АНТИФРИКЦИОННЫЙ САМОСМАЗЫВАЮЩИЙСЯ КОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ ГРУППЫ "МАСЛЯНИТ" Российский патент 2021 года по МПК C08J5/00 

Изобретение относится к созданию методом химического конструирования композитных полимерных материалов с заданными техническими характеристиками для применения их в узлах трения машин и механизмов в качестве подшипников скольжения (вкладыши, направляющие, втулки, шаровые опоры, кольца, пластины, ролики, шкивы), где применение жидких и пластических смазочных материалов нежелательно или вовсе недопустимо. Особенно их использование необходимо при работе в агрессивных жидкостях, водных средах и вакууме. Все более значимым становится факт экологической безопасности, т.к. смазочные материалы, подаваемые в зону трения машин под давлением, при нарушении герметичности узла пагубно влияют на окружающую среду.

Известен композитный материал - поликапроамид (А.С. СССР №1147722 от 30.03.1985 СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКАПРОАМИДА, МПК 2000.01: C08G 69/18, C08K 5/06, Заявитель: ОСОБОЕ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ БЮРО "ОРИОН" ПРИ НОВОЧЕРКАССКОМ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОМ ИНСТИТУТЕ), получаемый методом анионной полимеризации ε-капролактама в присутствии металлического натрия, толуиленадиизоцианата и полиэтиленоксида.

Наиболее близким (по технической сущности и достигаемому эффекту) аналогом, принятым в качестве прототипа предлагаемого изобретения, является материал - полимерная антифрикционная композиция (Патент РФ №2439095 от 10.01.2012 ПОЛИМЕРНАЯ АНТИФРИКЦИОННАЯ КОМПОЗИЦИЯ, МПК 2006.01: C08J 5/16, C08L 77/02, C08K 13/02, C08K 5/40, C08K 3/02, Патентообладатель: Федеральное государственное унитарное предприятие Особое конструкторско-технологическое бюро «ОРИОН» (RU), содержащая ε-капролактам, металлический натрий, толуиленадиизоцианат и модификатор, отличающийся тем, что в качестве модификатора используется смесь меркупраля и дитизона при соотношении 10:1 и компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %: ε-капролактам 97÷98; Металлический натрий 0,07; Толуилендиизоцианат 0,257; Смесь меркупраля и дитизона 0,29÷0,98.

Однако, изделия из материалов по А.С. СССР №1147722 от 30.03.1985 и Патенту РФ №2439095 от 10.01.2012 не обладают эффектом самосмазывания, т.к. требуют подачу в зону трения смазочных материалов, обладают недостаточными триботехническими характеристиками, а также высоким водопоглощением при работе в водных средах. И как следствие характеризуются изменением своих линейных размеров (так называемый, «эффект набухания»).

Целью изобретения является улучшение антифрикционных свойств материала.

Поставленная цель достигается тем, что в антифрикционный самосмазывающийся композитный материал группы «Маслянит», содержащий полимеризационную смесь поликапроамида, в виде: ε-капролактама, металлического натрия, толуиленадиизоцианата введен модификатор, в основе которого используется смесь кремнийорганической полиметилфенилсилоксановой жидкости ПФМС-4 с твердосмазочным графитовым препаратом С-1 при соотношении 3:5 и компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %: ε-капролактам - 90÷93; металлический натрий - 0,10÷0,12; толуиленадиизоцианат - 0,25÷0,30; смесь ПФМС-4 + С-1 - 7÷9.

В качестве основы полимеризационной матрицы (смеси) был выбран алифатический полимер поликапроамид [-HN(CH₂)₅CO-]_n, позволяющий при его полимеризации получать крупногабаритные изделия без образования внутренних дефектов (поры, раковины и т.п.). Смесь представляет собой соединение ε-капролактама, металлического натрия (катализатор) и толуиленадиизоцианата (продукт 102Т - активатор). Перед осуществлением процесса полимеризации в термошкафу смесь расплавляется в двух реакторах в потоке инертного газа аргона.

Модифицирующая смесь (модификатор) представляет собой соединение двух смазочных компонентов. В качестве жидкого смазочного компонента предложена кремнийорганическая полиметилфенилсилоксановая жидкость ПФМС-4, имеющая температурный интервал работоспособности от минус 60 до плюс 300°С. Вторым компонентом модифицирующей смеси является твердосмазочный графитовый препарат С-1, обладающий слоистой структурой, высокими антифрикционными свойствами и повышенной работоспособностью как на воздухе, так и в водных средах, включая морскую воду.

Оценку эффективности модифицирующей смеси проводили на четырехшариковой машине трения с использованием подшипниковых шариков из стали ШХ-15, диаметром 12,7 мм. Сравнительную оценку смазочных свойств смеси проводили по критериям:

- определение несущей способности с уточнением критической нагрузки, воспринимаемой смесью;

- уточнение антизадирных свойств по диаметру износа шаров при скорости скольжения 0,52 м/с и длительности эксперимента 1 час;

- изучение антифрикционных свойств с определением коэффициента трения при скорости скольжения 0,26 м/с.

Результаты экспериментов представлены в таблице 1.

Наилучшую смазочную способность показала модифицирующая смесь жидкости ПФМС-4 с препаратом С-1 в массовом соотношении 3:5.

Причем процесс самосмазывания, в предлагаемом материале, реализуется за счет «выпотевания» из объема материала смазочной жидкости ПФМС-4, входящей в состав модификатора, при повышении температуры в зоне трения.

