АНТИФРИКЦИОННАЯ ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ Российский патент 2008 года по МПК C08J5/16 C08L27/18 B82B1/00 C09K3/10 

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к полимерным композитным материалам антифрикционного назначения, которые могут быть использованы для изготовления деталей узлов трения машин и техники: подшипников скольжения, уплотнительных элементов пар вращательного и возвратно-поступательного перемещения и других элементов узлов трения.

Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцовых уплотнений и других элементов узлов трения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и неорганических наполнителей различной химической природы [Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторопластов. - М.: Наука, 1987. - 147 с.]. Однако эти материалы не обладают достаточной износостойкостью и характеризуются низкими прочностными характеристиками.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является малонаполненный композит на основе ПТФЭ и синтетического оксида алюминия марки 124127, проактивированного в планетарной мельнице АГО-2 в течение 2 мин (прототип) [патент 2177962, МКИ С08J 5/14, С08L 27/18, 2002. Антифрикционная полимерная композиция герметизирующего назначения / Слепцова С.А., Виноградов А.В., Попов С.Н. и др. - №2000110098/04. Заявл. 19.04.2000. Опубл. 10.01.2002. Бюл. №1].

Обладая высокими деформационно-прочностными свойствами, материал характеризуется недостаточной износостойкостью и несущей способностью, а также высоким коэффициентом трения, вследствие чего может эксплуатироваться только при невысоких нагрузках.

Технической задачей изобретения является повышение износостойкости, несущей способности, уменьшение коэффициента трения при сохранении деформационно-прочностных свойств композиционного материала на основе ПТФЭ.

Достижение положительного эффекта обеспечивается введением в ПТФЭ нанонаполнителя оксида алюминия при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Оксид алюминия - 0,1-2,0

ПТФЭ - остальное.

ПТФЭ - промышленный порошкообразный продукт марки ПН, ГОСТ 10007-80. Средние размеры частиц порошка - 50-500 мкм, молекулярная масса - 100-500 тыс., степень кристалличности до спекания - 95-98%, после спекания - 50-70%, плотность 2150-2260 кг/м³, температура плавления кристаллов 327°С, температура стеклования аморфных участков - 120°С.

Наполнитель, наноразмерный оксид алюминия - продукт, полученный синтетическим путем в Институте неорганической химии НАН Беларуси [Ульянова Т.М., Крутько Н.П., Витязь П.А., Титова Л.В., Медиченко С.В. Особенности формирования структуры тугоплавких соединений на основе ZrO₂, Al₂О₃ / Доклады НАН Беларуси. - 2004. - Т.48, №2. - С.103-108]. Наноразмерный оксид алюминия получают термическим окислением солесодержащих продуктов при 800°С. Физические параметры наноразмерного оксида алюминия: размеры частиц - 9-11 нм; удельная поверхность - 119 м²/г, пикнометрическая плотность - 3096 кг/см³, насыпная плотность - 418 кг/см³.

Совмещение ПТФЭ с наноразмерным оксидом алюминия проводят в лопастном смесителе со скоростью 3000 об/мин. Помещают расчетную массу полимера и наноразмерного оксида алюминия в высокооборотный смеситель, смешивают до получения однородной массы. Затем из композиции делают заготовки требуемой формы по технологии холодного прессования с последующим свободным спеканием при температуре 375-380°С (время выдержки 0,3 ч на 10^-3 м толщины образца). Полученные изделия охлаждают в печи до 200°С со скоростью 0,03°/с с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры.

Введение наноразмерного оксида алюминия позволяет получить композиционный материал, обладающий высокими износостойкостью, несущей способностью, пониженным коэффициентом трения при сохранении деформационно-прочностных свойств.

Подобные свойства композиционного материала заявляемого состава обусловлены влиянием наноразмерного наполнителя на процессы формирования структуры композита и определяются высокой дисперсностью и структурной активностью. Введение наноразмерного оксида алюминия в ПТФЭ приводит к формированию более упорядоченной структуры композита с плотной упаковкой структурных элементов, что подтверждено результатами электронно-микроскопических исследований.

Пример. 98,0 г ПТФЭ и 2,0 г наноразмерного оксида алюминия смешивают в лопастном смесителе до получения однородной массы. Затем композицию помещают в пресс-форму и прессуют изделия требуемой формы, затем спекают при 375-380°С (время выдержки 0,3 ч на 10^-3 м толщины образца). Полученные изделия охлаждают в печи до 200°С со скоростью 0,03°/с с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры. Охлаждение спеченных изделий проводят непосредственно в печи.

Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице.

Методики определения свойств композита.

Физико-механические свойства заявляемого антифрикционного материала определяли на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Относительное удлинение (ε_р) и прочность при растяжении (σ_р) определяли на испытательной машине "UTS-2" (Германия) при комнатной температуре и скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин на лопатках (количество образцов на одно испытание - 10).

Массовый износ и коэффициент трения определяли на машине трения СМЦ-2, схема «вал-втулка» (образец - втулка с внешним и внутренним диаметром 34 и 26 мм соответственно, высотой 22 мм, контртело - стальной вал из стали 45 с твердостью 45-50 HRC и шероховатостью 0,06-0,07 мкм, нагрузка - 375-1000 Н, скорость скольжения - 0,39 м/с) согласно ГОСТ 11629.

Технико-экономическая эффективность.

Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет повысить износостойкость в 50-70 раз по сравнению с прототипом и в 500-700 по сравнению с ПТФЭ, несущую способность композиционного материала в 2 раза, уменьшить коэффициент трения в 5-6 раз по сравнению с прототипом, в 1,3 раза по сравнению с ПТФЭ. Как видно из приведенных данных, оптимальное содержание нанонаполнителя оксида алюминия - 0,1-2,0 мас.%. Дальнейшее увеличение содержания наноразмерного наполнителя приводит к снижению деформационно-прочностных и триботехнических характеристик, повышению коэффициента трения.

Применение антифрикционной композиции заявляемого состава позволит повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования, в том числе при повышенных нагрузках.

Таблица примеровСоставСодержание нанонаполнителя, мас. %Физико-механические характеристикиИзнос (мг) при нагрузке Р(Н)Коэффициент трения по сталиσ_р, МПаε_р, %3757501000ПТФЭ020-21300-320730-7501060-10701440-14900,04ПТФЭ+Al₂О₃0,126-27470-48060-7070-80120-1300,030,523-24360-37055-6565-70115-1200,031,021-22310-3154,0-4,55-69-100,032,021-22300-3101,0-1,51,8-2,02-30,033,017-18270-28030-3545-5060-650,08ПТФЭ+Al₂О₃ активированный (аналог)124-25350-37078-82148-152218-2240,15-0,17222-24340-36040-4470-74120-140

Изобретение относится к полимерным композитным материалам антифрикционного назначения, которые могут быть использованы для изготовления деталей узлов трения машин и техники. Описана антифрикционная полимерная композиция, содержащая политетрафторэтилен и оксид алюминия с размерами частиц 9-11 нм в качестве наполнителя при следующем соотношении компонентов: наноразмерный оксид алюминия - 0,1-2,0 мас.%, политетрафторэтилен - остальное. Техническим результатом является повышение износостойкости, несущей способности, уменьшение коэффициента трения при сохранении деформационно-прочностных свойств композиционного материала на основе политетрафторэтилена. 1 табл.

Антифрикционная полимерная композиция, содержащая политетрафторэтилен и наноразмерный наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя содержит оксид алюминия с размерами частиц 9-11 нм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Наноразмерный оксид алюминия 0,1-2,0Политетрафторэтилен остальное