Полимерный материал триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена, механоактивированных каолина и шпинеля магния Российский патент 2019 года по МПК C08J5/16 C08L27/18 C08K3/22 C08K3/34 

Описание патента на изобретение RU2699109C1

Полимерный материал триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена, механоактивированных каолина и шпинеля магния

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно, к разработке полимерных композитов триботехнического назначения с улучшенными свойствами по износостойкости, 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.).

Кроме того, известна полимерная композиция конструкционного назначения на основе ПТФЭ (см. Берладир К.В., Будник А.Ф., Свидерский В.А., Будник О.А., Руденко П.В. Влияние геомодификатора на структуру и свойства механически активированного политетрафторэтилена // Журнал инженерных наук. – 2015. – Т. 2, № 1. – С. F1-F5), содержащая каолин в количестве от 2 до 6 мас.%.

Известный материал характеризуется недостаточной износостойкостью, прочностью и, соответственно, малым ресурсом работы в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения.

Полимерная композиция конструкционного назначения на основе ПТФЭ и природных алмазных наполнителей по патенту RU №2177963 (кл. C08J 5/16, С08L 27/16, С08К 9/00, опубл. 10.01.2002) содержит в качестве наполнителя природный алмазный порошок, добавляемый в количестве от 0,1 до 2,0 мас.%. Природный алмазный порошок, представляющий собой смесь высокодисперсных алмазов со средним размером частиц менее 40 мкм, полученный из отходов алмазного сырья после переработки, инертен к полимерной цепи и не может способствовать эффективному совмещению. В результате, композиция имеет недостаточную износостойкость, небольшой ресурс работы в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является антифрикционный полимерный композиционный материал, включающий ПТФЭ в количестве 98,0-99,0 мас. % и шпинель магния в количестве 1,0-2,0 мас.% (см. RU №2281960, кл. C08J 5/16, C08L 27/18, C08K 3/22, опубл. 20.08.2006).

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 расширении ассортимента полимерных композиционных материалов триботехнического назначения на основе ПТФЭ за счет повышения износостойкости деталей, уменьшении интенсивности массового изнашивания материала.

Для решения поставленной задачи полимерный композиционный материал триботехнического назначения на основе ПТФЭ, содержащий наполнитель, отличается тем, что в качестве наполнителей содержит механоактивированный каолин, механоактивированный шпинель магния, при этом соотношение компонентов составляет, мас.%: механоактивированный каолин – 0,8-1,8; механоактивированный шпинель магния – 0,1-0,5; ПТФЭ – остальное.

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

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают улучшение износостойкости полимерного композиционного материала при сохранении деформационно-прочностных показателей на уровне ненаполненного ПТФЭ.

Основным критерием при выборе наполнителя является его способность выдержать температурный режим переработки (365-375°С). В общем случае, к наполнителям предъявляются следующие требования: термическая и химическая стабильность при температуре переработки фторопластов, стойкость к атмосферной коррозии, химическая стойкость, высокая теплопроводность.

Одним из перспективных направлений создания полимерных композитов является использование в качестве наполнителей минеральных слоистых силикатов или так называемых глинистых минералов. Во-первых, получаемые из них частицы однородны по размерам и имеют хлопьевидную форму, что может способствовать повышению механических свойств нанокомпозитов, а во-вторых, благодаря слоистой структуре глинистых минералов возможна интеркаляция полимерных цепей в межслоевые пространства и создание нанокомпозитов, и в-третьих, исходный материал является достаточно легкодоступным. В результате их смешения с полимерами размер полученных частиц может достичь толщины около 1 нм и диаметра от 250 до 1000 нм. Благодаря нанометровому размеру частиц, достигаемому диспергированием, нанокомпозиты на основе слоистых силикатов проявляют значительно улучшенные механические, термические и физико-химические свойства по сравнению с чистым полимером или традиционным наполненным полимером при небольшом содержании наполнителя. Улучшения в свойствах могут включать, например, увеличение модуля упругости, прочности, теплоустойчивости, уменьшение газопроницаемости и воспламеняемости (см. Герасин В.А., Зубова Т.А., Бахов Ф.Н. Структура нанокомпозитов полимер/Na+-монтмориллонит, полученных смешением в расплаве // Российские нанотехнологии. – Т.2. - №1-2. – 2007. - С. 90-105).

Известно, что введение в ПТФЭ наношпинеля магния позволяет повысить износостойкость полимерных композиционных материалов (ПКМ) в 25-350 раз при некотором снижении прочностных характеристик (см. Охлопкова А.А., Петрова П.Н., Гоголева О.В., Бельков И.А. Шаринов Н.И. Антифрикционные композиты на основе смесей фторопластов // Мат. 7-й Всероссийской конф. «Химия фтора».- Москва, 2006. – С. 8-12).

