СОСТАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2006 года по МПК C08L5/16 C08L27/18 C08K3/04 C08K3/08 

Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в машиностроении для изготовления узлов трения машин и механизмов различного назначения.

Известны композиционные герметизирующие материалы на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), в состав которых введены различные функциональные добавки - сиалоны, графит, дисульфид молибдена и порошки оксидов, металлов, силикатов [1]. Дисперсность применяемых модификаторов составляет от 50-100 нм до 100-200 мкм. Введение модификаторов в количестве от 5 до 40 мас.% позволяет существенно повысить износостойкость ПТФЭ и его нагрузочную способность. Вместе с тем, существенно снижается ударная вязкость материала и прочность при растяжении, что обусловлено высокой вязкостью расплава ПТФЭ и его плохой смачивающей способностью по отношению к частицам наполнителя.

Прототипом изобретения является состав композиционного материала на основе ПТФЭ, содержащий в качестве функционального наполнителя углеграфитовое волокно в сочетании с сухими смазками - графитом, дисульфидом молибдена и т.п. Такой материал выпускают под торговой маркой «Флубон» [2]. Материал «Флубон» или его аналог «Флувис» применяют для изготовления деталей подвижных и неподвижных сопряжений в различных герметизирующих системах.

Недостатками прототипа являются невысокие прочностные характеристики, прежде всего показатели прочности при растяжении, ударной вязкости, и относительная невысокая износостойкость при эксплуатации узла трения без подвода внешней смазки.

Задачей изобретения является повышение износостойкости композиционного герметизирующего материала, в том числе при эксплуатации без смазки, и увеличение прочностных характеристик материалов, в т.ч. показателя прочности при растяжении и твердость.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом составе для получения композиционного материала, включающем политетрафторэтилен, углеродный модификатор, в качестве углеродного модификатора содержится медьсодержащий углеродный наполнитель с содержанием меди 0,01-80 мас.% и дополнительно фторсодержащий олигомер с молекулярной массой 2000-5000 ед. марок «Эпилам» или «Фолеокс» при следующем соотношении компонентов в мас.%:

медьсодержащий углеродный наполнитель с содержанием меди 0,01-80 мас.%1,0-40фторсодержащий олигомер с молекулярной массой 2000-5000 ед. марок «Эпилам» или «Фолеокс» 0,1-1,0политетрафторэтиленостальное до 100

Вариантом исполнения композиционного герметизирующего материала является использование смеси медьсодержащих наполнителей и смеси фторсодержащих олигомеров.

Сущность изобретения состоит в том, что применение медьсодержащего углеродного наполнителя в сочетании с фторсодержащим олигомером позволяет реализовать синергический эффект, заключающийся в одновременном повышении прочностных и триботехнических характеристик. Этот эффект обусловлен, с одной стороны, образованием прочной адгезионной связи на границе раздела «матрица - наполнитель» за счет пластифицирования частицы политетрафторэтилена. Тождественность фторсодержащего олигомера и матрицы политетрафторэтилена обуславливает термомеханическую совместимость и пластифицирование матрицы, находящейся в высокоэластическом состоянии. Наличие нанодисперсных частиц меди в углеродном компоненте увеличивает прочность армирующих агрегатов. С другой стороны, в результате физико-химических превращений происходит образование соединений, по составу и свойствам близких к солям фторкислот, которые обладают хорошими противоизносными свойствами.

Примеры составов для получения композиционных материалов конкретного выполнения приведены в табл.1.

Таблица 1
Составы для получения композиционных материаловКомпонентСодержание, мас.%ПрототипЗаявляемые составыIIIIIIIIIIVVVIVII1. Углеродный наполнитель:         углеродное волокно «Урал»,19,5--------- углеграфитовое волокно «Вискум»,-19,5-------- углеграфитовое волокно «Урал» с содержанием меди 0,01 мас.%,--0,50,7519,53944--- углеграфитовое волокно «Вискум» с содержанием меди 0,01 мас.%,-------19,5-- углеграфитовое волокно «Вискум» с содержанием меди 0,1 мас.%--------19,5- графит0,50,5-------- графит металлизированный         с содержанием меди:--0,250,250,511-0,25- 5 мас.%,-------0,5-- 40 мас.%--------0,25- 80 мас.%         Фторсодержащий олигомер:         - «Эпилам»--------0,75- «Фолеокс» Ф-1--0,050,10,51,01,5--- «Фолеокс» Ф-14-------0,50,25- политетрафторэтилен808099,298,979,55953,579,579,5

