НАНОКОМПОЗИЦИОННЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2011 года по МПК C08J5/16 C08L23/12 C08K3/34 B82B3/00 

Предлагаемое изобретение относится к области нанотехнологии и может быть использовано в качестве антифрикционных материалов в узлах трения, в подшипниках скольжения, в составе конструкционных материалов вращающихся валов турбин, нефтяных буровых системах.

Известен композиционный антифрикционный материал, включающий полимерное связующее - политетрафторэтилен, неорганический порошкообразный мелкодисперсный наполнитель - молотый кварц с дисперсностью 40-60 мкм (патент РФ №2246503, МПК С08J 5/16, публ. 20.02.2005 г.). Однако известный композиционный материал обладает недостаточно высокими физико-механическими показателями - предела прочности при растяжении, упругости и текучести, износостойкостью.

Известен в качестве прототипа предлагаемого состав нанокомпозиционного антифрикционного материала на основе политетрафторэтилена и нанонаполнителя -многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа с размером частиц в диапазоне 20-200 мкм (патент РФ №2237685, МПК С08J 5/16, публ. 10.10.2004 г.).

Однако при использовании известного материла не обеспечиваются одновременно высокие физико-механические показатели, такие как упругость и текучесть, износостойкость, трибологические показатели и низкая хрупкость.

Задачей авторов предлагаемого изобретения является разработка состава нанокомпозиционного материала, обеспечивающего высокие физико-механические показатели, такие как упругость и текучесть, трибологические показатели (износостойкость, коэффициент трения) и низкая хрупкость.

Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого нанокомпозиционного материала, заключается в обеспечении высоких физико-механических показателей, таких как упругость и текучесть, прочность на растяжение, трибологические показатели и невысокая хрупкость.

Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в нанокомпозиционном полимерном антифрикционном материале, выполненном из композиции, включающей концентрат, содержащий смесь 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразного полипропилена и 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразной наноглины, взятых в соотношении 1:1, и связующее в виде порошкообразного полипропилена или полиэтилена, указанные ингредиенты содержатся при следующем соотношении, мас.ч.:

Указанный концентрат 0,2-4,0 Вышеуказанное связующее 100

Сущность предлагаемого нанокомпозиционного антифрикционного материала поясняется следующим образом.

Первоначально готовят концентрат, содержащий смесь 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразного полипропилена и 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразной наноглины, для чего берут навеску порошкообразного полипропилена в качестве первосвязующего, к которому добавляют необходимое количество порошкообразного нанонаполнителя - наноглину с заявленным следующим соотношением компонентов связующее: наполнитель - 1:1:

Полимерное порошкообразное связующее в   виде полипропилена 0,1-2,0 Порошкообразный нанонаполнитель 0,1-2,0

Полученную смесь механоактивируют в шаровой мельнице в течение расчетного времени с получением концентрата. Полученный концентрат выделяют просевом в виде порошкообразной смеси с размерами частиц в нанометровом диапазоне и дозируют эту смесь в заявленном диапазоне соотношений в заранее подготовленный порошкообразный полипропилен в качестве связующего из расчета выбора на каждые 100 мас.ч. связующего 0,1 мас.ч. концентрата. Затем полученную вторую смесь перемешивают в шаровой мельнице в течение расчетного времени, с последующим формованием ее путем термокомпрессии при давлении и температуре начала перехода смеси в текучее состояние с последующей выдержкой ее в указанных условиях до полного отверждения.

Из сформированного пресс-материала вырезают образцы и подвергают их контрольным испытаниям. Результаты измерений сведены в таблицу.

Из таблицы видно, что при повышении относительного содержания нанонаполнителя физико-механические и трибологические показатели готового материала улучшаются, что наблюдается по сравнению с прототипом.

Таким образом, как это экспериментально подтверждено, использование заявленного нанокомпозиционного антифрикционного полимерного материала обеспечивает повышение высоких физико-механических показателей, таких как упругость и текучесть, прочность на растяжение, трибологические показатели и невысокая хрупкость.

Возможность промышленной реализации изобретения подтверждается следующими примерами выполнения.