Каолин является один из основных дисперсных наполнителей, применяемых в производстве полимерно-композиционных материалов, применяется для увеличения прочности ПКМ (см. Барань Ш. и др. Кинетика и механизм флокуляции суспензий бентонита и каолина полиэлектролитами и прочность образующихся флокул //Коллоидный журнал. – 2009. – Т. 71. – №. 3. – С. 291-298).

Установлено, что при совместном (комплексном) применении данных наполнителей в ПТФЭ достигается улучшение износостойкости при сохранении деформационно-прочностных показателей, обусловленных тем, что механоактивированный шпинель магния и механоактивированный каолин в заявленных пределах обладают дополнительным структурирующим действием на полимерную матрицу.

Таким образом, в заявляемом техническом решении комплексный наполнитель включает механоактивированные каолин и шпинель магния.

Политетрафторэтилен (фторопласт-4) – промышленный продукт марки ПН, получаемый в соответствии с ГОСТ 10007-80, характеризуется 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.

Наполнитель шпинель магния представляет собой двойной оксид с общей химической формулой: MgAl2O4.

Минеральный наполнитель каолин представляет собой крупные пластинчатые кристаллы белого цвета, химический состав отвечает приблизительной формуле Al2O3·2SiO2·2H2O. Каолин имеет структуру, состоящую из одного слоя октаэдров и одного слоя тетраэдров. Слои прочно связаны между собой и плотно прилегают друг к другу, в результате чего, молекулы воды и катионы металлов не могут входить в межслойное пространство и минерал не набухает в воде, а также обладает низкой емкостью катионного обмена.

При использовании наполнители шпинель магния и каолин подвергаются предварительной механической активации в течение 2 мин на планетарной мельнице типа «Активатор-2S». При этом достигается механическая активация дисперсных наполнителей, повышающая структурную активность и усреднение дисперсного состава.

Получение композиционного материала осуществляют известными способами.

Смешивание компонентов полимерного композиционного материала проводится в лопастном смесителе со скоростью вращения лопастей 3000 об/мин до получения однородной массы. Образцы после смешивания и просеивания монолитизируют по технологии холодного прессования в пресс-форме при давлении 50 МПа с последующим свободным спеканием при температуре 370±5°С (время выдержки из расчета 0,3 часа на 10-3 м толщины образца). Полученные изделия охлаждают в печи до 200°С со скоростью 0,03°С/сек с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры.

Пример. 53,900 г политетрафторэтилена, 0,825 г каолина, 0,275 г шпинели магния 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.

Другие примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице.

Деформационно-прочностные свойства заявляемого триботехнического материала определяли 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 4 часа.

Результаты испытаний представлены в таблице.

При этом отмечается, что оптимальное суммарное содержание наполнителей составляет 1-2 мас.%, превышение которых может привести к ухудшению прочностных свойств вследствие агломерации наполнителей и формирования дефектной структуры.

Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволит увеличить износостойкость до 500 раз, по сравнению с ненаполненным ПТФЭ, при сохранении деформационно-прочностных характеристик относительно ненаполненного ПТФЭ. Применение полимерного материала триботехнического назначения заявляемого состава позволит повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования.

Таблица

Характеристики ПКМ, наполненных комплексным наполнителем

№№
п/п
Состав Содержание компонен-тов, мас.% Относительное удлинение при разрыве εр, % Прочность на разрыв σр, МПа Интенсивность изнашивания I×10-3, г/ч Коэфф. трения f
1. ПТФЭ 100 320 20 65,61 0,22 2. ПТФЭ+
К+
ШМ
99
0,8
0,2
347 20,5 0,15 0,23
3. ПТФЭ+
К+
ШМ
99
0,9
0,1
316 19,7 0,31 0,24
4. ПТФЭ+
К+
ШМ
98
1,5
0,5
373 20,9 0,13 0,24
5. ПТФЭ +
К+
ШМ
98
1,8
0,2
378 20,7 0,18 0,22
6. ПТФЭ +
К+
ШМ
95
4
1
332 15,8 0,15 0,27
7. ПТФЭ +
К+
ШМ
95
4,5
0,5
395 15,6 0,13 0,27
8. ПТФЭ +
К+
ШМ
95
4,8
0,2
440 14,1 0,09 0,23
9. ПТФЭ+
ШМ
(прототип)
97,5
2,5
290-300 18-20 0,5-2 -

Прим.: ПТФЭ – политетрафторэтилен, ШМ – шпинель магния, К – каолин.

