области применения анаэробных герметиков "Анатерм". Пласт. массы, 1991, N 10 с. 44 - 48).

Для этого гранулы полимерной композиции, содержащие алифатический полиамид и 5 - 30 мас.% волокнистого углеродного наполнителя, сушат при температуре 100 - 110^oC до остаточной влажности 0,2 мас.%. После охлаждения до 50 - 60^oC гранулы смачивают анаэробным герметиком Анатерм-Iy на основе олигокарбонатакрилатов при постоянном перемешивании в течение 20 - 30 мин. Количество анаэробного герметика Анатерм-Iy на основе олигокарбонатакрилатов берут из расчета 0,06 - 0,68 мас.% на каждый 1 мас.% углеродного наполнителя. После выдержки в течение 60 - 90 мин обработанные герметиком Анатерм-Iy на основе олигокарбонаткрилатов гранулы смешивают сухим способом с гранулами или порошком полиэтилена низкого давления и перерабатывают в изделия известным методом переработки термопластов по технологическим режимам, присущим угленаполненному полиамиду.

Так как остаточная пористость зависит от количества и толщины углеродных нитей, используемых для наполнения алифатических полиамидов, то для пропитки анаэробным герметиком преимущественно используют гранулы, содержащие углеродные волокна линейной плотности 300 - 600 тэкс.

Пример 1. Для получения полимерной композиции берут гранулы полимерной композиции УПА 6/30 ТУ 6-12-31-654-89, содержащие полиамид 6 и 30 мас.% углеродного волокнистого наполнителя и сушат при температуре 100 - 110^oC до остаточной влажности 0,2 мас.%. После охлаждения до 50 - 60^oC к гранулам добавляют анаэробный герметик марки Анатерм-Iy на основе олигокарбонатакрилатов ТУ 6-01-1308-85 из расчета на 1 мас.% углеродного наполнителя 0,08 мас.% анаэробного герметика и перемешивают в течение 25 мин.

Так как анаэробный герметик Анатерм-Iy на основе олигокарбонатакрилатов имеет при температуре 50 - 60^oC низкую вязкость, то в процессе перемешивания герметик заполняет свободные межволоконные полости волокнистого углеродного наполнителя и в дальнейшем полимеризуется там, т.е. в объеме гранулы герметик Анатерм-Iy на основе олигокарбонатакрилатов связывает волокна углеродного наполнителя, что приводит к возрастанию прочностных свойств полиамидной фазы получаемого композиционного материала. Так как герметик Анатерм-Iy на основе олигокарбонатакрилатов имеет более высокую теплостойкость чем полиамид, то возрастает и теплостойкость получаемой композиции, что также способствует повышению нагрузочной способности материала.

После выдержки в течение 75 мин при температуре 18 - 35^oC, обработанные герметиком гранулы смешивают сухим способом с гранулами полиэтилена низкого давления марки 277-73 ГОСТ 16338-85 в смесителе лопастного типа или типа "пьяная бочка". Таким образом, на 1000 г композиции берут 796 г (79,6%) угленаполненного полиамида УПА 6/30, 24 г (2,4%) анаэробного герметика Анатрем-Iy на основе олигокарбонатакрилатов (далее Анатрем-Iy) и 180 г (18%) полиэтилена низкого давления.

Из полученной смеси изготавливали образцы для испытаний методом литья под давлением на литьевой машине DEMAG при температуре 240 - 250^oC и давлении 120 МПа. Результаты механических испытаний стандартных образцов, изготовленных из полимерной композиции вышеуказанного состава, приведены в табл. 1.

Примеры 2 - 8. Полимерную композицию готовят способом, описанным в примере 1, но изменяют количество вводимого анаэробного герметика Ан-Iy и количество полиэтилена низкого давления. Результаты испытаний механических свойств стандартных образов, полученных литьем под давлением, приведены в табл. 1.

Примеры 9 - 12. Полученную композицию готовят способом, описанным в примере 1, но берут гранулы полимерной композиции УПА 6/15 ТУ 6-12-31-654-89, содержащие полиамид 6 и 15 мас.% углеродного наполнителя, причем используют волокна с линейной плотностью 300 тэкс (пример 9 и 12). Результаты механических испытаний стандартных образцов, полученных литьем под давлением, приведены в табл. 1.

Примеры 13 - 16. Полимерную композицию готовят способом, описанным в примере 1, но берут гранулы полимерной композиции УПА 6/5 ТУ 6-12-31-654-89, содержащие полиамид 6 и 5 мас.% углеродного наполнителя. Изменяют количество герметика и количество полиэтилена низкого давления. Результаты испытаний механических свойств стандартных образцов, полученных литьем под давлением, приведены в табл.1.