Примеры изготовления композиционных герметизирующих материалов в соответствии с прототипом и заявленными составами представлены ниже. Прототип [состав I]. 200 г углеграфитового волокна «Урал» измельчают на дисмембраторном измельчителе в течение 30 мин. Полученный наполнитель в необходимом соотношении смешивают с графитом коллоидным марки С-1 и порошкообразным политетрафторэтиленом марки Ф-4 в быстроходном лопастном смесителе в течение 30 мин до получения однородной композиции. Полученный материал перерабатывают в изделия по двухстадийной технологии. На первой стадии осуществляют холодное прессование заготовок при 20°С и давлении 50 МПа. Затем полученные заготовки спекают при температуре 270-350°С в течение 10 часов в атмосфере воздуха. Из полученных заготовок методом фрезерования и точения изготавливали образцы для проведения сравнительных испытаний по общепринятой методике. Триботехнические испытания проводили по схеме «пальчик - диск» при скорости 1 м/с и удельной нагрузке 10 МПа при трении без смазки и со смазкой маслом марки МС-20.

Прототип [состав II]. Технология изготовления и переработки данного композиционного материала аналогичны вышеописанным. В качестве наполнителя использовали углеграфитовое волокно марки «Вискум» производства ПО «Химволокно» г.Светлогорск.

Заявляемые составы [I-VII]. Технология изготовления и переработки композиционных материалов заявляемых составов аналогичны описанным. Медьсодержащий углеродный наполнитель получали по двум технологиям.

По первой технологии. Углеродный наполнитель высушивали до удаления низкомолекулярных компонентов при температуре 100±5°С в течение 5-6 часов в слое толщиной не более 1 см. После этого его обрабатывали водным или спиртовым раствором соли - источника металла. В качестве такой соли использовали муравьинокислые (формиаты) и щавелевокислые (оксалаты) соли меди. При достижении некоторой температуры, превышающей температуру разложения, эти соединения разлагаются по следующим схемам:

- для формиатов

- для оксалатов

Образующийся металл, находящийся в высокодисперсном состоянии, взаимодействует с углеродным носителем и образует медьсодержащий углеродный наполнитель. Содержание металла в наполнителе регулируется изменением концентрации раствора или увеличением числа обработок. Размеры единичных частиц меди соответствуют размерам дефектов и не превышают 3-10 нм. Термообработку модифицированного солью наполнителя проводят в безокислительной среде во избежание окисления образующегося металла. Для этого наполнитель обрабатывают 1-2 мас.% раствором фторсодержащего олигомера. Медьсодержащий наполнитель измельчают на дисмембраторной мельнице в течение 30 мин. Далее смешивают наполнитель и матрицу в лопастном смесителе до получения однородного состава.

По второй технологии медьсодержащий наполнитель получают осаждением частиц металла на углеродную подложку в процессе химического восстановления из соответствующей соли. Для получения, например, медьсодержащих наполнителей используют соли меди - сульфат, нитрат, формиат и т.п. Содержание металла в наполнителе в этом случае регулируется временем химического восстановления. При такой технологии медь осаждается главным образом в дефектах поверхностного слоя и имеет размеры моночастиц не более 30 нм. Отдельные моночастицы образуют более крупные конгломераты со слабыми физическими связями. Такие конгломераты при сравнительно небольших механических воздействиях разрушаются с образованием моночастиц, пластически деформирующихся под воздействием контактного давления и напряжений сдвига. Частицы медьсодержащего углеродного наполнителя смешивают с полимерной матрицей в смесителе до получения однородной композиции. Прессование изделий осуществляется по вышеописанной технологии.

В качестве фторсодержащих олигомеров использовали продукты, выпускаемые в Российской Федерации под торговыми марками «Эпилам» и «Фолеокс». Олигомер «Эпилам» представляет собой перфторированную карбоновую кислоту со структурной формулой:

«Эпиламы» марок 6СФК-180-05 и СФК-180-20 представляют собой 0,5 и 2,0 мас.% растворы перфторкислоты в хладоне 113 (ГОСТ 23844-79). Их выпускают по ТУ6-02-2-610-80. Олигомеры «Фолеокс» являются аналогами олигомеров «Эпилам». Их выпускают по ТУ 38.03.1.013. «Фолеокс» марки Ф-1 имеет структурную формулу:

Олигомеры марки Ф-14 вместо функциональной карбоксильной группы содержат группу CF₃.