Похожие патенты RU2699109C1

название год авторы номер документа
Полимерный материал триботехнического назначения 2017
  • 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
RU2664129C1
БАЗАЛЬТОФТОРОПЛАСТОВЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ 2013
  • Петрова Павлина Николаевна
  • Васильев Спиридон Васильевич
  • Охлопкова Айталина Алексеевна
  • Морова Лилия Ягьяевна
RU2552744C2
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
КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ 2006
  • Охлопкова Айталина Алексеевна
  • Слепцова Сардана Афанасьевна
  • Петрова Павлина Николаевна
  • Ючюгяева Татьяна Семеновна
  • Сыромятникова Айталина Степановна
  • Бельков Игорь Алексеевич
  • Шаринов Николай Иванович
RU2319713C1
ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ 2000
  • Охлопкова А.А.
  • Брощева П.Н.
  • Шиц Е.Ю.
  • Попов С.Н.
  • Ючюгаева Т.С.
RU2177963C1
ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ 2011
  • Слепцова Сардана Афанасьевна
  • Охлопкова Айталина Алексеевна
  • Кириллина Юлия Валерьевна
  • Афанасьева Екатерина Серафимовна
RU2484107C1
АНТИФРИКЦИОННАЯ ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ 2010
  • Слепцова Сардана Афанасьевна
  • Охлопкова Айталина Алексеевна
  • Афанасьева Екатерина Серафимовна
  • Стручкова Татьяна Семеновна
RU2460742C2
ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ 2007
  • Охлопкова Айталина Алексеевна
  • Петрова Павлина Николаевна
  • Гоголева Ольга Владимировна
  • Морова Лилия Ягьяевна
RU2354667C1
ПОЛИМЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА 2018
  • Петрова Павлина Николаевна
  • Маркова Марфа Алексеевна
  • Аргунова Анастасия Гаврилиевна
  • Охлопкова Айталина Алексеевна
RU2675520C1
АНТИФРИКЦИОННАЯ ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ 2005
  • Охлопкова Айталина Алексеевна
  • Попов Савва Николаевич
  • Слепцова Сардана Афанасьевна
  • Аввакумов Евгений Григорьевич
  • Винокурова Ольга Борисовна
  • Гусев Алексей Алексеевич
RU2281960C1

Реферат патента 2019 года Полимерный материал триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена, механоактивированных каолина и шпинеля магния

Изобретение относится к получению полимерного материала триботехнического назначения и может быть использовано для изготовления подшипников скольжения и других элементов узлов трения, эксплуатируемых в условиях средних нагрузок и скоростей скольжения. Полимерный материал содержит политетрафторэтилен(ПТФЭ)и наполнители: механоактивированный каолин, механоактивированный шпинель магния при соотношении компонентов, мас.%: механоактивированный каолин – 0,8-1,8; механоактивированный шпинель магния – 0,1-0,5; ПТФЭ – остальное. Использование настоящего изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволит увеличить износостойкость композиционного материала при сохранении деформационно-прочностных характеристик. 1 табл.

Формула изобретения RU 2 699 109 C1

Полимерный композиционный материал триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), содержащий наполнитель, отличающийся тем, что в качестве наполнителей содержит механоактивированный каолин, механоактивированный шпинель магния, при этом соотношение компонентов составляет, мас.%:

механоактивированный каолин 0,8-1,8 механоактивированный шпинель магния 0,1-0,5 ПТФЭ остальное

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2699109C1

АНТИФРИКЦИОННАЯ ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ 2005
  • Охлопкова Айталина Алексеевна
  • Попов Савва Николаевич
  • Слепцова Сардана Афанасьевна
  • Аввакумов Евгений Григорьевич
  • Винокурова Ольга Борисовна
  • Гусев Алексей Алексеевич
RU2281960C1
ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ 2011
  • Слепцова Сардана Афанасьевна
  • Охлопкова Айталина Алексеевна
  • Кириллина Юлия Валерьевна
  • Афанасьева Екатерина Серафимовна
RU2484107C1
Способ получения полимерных композиций на основе политетрафторэтилена, содержащих минеральный наполнитель 2016
  • Капитонова Юлия Валерьевна
  • Макаров Михаил Михайлович
  • Слепцова Сардана Афанасьевна
  • Охлопкова Айталина Алексеевна
RU2632843C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АНТИФРИКЦИОННОЙ КОМПОЗИЦИИ 1997
  • Охлопкова А.А.
  • Виноградов А.В.
  • Попов С.Н.
  • Митронова Ю.Н.
  • Брощева П.Н.
RU2178801C2
Приспособление для писания и рисования бесцветным грифелем 1926
  • Г. Дейтш
SU5354A1
АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ Ю.Н.МИРОНОВА ИССЛЕДОВАНИЕ НАПОЛНЕННЫХ СИСТЕМ "ПТФЭ-оксидный наполнитель" и разработка машиностроительных триботехнических материалов на их основе
Якутск, 1999
АНТИФРИКЦИОННАЯ КОМПОЗИЦИЯ 1995
  • Охлопкова А.А.
  • Устыч Ю.Н.
  • Виноградов А.В.
  • Сидоренко Т.Н.
RU2099365C1

RU 2 699 109 C1

Авторы

Лаукканен Эса Антти Самуэль

Тарасова Прасковья Николаевна

Слепцова Сардана Афанасьевна

Лазарева Надежда Николаевна

Охлопкова Айталина Алексеевна

Дьяконов Афанасий Алексеевич

Даты

2019-09-03Публикация

2019-03-29Подача