ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК C08J5/16 C08L27/18 

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к созданию полимерных материалов триботехнического назначения, которые могут быть использованы для изготовления уплотнительных элементов пар вращательного и возвратно-поступательного движения и узлов трения.

Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцовых уплотнений и других элементов узлов трения на основе политетрафторэтилена и неорганических наполнителей различной химической природы [Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторопластов. - М: Наука, 1987. - 147 с.]. Материалы известны как самосмазывающиеся антифрикционные с малым коэффициентом трения, но имеют низкие деформационно-прочностные характеристики, обладают повышенной жесткостью, что снижает ресурс их работы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является антифрикционная полимерная композиция, содержащая политетрафторэтилен (ПТФЭ) (98-99 мас.%) и в качестве неорганического наполнителя - синтетическую шпинель магния (1,0-2,0 мас.%), (прототип) [Патент РФ 2281960 C1; C08J 5/16, C08L 27/18, С08К 3/22. Антифрикционная полимерная композиция / Охлопкова А.А., Попов С.Н., Слепцова С.А., Аввакумов Е.Г., Винокурова О.Б, Гусев А.А. Заявл. 21.03.2005; Опубл. 20.08.2006; Бюл. №23]. Обладая хорошими физико-механическими характеристиками, материал имеет высокий массовый износ.

Технической задачей изобретения является повышение износостойкости композиционного материала при улучшении деформационно-прочностных характеристик.

Достижение положительного эффекта достигается введением в композиционный материал на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и синтетической шпинели магния (MgAl₂O₄) фторопласта-4 МБ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

ПТФЭ - 93,0-97,0;

MgAl₂O₄ - 1,0-2,0;

Ф-4 МБ - 2,0-5,0.

ПТФЭ (фторопласт-4) - промышленный продукт ГОСТ 10007-80, представляющий собой белый рыхлый порошок со степенью кристалличности до спекания 95-98%, после спекания 50-70%, плотностью 2,17-2,19 г/см³, температурой плавления 327°С.

MgAl₂O₄ - шпинель магния - продукт, полученный путем механохимического синтеза в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН (г.Новосибирск). Физические параметры шпинели магния: размеры частиц - 80 нм; удельная поверхность - 170-200 м²/г [Патент РФ 2078037 C1, C01B 33/20, 33/26. Способ получения алюмосиликата щелочноземельного металла /Аввакумов Е.Г., Девяткина Е.Т.. Косова Н.В., Ляхов Н.З. - №93029074/25; Заявл. 31.05.1993; Опубл. 27.04.1997; Бюл. №12].

Полимер Ф-4 МБ представляет собой сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом (ТФЭ-ГФП), содержащий боковые группы CF₃, с температурой плавления кристаллитов 270-290°С и плотностью 2,14-2,17 г/см³, имеет высокую химическую стойкость, атмосферостойкость, высокие прочностные характеристики, низкий коэффициент трения (ТУ 301-05-73-90).

Для получения композиции в ПТФЭ вводили фторопласт-4 МБ и синтетическую шпинель магния. Введение шпинели магния в композицию ПТФЭ+Ф-4 МБ привело к образованию более плотной упорядоченной структуры и, как следствие, к повышению триботехнических характеристик материала (табл.1). Структурообразующие свойства частиц шпинели магния зарегистрированы методами электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа.

Для получения композиционного материала в ПТФЭ вводили полимер Ф-4 МБ и шпинель магния, помещая расчетную массу полимеров и наполнителя в высокооборотный смеситель и смешивая до получения однородной массы. Затем из композиции путем холодного прессования делали заготовки требуемой формы и спекали в электрической печи при температуре 370±5°С.

Введение в ПТФЭ фторопласта Ф-4 МБ и синтетической шпинели магния позволяет получить композиционный материал, обладающий высокой износостойкостью и повышенными деформационно-прочностными показателями.

Пример. 94 г ПТФЭ, 5 г Ф-4 МБ и 1 г MgAl₂O₄ смешивали в лопастном смесителе до получения однородной массы. После смешения композицию сушили в термошкафу при температуре 100-120°С в течение 1 ч. Затем композицию помещали в холодную пресс-форму и прессовали изделие при удельном давлении 50 МПа. Спекание изделий проводили в электрической печи при температуре 370±5°С (время выдержки 0,3 ч на

10^-3 м толщины образца). Полученные изделия охлаждали в печи до 200°С со скоростью 0,03% с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры. Охлаждение спеченных изделий проводили непосредственно в печи.

За пределами заявляемого соотношения компонентов физико-механические свойства композиции ухудшаются.

Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в табл.1.

Методики определения свойств композита

Физико-механические свойства заявляемой полимерной композиции триботехнического назначения определены на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Испытания проводили 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 согласно ГОСТ 11629, 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 - 67 Н, скорость скольжения - 0,39 м/с).

Технико-экономическая эффективность

Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет значительно снизить массовый износ в 370 раз по сравнению с ПТФЭ, в 15 раз по сравнению с прототипом при сохранении, а при некоторых соотношениях компонентов и улучшении значений относительного удлинения при разрыве в 1,3-1,5 раза по сравнению с прототипом. Оптимальное содержание наполнителей: фторопласт-4 МБ - 2,0-5,0 мас.%, MgAl₂O₄ - 1-2 мас.%.

Применение полимерной композиции заявляемого состава позволит значительно повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования и расширить их область применения.

Таблица примеров № Состав Содержание компонентов масс.% Физико-механические характеристики Массовый износ, мг Предел прочности при разрыве, σ_р, МПа Относительное удлинение при разрыве, ε_p, % 1 ПТФЭ - 20-22 300-320 370-375 2 ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ 98 20-21 300-310 25-27 1 1 3 ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ 98,5 20-21 310-320 20-22 2 0,5 4 ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ 97 22-23 420-430 11-12 2 1 54 ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ 96 22-23 390-400 2-3 2 2 6 ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ 96 24-25 440-450 12-13 3 1 7 ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ 95 21-22 420-430 3-4 3 2 8 ПТФЭ+Ф-4 МБ+ MgAl₂O₄ 94 21-22 420-430 7-8 5 1 9 ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ 93 22-23 360-370 1-2 5 2 10 ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ 92 20-21 280-290 5-6 5 3 11 ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ 89 18-19 300-310 8-10 10 1 12 ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ 88 17-18 290-300 5-6 10 2 13 ПТФЭ + MgAl₂O₄ (прототип) 99 21-23 320-330 23-25 1 14 ПТФЭ + MgAl₂O₄ (прототип) 98 20-22 300-310 15-17 2

Описана полимерная композиция триботехнического назначения, содержащая политетрафторэтилен, синтетическую шпинель магния с удельной поверхностью 170-200 м²/г и полимерный наполнитель, причем в качестве наполнителя содержит фторопласт-4 МБ при следующем соотношении компонентов, мас.%: политетрафторэтилен - 93,0-97,0; фторопласт-4 МБ - 2,0-5,0; шпинель магния - 1,0-2,0. 1 табл.

Полимерная композиция триботехнического назначения, содержащая политетрафторэтилен, синтетическую шпинель магния с удельной поверхностью 170-200 м²/г, и полимерный наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя содержит фторопласт-4 МБ при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Политетрафторэтилен 93,0-97,0 Фторопласт-4 МБ 2,0-5,0 Шпинель магния 1,0-2,0