Молекулярная масса олигомеров зависит от степени полимеризации п и составляет от 2000 до 5000 ед.

Растворитель активного вещества (фреон или хладон) улетучивается в процессе приготовления материала и влияния на его свойства в дальнейшем не оказывает.

Физико-механические и триботехнические характеристики композиционных материалов приведены в табл.2.

Таблица 2.
Физико-механические и триботехнические характеристикиХарактеристикаПоказатель для материалаПрототипЗаявляемый составIIIIIIIIIIVVVIVII1. Разрушающее напряжение при растяжении, МПа18,017,019,025,030,123,018,03231,52. Твердость по Бринеллю, МПа5353385260656063643. Коэффициент трения без смазки:         - при нагрузке 5 МПа0,220,200,200,220,220,230,250,220,22- при нагрузке 10 МПа0,150,130,130,130,140,130,200,150,17- при нагрузке 15 МПа0,250,250,100,080,070,080,100,100,10- трение со смазкой и при нагрузке 15 МПа0,100,100,080,050,050,060,080,050,054. Интенсивность изнашивания, J×10⁷:         - при нагрузке 5 МПа3,53,22,81,81,71,751,91,651,63- при нагрузке 10 МПа3,23,02,61,71,61,71,81,701,71- при нагрузке 15 МПа5,85,52,41,51,531,41,61,531,455. Нагрузочно-скоростной диапазон применения [PV], 1 МПа, м/с:         - при трении без смазки8810121414141515- при трении со смазкой101012151820202122

Как следует из данных, представленных в табл. 2, заявляемые составы в заявленном соотношении компонентов (II-IV, VI, VII) превосходят прототип по износостойкости, прочности и имеют более высокий показатель [PV]. Уменьшение содержания компонентов (металлсодержащего углеродного наполнителя и фторсодержащего олигомера) ниже заявленных пределов (состав I) приводит к снижению показателей физико-механических и прочностных характеристик. Превышение содержания компонентов (состав IV) не дает дополнительного эффекта. Замена марки фторсодержащего олигомера не снижает достигаемого эффекта, а увеличение содержания металла в металлсодержащем углеродном наполнителе обеспечивают увеличение триботехнических характеристик.

Разработанный композиционный герметизирующий материал может быть использован для изготовления деталей статических и динамических (триботехнических) уплотнительных устройств различных машин, механизмов и технологического оборудования.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. А.А.Охлопкова. Физико-химические принципы создания триботехнических материалов на основе полимеров и ультрадисперсных керамик: Автореф. дис. ...докт. техн. наук: - Гомель, 1999. - С.25.

2. Г.А.Сиренко. Антифрикционные карбопластики. - Киев: Технiка, 1995. - С.195.

Настоящее изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в машиностроении для изготовления узлов трения машин и механизмов различного назначения. Состав включает политетрафторэтилен, углеродный модификатор и дополнительно фторсодержащий олигомер с молекулярной массой 2000-5000 ед. марок «Эпилам» или «Фолекокс». Задачей изобретения является повышение износостойкости композиционного материала, в том числе при эксплуатации без смазки, и увеличение прочностных характеристик материалов, в том числе показателя прочности при растяжении и твердость. Поставленная задача решается тем, что в качестве углеродного модификатора состав содержит медьсодержащий углеродный наполнитель с содержанием меди 0,1-80 мас.%. 2 табл.

Состав для получения композиционного материала, включающий политетрафторэтилен, углеродный модификатор, отличающийся тем, что в качестве углеродного модификатора он содержит медьсодержащий углеродный наполнитель с содержанием меди 0,1-80 мас.% и дополнительно фторсодержащий олигомер с молекулярной массой 2000-5000 ед. марок «Эпилам» или «Фолеокс» при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Медьсодержащий углеродный наполнитель с содержанием меди 0,1-80 мас.%0,1-40Фторсодержащий олигомер с молекулярной массой 2000-5000 ед. марок «Эпилам» или «Фолеокс»0,1-1,0ПолитетрафторэтиленОстальное до 100