Полимерный материал триботехнического назначения Российский патент 2018 года по МПК C08L27/18 C08K3/04 C08K3/10 C08K7/02 

Описание патента на изобретение RU2664129C1

Полимерный материал триботехнического назначения

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно, к разработке полимерных композитов триботехнического назначения, которые могут быть использованы для изготовления подшипников скольжения и других элементов узлов трения, эксплуатируемых в условиях средних нагрузок и скоростей скольжения.

Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцевых уплотнений и других элементов узлов трения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и неорганических наполнителей различной химической природы (см. Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторопластов. – М.: Наука, 1987. – 147 с.).

Известные материалы характеризуются недостаточной износостойкостью и, соответственно, малым ресурсом работы в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является антифрикционный полимерный композиционный материал включающий: политетрафторэтилен (86-95 мас. %); дисульфид молибдена (1,0-2,3 мас.%); скрытокристаллический графит (1,5-6,0 мас. %); углеродные нанотрубки (1,0-3,8 мас. %) (см. RU №2525492, МПК C08L 27/18, опубл. 20.08.2014).

Однако, относительно низкие показатели деформационно-прочностных характеристик известного композиционного материала существенно ограничивают области его применения.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение износостойкости композиционного материала на основе ПТФЭ при сохранении деформационно-прочностных свойств на уровне ненаполненного ПТФЭ.

Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в улучшении прочностных свойств полимерного композиционного материала, что позволит использовать изделия на его основе в узлах трения машин и оборудования.

Для решения поставленной задачи полимерный материал триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) дополнительно содержит следующие наполнители (в мас.%): модифицированные углеродные волокна (УВ) 6-10; слоистые силикаты – механоактивированный вермикулит 0,5-1,5; ультрадисперсный политетрафторэтилен (УПТФЭ) 0,8-1,2; политетрафторэтилен – остальное.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают улучшение износостойкости материала и расширение ассортимента полимерных композиционных материалов триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена.

Политетрафторэтилен (фторопласт-4) – промышленный продукт марки ПН, получаемый в соответствии с ГОСТ 10007-80, и характеризуется со средним размером частиц 46-135 мкм, степенью кристалличности до спекания 95-98 %, после спекания 50-70 % и плотностью 2170-2190 кг/м3, температурой плавления 327°С.

В качестве углеродного наполнителя используются модифицированные дискретные углеродные волокна, например, марки «Белум». Диаметр волокон составляет 8-11 мкм, длина варьируется от 50-500 мкм. Технология получения промышленного волокна марки «Белум» разработана в ГНУ ИММС им. В.А. Белого НАН Беларуси.

Используемый вермикулит, например, якутского месторождения, представляет собой крупные пластинчатые кристаллы золотисто-жёлтого или бурого цвета. Химический состав отвечает приблизительной формуле (Mg+2,Fe+2,Fe+3)3[(Al,Si)4O10]·(OH)2·4H2O. При этом наполнитель подвергается предварительной механической активации в течение 7 мин на планетарной мельнице, например, типа «Активатор-2S». Предварительная обработка дисперсного наполнителя в планетарной мельнице ведет к механической активации, повышающей его структурную активность и усреднению дисперсного состава.

Также дополнительным наполнителем служит ультрадисперсный ПТФЭ (УПТФЭ), например, марки «Флуралит», получаемый на базе промышленного ПТФЭ методом термокаталитического разложения, и представляет собой мелкий рассыпчатый порошок белого цвета с содержанием частиц размерами менее 3 мкм – 98%, температурой плавления кристаллов – +286˚С, температурой разложения свыше 380˚С, коэффициентом трения по стали – 0,005.

Получение композиционного материала осуществляли известными способами. Смешивание компонентов полимерного композиционного материала проводился в лопастном смесителе со скоростью вращения лопастей 3000 об/мин до получения однородной массы. Образцы после смешивания и просеивания, монолитизировали по технологии холодного прессования в пресс-форме при давлении 50 МПа с последующим свободным спеканием 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/сек с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры.

Известно, что модифицированные углеродные волокна обладают высоким адгезионным взаимодействием к ПТФЭ (см. Shelestova V. A., Grakovich P. N., Zhandarov S. F. A fluoropolymer coating on carbon fibers improves their adhesive interaction with PTFE matrix // Composite Interfaces. – 2011. – Т. 18. – №. 5. – С. 419-440). Таким образом, введение дополнительных наполнителей в заявленных пределах позволяет сохранить деформационно-прочностные показатели полимерных композиционных материалов на уровне исходного ПТФЭ, при значительном увеличении износостойкости по сравнению с полимерными композиционными материалами без содержания дополнительных наполнителей (см. табл.).

При этом, улучшение износостойкости при сохранении деформационно-прочностных показателей обусловлено тем, что механоактивированный вермикулит и ультрадисперсный политетрафторэтилен в заявленных пределах обладают дополнительным структурирующим действием на полимерную матрицу с углеродными волокнами.