Пример 1. В лабораторных условиях опробован процесс формования чистого полипропилена (ПП), полученные образцы были подвергнуты испытаниям, результаты которых приведены в таблице.

Пример 2. В лабораторных условиях опробован процесс получения заявленного нанокомпозиционного материала в смесителе типа шаровой мельницы, в которой применен режим механоактивации. В условиях данного примера проводят механоактивацию смеси из G=100 мас.ч. порошкообразного полипропилена и G=100 мас.ч. наноглины. Смесь активируют на механоактиваторе в течение расчетного времени, достаточного для достижения гомогенного состояния смеси, что в условиях данного примера составило 14 часов. Затем полученную композицию просеивают через сито с размером не более 100 нм и засыпают в форму. Затем берут вторую навеску G связующего в виде порошкообразного полипропилена в количестве 100 мас.ч. и в нее добавляют навеску 0,1 мас.ч. концентрата из полученной смеси нанонаполнителя и связующего, помещают в шаровую мельницу и обрабатывают в смесителе с шарами в традиционном режиме смешения. В процессе термокомпрессии применяют традиционный режим, характерный для прессования полипропилена. Из готовой заготовки вырезают образцы и проводят определение физико-механических характеристик.

Пример 3, 4, 5, 6. Выполнены в условиях примера 2, но навеска концентрата составляет соответственно 0,2; 1,0; 2,0 мас.ч., а в примере 6 - в качестве второго связующего взят полиэтилен.

Данные измерений сведены в таблицу.

Из таблицы видно, что экспериментальные исследования подтвердили наличие более высокого результата при использовании предлагаемого способа по сравнению с прототипом, заключающегося в повышении физико-механических показателей, таких как упругость и текучесть, прочность на растяжение, трибологические показатели и невысокая хрупкость.

Примеры реализации Физико-механические показатели   Плотность, кг/м³ Предел прочности при растяжении, МПа Относительное удлинение при растяжении, % Модуль упругости Коэффициент трения Интенсивность износа (убыль массы, г.)* 10^-9 1 2 3 4 5 6   Пример 1 (Аналог для сравнения) Чистый полипропилен 0,915 33,7 4,25 1100 0,47 9,6 Пример 2 (Заявляемый способ) Содержание концентрата - 0,1 мас.ч. 0,916 35,0 6,8 1150 0,46 3,0 Пример 3 (Заявляемый способ) Содержание концентрата - 0,2 мас.ч. 0,916 35,3 6,78 1193 0,46 2,9 Пример 4 (Заявляемый способ) Содержание концентрата - 1,0 мас.ч 0,924 35,4 5,74 1307 0,38 2,0 Пример 5 (Заявляемый способ) Содержание концентрата - 2,0 мас.ч 0,93 35,6 5,5 1350 0,36 2,0 Пример 6 (Заявляемый способ) Содержание концентрата - 2,0 мас.ч. Второе связующее - полиэтилен 100 мас.ч. 0,92 35,8 5,6 1355 0,36 2,0

Изобретение относится к антифрикционным материалам, применяемым в узлах трения, в подшипниках скольжения, а также в составе конструкционных материалов вращающихся валов турбин, нефтяных буровых системах. Нанокомпозиционный антифрикционный полимерный материал - в виде композиции, включающей 0,2-4,0 мас.ч. концентрата - смесь 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразного полипропилена и 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразной наноглины, взятых в соотношении 1:1, и 100 мас.ч. связующего - порошкообразный полипропилен или полиэтилен. Изобретение позволяет улучшить физико-механические показатели материала, такие как упругость, текучесть и прочность на растяжение, трибологические показатели, а также обеспечивает невысокую хрупкость материала. 1 табл.

Нанокомпозиционный полимерный антифрикционный материал, выполненный из композиции, включающей концентрат, содержащий смесь 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразного полипропилена и 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразной наноглины, взятых в соотношении 1:1 и связующее в виде порошкообразного полипропилена или полиэтилена при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
указанный концентрат 2,0-4,0 вышеуказанное связующее 100