Пример 17. Для сравнения готовят полимерную композицию, содержащую полимерную композицию УПА 6/15 ТУ 6-12-31-654-89 и полиэтилен низкого давления. Анаэробный герметик Ан-Iy отсутствует. Результаты испытаний механических свойств стандартных образцов, полученных литьем под давлением, приведены в табл. 1.

Пример 18. Полимерную композицию готовят способом, описанным в примере 1, и берут состав, аналогичный составу композиции по примеру 9, но дополнительно вводят твердую смазку - только в количестве 3 мас.%. Результаты испытаний механических свойств стандартных образцов, полученных литьем под давлением, приведены в табл. 1.

Полимерная композиция, получаемая по [3], имеет более низкие механические характеристики: разрушающее напряжение при изгибе 59,1 - 64,1 МПа, разрушающее напряжение при сжатии 91,8 - 100,4 МПа.

Результаты испытаний по табл. 1 показывают, что введение в угленаполненный полиамид полиэтилена низкого давления (см. пример 17) с целью снижения коэффициента трения без введения герметика Ан-Iy приводит к существенному снижению прочностных свойств композиции, а следовательно, и к снижению несущей способности композиции вследствие развивающихся при трении деформаций ползучести.

В то же время пропитка угленаполненного полиамида анаэробным герметиком Анатерм-Iy приводит к повышению прочностных свойств и теплостойкости композиции, что позволяет использовать ее при более высоких удельных нагрузках.

Из табл. 1 видно (см. примеры 1 - 16), что с увеличением количества вводимого анаэробного герметика Ан-Iy прочностные свойства композиции возрастают. Оптимальным количеством вводимого герметика Ан-Iy является 0,3 - 2,4 мас. %, так как при большем количестве герметика Ан-Iy (см. примеры 4 и 8) возрастает коэффициент трения, что показано в табл. 2. При меньшем количестве герметика прочностные свойства композиции увеличиваются несущественно.

Из табл. 1 видно, (см. примеры 13 - 16), что введение анаэробного герметика Ан-Iy в угленаполненный полиамид с малым содержанием углеродного наполнителя 5 мас.% дает несущественный рост прочностных свойств композиции, что объясняется низкой остаточной пористостью и невозможностью пропитать гранулы герметиком.

Наиболее существенные результаты достигаются при пропитке гранул, содержащих более 15 мас.% углеродного наполнителя, причем при использовании углеродных волокон с линейной плотностью 300 - 600 тэкс (см. примеры 9 - 12), обеспечивающих высокую остаточную пористость.

Из табл. 1 видно, что теплостойкость композиции возрастает на 10 - 22^oC (см. примеры 1 - 12), что способствует повышению несущей способности материала.

Оптимальным количеством полиэтилена является 8 - 18 мас.%, так как при большем количестве снижаются прочностные свойства материала, а при меньшем количестве увеличивается коэффициент трения (см. табл. 2).

Исследования антифрикционных свойств композиций проводились на машине трения МИ-ГМ при скорости скольжения 0,5 м/с без смазки по схеме вал - плоский образец. В качестве вала использовались ролики диаметром 50 мм и шириной 10 мм, изготовленные из стали 45 HRC 45 - 48 с параметром шероховатости P_a = 0,32 мкм. Образцы испытуемых материалов с составом по указанным выше примерам в виде пластин размером 10•3•100 мм изготавливались литьем под давлением. Поверхность трения образцов при испытаниях равнялась 0,2 см² и достигалась приработкой при нагрузке 10Н.

В дальнейшем нагрузка возрастала ступенчато, начиная с 1 МПа и так далее через каждый 1 МПа. Нагрузка считалась предельной при резком возрастании коэффициента трения или увеличении износа. Длительность испытаний при каждой удельной нагрузке составляла 1 ч. Результаты испытаний представлены в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что коэффициент трения предлагаемой композиции находится в пределах 0,121 - 0,186. Коэффициент трения полимерной композиции по [3] находится в пределах 0,15 - 0,28, что существенно выше предлагаемой композиции.

Вследствие низкого коэффициента трения и более высоких прочностных свойств и теплостойкости предлагаемая полимерная композиция обладает большей несущей способностью, что позволяет расширить область применения полимерной композиции.

Оптимальным количеством анаэробного герметика является 0,3 - 2,4 мас.%, так как с увеличением количества герметика коэффициент трения возрастает (см. примеры 4 и 8), а при меньшем количестве герметика прочностные свойства и теплостойкость увеличиваются незначительно (см. табл. 1).