Пример. 90 г политетрафторэтилена, 8 г углеродного волокна, 1 г вермикулита, 1 г УПТФЭ смешивают в лопастном смесителе до получения однородной массы. Затем композицию помещают в пресс-форму и проводят прессование изделия при удельном давлении 50 МПа. Спекание проводят в электрической печи при температуре 370±5°С. Охлаждение спеченных изделий проводили непосредственно в печи.

Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице примеров.

Методики определения свойств композита.

Деформационно-прочностные свойства заявляемого триботехнического материала определены на стандартных образцах по ГОСТ 11262-80. Для этого испытания проводили на универсальной испытательной машине «AUTOGRAF» («Shimadzu AGS-J», Япония) при скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин.

Массовый износ и коэффициент трения определяли на машине трения UMT-3 (CETR, США) по схеме трения «палец – диск», согласно ГОСТ 11629-75. Исследуемый образец – палец диаметром 10±0,5 мм, высотой 21±1 мм, контртело – стальной диск из стали марки 45 с твердостью 45-50 HRS, шероховатость R=0,06–0,08 мкм. Удельная нагрузка – 2 МПа, линейная скорость скольжения – 0,2 м/с. Время испытания 3 часа.

Результаты испытаний представлены в таблице.

Таким образом, оптимальное суммарное содержание наполнителей составляет 8-12 мас.%, превышение которых может привести к снижению прочностных характеристик вследствие, например, агломерации наполнителей и формирования дефектной структуры.

Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволит увеличить износостойкость до 1000 раз по сравнению с ненаполненным ПТФЭ при сохранении деформационно-прочностных характеристик относительно ненаполненного ПТФЭ и, как практический результат, повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования.

Таблица

Характеристики ПКМ, наполненных комплексным наполнителем

№№
п/п
Состав Содержание компонентов, мас.% Относительное удлинение при разрыве εр, % Прочность на разрыв σр, МПа Интенсивность изнашивания I×10-3, г/ч Коэффициент трения f
1. ПТФЭ 100 320 21 120-160 0,22 2. ПТФЭ+
УВ
94
6
290 22 0,50 0,27
3. ПТФЭ+
УВ
92
8
345 21 0,35 0,30
4. ПТФЭ+
УВ
90
10
351 20 0,35 0,39
5. ПТФЭ +
УВ+
Вермикулит
+УПТФЭ
92,5
6
0,5
1
334 22 0,26 0,24
6. ПТФЭ +
УВ+
Вермикулит
+УПТФЭ
90,5
8
0,5
1
264 20 0,23 0,24
7. ПТФЭ +
УВ+
Вермикулит
+УПТФЭ
88,5
10
0,5
1
295 20 0,22 0,25
8. ПТФЭ +
УВ+
Вермикулит
+УПТФЭ
92
6
1
1
343 18 0,15 0,27
9. ПТФЭ +
УВ+
Вермикулит
+УПТФЭ
90
8
1
1
339 18 0,12 0,27
10. ПТФЭ +
УВ+
Вермикулит
+УПТФЭ
98
10
1
1
324 17 0,12 0,29
11. ПТФЭ +
УВ+
Вермикулит
+УПТФЭ
91,5
6
1,5
1
298 19 0,14 0,30
12. ПТФЭ +
УВ+
Вермикулит
+УПТФЭ
89,5
8
1,5
1
266 18 0,11 0,30
13. ПТФЭ +
УВ+
Вермикулит
+УПТФЭ
87,5
10
1,5
1
244 18 0,13 0,31
14. ПТФЭ
СКГ
MoS2
УНТ
91,7
4,5
1,9
3,7
166* 17* 0,82 0,07

Прим.: *[Кропотин О. В., Машков Ю. К., Кургузова О. А. Создание полимерного антифрикционного нанокомпозита на основе политетрафторэтилена с повышенной износостойкостью // Омский научный вестник. – 2013. – №. 2 (120). – C. 86-90].

ПТФЭ – политетрафторэтилен, УПТФЭ – ультрадисперсный политетрафторэтилен, УВ – углеродное волокно, СКГ – скрытокристаллический графит, УНТ – углеродные нанотрубки, MoS2 - дисульфид молибдена.