Пример получения композиции

В реакторы 1 и 2 загружают равные количества ε-капролактама, расплавляют его при температуре 85-90°С и осушают в течение 1-1,5 часа в потоке инертного газа аргона. Затем, в осушенные растворы при температуре 100°С в 1-й реактор вводится металлический натрий, а во 2-й реактор - толуиленадиизоцианат.Массы в обеих реакторах перемешиваются в течение 3-5 минут. В дальнейшем равные объемы из реакторов 1 и 2 сливают в скоростной смеситель, куда одновременно добавляется модифицирующая смесь в установленном соотношении. Масса перемешивается в течение 3-х минут и разливается в формы, установленные в полимеризационной камере.

В процессе исследований был получен ряд композиций с различным содержанием полимеризующей шихты и модифицирующей смеси. Оценку эффективности предлагаемого материала осуществляли по триботехническим характеристикам (коэффициент трения и линейный износ), твердости по Бринеллю и водопоглощению. Триботехнические свойства определяли по машине торцевого трения при скорости скольжения образцов по металлическому контртелу V=0,075 м/с без использования дополнительных смазочных материалов. Твердость измеряли на приборе по ГОСТ 4670. Водопоглощение материалов оценивали по ГОСТ 4650.

Составы исследуемых материалов и их свойства сведены в таблицу 2.

Как видно из приведенных в таблице 2 данных, предлагаемый «Антифрикционный самосмазывающийся композитный материал группы «Маслянит» без применения дополнительных смазочных материалов обеспечивает работоспособность узлов трения, обеспечивая улучшение триботехнических характеристик в 2,5-3,5 раза, сохраняет физико-механические свойства и снижает в 2 раза водопоглощение в сравнении с прототипом.

В процессе эксплуатации изделий из предложенного материала группы «Маслянит» в качестве вкладышей, направляющих, втулок, шаровых опор, колец в процессе трения с сопрягаемыми металлическими деталями обеспечивает миграцию («выпотевание») жидкости ПФМС-4 к поверхности трения за счет повышения температуры в зоне контакта, образуя граничную масляную пленку, которая предотвращает «схватывание» и износ контактирующих деталей. В случае кратковременного прорыва масляной пленки роль смазочного элемента исполняет твердая слоистая смазка - графит С-1. Одновременно смазочная пленка, образованная на поверхности композитного материала, блокирует проникновение внутрь него водных растворов, значительно уменьшая процесс водопоглощения.

Техническое решение, изложенное заявке на предполагаемое изобретение «Антифрикционный самосмазывающийся композитный материал группы «Маслянит» практически реализовано Обществом с ограниченной ответственностью Научно-Производственный Комплекс «Прогресс-ИНТЭКС» (ООО НПК «Прогресс-ИНТЭКС», г. Новочеркасск, Ростовская обл., фирменный Web-сайт: http://асмк-112.рф/), в новом материале типа «Маслянит-АСКМ» группы «Маслянит».

В таблице 3 приведены основные физико-механические свойства известных типов антифрикционных самосмазывающихся композитных материалов группы «Маслянит» и нового материала типа «Маслянит-АСКМ» (см. Web-страницу: «ТУ Маслянитов» на Web-сайте: http://асмк-112.рф/).

В Приложении к данному описанию приведены фотографии отдельных изделий из номенклатуры ООО НПК «Прогресс-ИНТЭКС» на базе материала типа «Маслянит-АСКМ» группы «Маслянит».

Более полно изображения изделий, изготавливаемых на базе материалов группы «Маслянит», приведены на Web-странице: «ТУ Маслянитов» Web-сайта: http://асмк-112.рф/

На основании изложенного и по результатам проведенного патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый «Антифрикционный самосмазывающийся композитный материал группы «Маслянит» отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень» и «Промышленная применимость» и может быть защищен патентом РФ на изобретение.

Изобретение относится к созданию методом химического конструирования композитных полимерных материалов с заданными техническими характеристиками для применения их в узлах трения машин и механизмов в качестве подшипников скольжения (вкладыши, направляющие, втулки, шаровые опоры, кольца, пластины, ролики, шкивы), где применение жидких и пластических смазочных материалов нежелательно или вовсе недопустимо. Особенно их использование необходимо при работе в агрессивных жидкостях, водных средах и вакууме. Все более значимым становится факт экологической безопасности, т.к. смазочные материалы, подаваемые в зону трения машин под давлением, при нарушении герметичности узла пагубно влияют на окружающую среду. Предлагаемый материал группы «Маслянит» содержит полимеризационную смесь поликапроамида, в виде: ε-капролактама, металлического натрия, толуиленадиизоцианата и смеси кремнийорганической полиметилфенилсилоксановой жидкости ПФМС-4 с твердосмазочным графитовым препаратом С-1 при соотношении 3:5, причем компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: ε-капролактам - 90÷93; металлический натрий - 0,10÷0,12; толуиленадиизоцианат - 0,25÷0,30; смесь ПФМС-4 + С-1 - остальное. Материал обеспечивает работоспособность узлов трения без применения дополнительных смазочных материалов, в том числе при работе в водных средах, включая морскую воду, и агрессивных жидкостях. 3 табл., 3 ил.

Антифрикционный самосмазывающийся композитный материал группы «Маслянит», содержащий полимеризационную смесь поликапроамида, в виде:

ε-капролактама, металлического натрия, толуиленадиизоцианата и модификатора, отличающийся тем, что в его основе используется смесь кремнийорганической полиметилфенилсилоксановой жидкости ПФМС-4 с твердосмазочным графитовым препаратом С-1 при соотношении 3:5 и компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:

ε-капролактам 90-93 металлический натрий 0,10-0,12 толуиленадиизоцианат 0,25-0,30 смесь ПФМС-4 + С-1 остальное