Количество полиэтилена низкого давления 8 - 18 мас.% также является оптимальным, так как при введении полиэтилена более 18 мас.% снижаются прочностные свойства полимерной композиции, а при введении полиэтилена менее 8 мас.% увеличивается коэффициент трения.

Введение в полимерную композицию дополнительно талька в количестве 2 - 4 мас.% не оказывает существенного влияния на величину коэффициента трения, но в процессе работы коэффициент трения остается стабильным, т.е. достигается плавность работы узла трения. Тальк опудривает гранулы угленаполненного полиамида и полиэтилена и равномерно распределяется в объеме композиции. При введении талька более 4 мас.% такая равномерность распределения нарушается, а при введении талька менее 2 мас.% исчезает эффект стабилизации коэффициента трения. Кроме того, введение талька приводит к повышению прочностных свойств композиции (см. табл. 1 пример 18).

Таким образом, приведенные сведения в заявленной группе изобретений показывают, что при их осуществлении в таком виде, как они охарактеризованы в описании, снижается коэффициент трения композиции, повышается теплостойкость и прочность при сжатии при простом способе ее получения.

Изготовление подшипников скольжения, вкладышей и опор скольжения, работающих в условиях трения без смазки, осуществляют из композиции, содержащей алифатический полиамид, содержащий 5-30 мас. % волокнистого углеродного наполнителя, полиэтилен низкого давления, анаэробный герметик Анатерм-Iу или волокнистый углеродный наполнитель, полиэтилен низкого давления, анаэробный герметик Анатерм-Iу, твердую смазку, алифатический полиамид. Гранулы алифатического полиамида, содержащего волокнистый углеродный наполнитель, обрабатывают анаэробным герметиком Анатерм-Iу при 50-60^oС при постоянном перемешивании 20-30 мин с последующей выдержкой при 18-35^oC 60-90 мин, смешивают с гранулами полиэтилена низкого давления и перерабатывают в изделие. Коэффициент трения изделия 0,121-0,186, разрушающее напряжение при изгибе 60-116 МПа, разрушающее напряжение при сжатии 95-146 МПа, теплостойкость по Мартенсу 73-96. 3 с. и 2 з. п. ф-лы, 2 табл.

1. Антифрикционная полимерная композиция, включающая смесь алифатического полимера, содержащего волокнистый углеродный наполнитель, с полиэтиленом низкого давления, отличающаяся тем, что алифатический полиамид содержит 5 - 30 мас. % волокнистого углеродного наполнителя и она дополнительно содержит анаэробный герметик Анатерм-Iу на основе олигокарбонатакрилатов при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алифатический полиамид, содержащий 5 - 30 мас.% волокнистого углеродного наполнителя - 79,6 - 91,7
Полиэтилен низкого давления - 8,0 - 18,0
Анаэробный герметик Анатерм-Iу на основе олигокарбонатакрилатов - 0,3 - 2,4
2. Антифрикционная полимерная композиция, включающая смесь алифатического полиамида, содержащего волокнистый углеродный наполнитель, с полиэтиленом низкого давления, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит анаэробный герметик Анатерм-Iу на основе олигокарбонатакрилатов и твердую смазку при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Волокнистый углеродный наполнитель - 4,5 - 23,9
Полиэтилен низкого давления - 8,0 - 18,0
Анаэробный герметик Анатерм-Iу на основе олигокарбонатакрилатов - 0,3 - 2,4
Твердая смазка - 2,0 - 4,0
Алифатический полиамид - Остальное
3. Способ получения антифрикционной полимерной композиции на основе смеси алифатического полиамида, полиэтилена низкого давления и волокнистого углеродного наполнителя, включающий раздельное введение наполнителя в полиамид, получение гранул и последующее смешение гранул компонентов, отличающийся тем, что гранулы алифатического полиамида, содержащие волокнистый углеродный наполнитель, перед смешением обрабатывают анаэробным герметиком Анатерм-Iу на основе олигокарбонатакрилатов при температуре 50 - 60^oC при постоянном перемешивании в течение 20 - 30 мин с последующей выдержкой при температуре 18 - 35^oC в течение 60 - 90 мин. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что для наполнения алифатического полиамида используют углеродные волокна линейной плотности 300 - 600 тэкс. 5. Способ по пп.3 и 4, отличающийся тем, что количество анаэробного герметика вводят 0,06 - 0,08 мас.% на каждый 1 мас.% углеродного наполнителя.