Похожие патенты RU2664129C1

название год авторы номер документа
Полимерный материал триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена, механоактивированных каолина и шпинеля магния 2019
  • Лаукканен Эса Антти Самуэль
  • Тарасова Прасковья Николаевна
  • Слепцова Сардана Афанасьевна
  • Лазарева Надежда Николаевна
  • Охлопкова Айталина Алексеевна
  • Дьяконов Афанасий Алексеевич
RU2699109C1
БАЗАЛЬТОФТОРОПЛАСТОВЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ 2013
  • Петрова Павлина Николаевна
  • Васильев Спиридон Васильевич
  • Охлопкова Айталина Алексеевна
  • Морова Лилия Ягьяевна
RU2552744C2
АНТИФРИКЦИОННАЯ ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ 2010
  • Слепцова Сардана Афанасьевна
  • Охлопкова Айталина Алексеевна
  • Афанасьева Екатерина Серафимовна
  • Стручкова Татьяна Семеновна
RU2460742C2
ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ 2000
  • Охлопкова А.А.
  • Брощева П.Н.
  • Шиц Е.Ю.
  • Попов С.Н.
  • Ючюгаева Т.С.
RU2177963C1
ПОЛИМЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА 2018
  • Петрова Павлина Николаевна
  • Маркова Марфа Алексеевна
  • Аргунова Анастасия Гаврилиевна
  • Охлопкова Айталина Алексеевна
RU2675520C1
СОСТАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА 2004
  • Струк Василий Александрович
  • Костюкович Геннадий Александрович
  • Кравченко Виктор Иванович
  • Овчинников Евгений Витальевич
  • Горбацевич Геннадий Николаевич
RU2269550C2
Полимерный композиционный материал конструкционного и триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена и модифицированного диоксида кремния 2022
  • Гладкина Наталия Павловна
  • Слепцова Сардана Афанасьевна
  • Федосеева Валентина Ивановна
  • Уварова Кюннэй Анатольевна
  • Охлопкова Айталина Алексеевна
  • Лазарева Надежда Николаевна
RU2792599C1
АНТИФРИКЦИОННАЯ ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ 2000
  • Охлопкова А.А.
  • Слепцова С.А.
  • Виноградов А.В.
  • Попов С.Н.
  • Ябловская П.Е.
  • Афанасьев А.Д.
  • Ефремов В.Н.
  • Афанасьев А.А.
  • Шкулев С.П.
RU2177962C1
ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ 2011
  • Слепцова Сардана Афанасьевна
  • Охлопкова Айталина Алексеевна
  • Кириллина Юлия Валерьевна
  • Афанасьева Екатерина Серафимовна
RU2484107C1
ПОЛИМЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ 2010
  • Охлопкова Айталина Алексеевна
  • Слепцова Сардана Афанасьевна
  • Стручкова Татьяна Семеновна
RU2454439C1

Реферат патента 2018 года Полимерный материал триботехнического назначения

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к разработке полимерных композитов триботехнического назначения, которые могут быть использованы для изготовления подшипников скольжения и других элементов узлов трения, эксплуатируемых в условиях средних нагрузок и скоростей скольжения. Полимерный материал триботехнического назначения, содержащий политетрафторэтилен и наполнители, в качестве наполнителей содержит модифицированные углеродные волокна, механоактивированный вермикулит, ультрадисперсный политетрафторэтилен. Использование настоящего изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволит увеличить износостойкость композиционного материала при сохранении деформационно-прочностных характеристик относительно ненаполненного ПТФЭ и повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования. 1 табл.

Формула изобретения RU 2 664 129 C1

Полимерный композиционный материал триботехнического назначения, содержащий политетрафторэтилен и наполнители, отличающийся тем, что в качестве наполнителей содержит модифицированные углеродные волокна, механоактивированный вермикулит, ультрадисперсный политетрафторэтилен, при этом соотношение компонентов составляет, в мас.%:

модифицированные углеродные волокна 6,0-10,0 механоактивированный вермикулит 0,5-1,5 УПТФЭ 1,0 политетрафторэтилен остальное

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2018 года RU2664129C1

АНТИФРИКЦИОННЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ 2012
  • Машков Юрий Константинович
  • Кропотин Олег Витальевич
  • Кургузова Олеся Александровна
RU2525492C2
БАЗАЛЬТОФТОРОПЛАСТОВЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ 2013
  • Петрова Павлина Николаевна
  • Васильев Спиридон Васильевич
  • Охлопкова Айталина Алексеевна
  • Морова Лилия Ягьяевна
RU2552744C2
ФРИКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ 2013
  • Сергиенко Владимир Петрович
  • Биран Владимир Владимирович
  • Сенатрев Александр Николаевич
  • Злотников Игорь Иванович
  • Ахметов Тимур Альфритович
  • Кушунина Надежда Алексеевна
RU2552752C2
US 6106936 A1, 22.08.2000.

RU 2 664 129 C1

Авторы

Охлопкова Айталина Алексеевна

Слепцова Сардана Афанасьевна

Стручкова Татьяна Семеновна

Васильев Андрей Петрович

Лазарева Надежда Николаевна

Капитонова Юлия Валерьевна

Колесова Елена Семеновна

Алексеев Алексей Гаврильевич

Хайбо Ванг

Лианкай Ванг

Ян Цзяо

Даты

2018-08-15Публикация

2017-05-31Подача