Высокопрочный антифрикционный электроизоляционный полимерный композиционный материал на основе гибридных тканей Российский патент 2024 года по МПК C08J5/08 D02G3/24 

Предлагаемое изобретение относится к наполненным полимерным материалам, в частности к полимерным материалам на основе гибридного тканого армирующего материала и термореактивного полимерного связующего.

Указанный материал предназначен для изготовления изделий антифрикционного назначения, например, тяжелонагруженных тихоходных судовых подшипников скольжения, работающих в морской воде в паре с контртелами, изготовленными из нержавеющей стали и титановых сплавов, а также подшипников гидротурбин, насосов и других изделий в узлах трения машиностроения, работающих с водяной смазкой.

Известен антифрикционный материал, используемый для изготовления крупногабаритных деталей скольжения, работающих с водяной смазкой, Thordon XL фирмы Thordon Bearings Inc., Канада. Thordon XL это полиуретановый эластомер, он способен работать в морской воде в паре с контртелами, изготовленными из нержавеющей стали, без риска возникновения электрохимической коррозии металла.

Недостатками материала Thordon XL являются недостаточная механическая прочность, изменение линейных размеров (набухание) в воде и высокая скорость изнашивания, что ограничивает области его применения.

Известна антифрикционная полимерная композиция на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и неорганического модификатора, в качестве которого выступает терморасширенный графит (ТРГ) (Патент RU №2535216). Композиция обладает малой интенсивностью износа, однако, наличие графита способствует снижению объемного электрического сопротивления, что может привести к электрохимической коррозии узлов скольжения. Кроме того, применение графита значительно увеличивает стоимость изготовления заготовок.

Известна композиция, содержащая сверхвысокомолекулярный полиэтилен (далее - СВМПЭ), ультрадисперсный β-сиалон и дисульфид молибдена (Патент RU №2126805). Несмотря на высокую стойкость к изнашиванию, материал обладает недостаточной прочностью, деформационной стойкостью и несущей способностью для применения в тяжелонагруженных узлах трения.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому материалу является антифрикционный материал, принимаемый за прототип, включающий углеродную ткань и полимерное термореактивное связующее (RU №2153107, МПК C08L63/00, 2000). Углеродная ткань имеет средний размер кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщину базисных плоскостей 1,0-4,0 нм. Данный материал обладает высокой прочностью, износостойкостью при трении в воде и успешно применяется в судостроении.

Недостатком указанного антифрикционного материала являются его электропроводящие свойства, значение удельного объемного электрического сопротивления соответствует (1,5±1,0) 10² Ом⋅м. Углеродная ткань в композите выступает в роли анода и приводит в некоторых случаях его использования в морской воде к электрохимической коррозии контртела и, как следствие, снижению работоспособности узла трения.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в создании антифрикционного электроизоляционного материала, имеющего значение удельного объемного электрического сопротивления не менее (2,0±1,0) 10¹³ Ом⋅м, позволяющего исключить коррозию металлических контртел и повысить ресурс тяжелонагруженых узлов трения, при сохранении высоких триботехнических характеристик - при трении в воде при контактных давлениях 30 МПа интенсивность изнашивания не более 17,5 мкм/км, коэффициент трения не более 0,18, и прочностных показателей при сжатии параллельно слоям не менее 120 МПа.

Предлагаемый материал способен работать при высоких контактных давлениях до 60-70 МПа при эксплуатации в морской воде и в других средах.

Технический результат достигается за счет того, что антифрикционный материал, включающий тканый армирующий материал и полимерное термореактивное связующее, в качестве тканого армирующего материала содержит гибридную ткань, выполненную из неорганических и органических нитей, при следующем соотношении компонентов (% масс.):

Полимерное связующее 36-45 Гибридная ткань 55-64

Гибридная армирующая ткань содержит:

Неорганические нити 61-78 Органические нити 22-39

В предлагаемом изобретении вместо углеродной ткани используется гибридная армирующая ткань, обладающая электроизоляционными свойствами.

В качестве термореактивного связующего заявляемый антифрикционный материал содержит вещества, выпускаемые промышленностью, а именно гало-генсодержащий полиглицидиларилен-диаминоалкан, отвердитель аминного типа или одноупаковочный комплекс аминного типа в качестве отвердителя, в некоторых случаях (пример 7) – пластификатор в количестве 10% от массы смолы.

При добавлении пластификатора к основной ароматической эпоксидной смоле ввиду ее линейной структуры увеличивается длина связей между сшивками макромолекул, в результате чего сшитый полимер и композит на его основе приобретает повышенную пластичность, устойчивость к вибрациям и длительным нагрузкам и, как следствие, при трении снижается интенсивность изнашивания, увеличивается эффективная площадь контакта с контртелом.

Гибридная армирующая ткань, используемая в заявляемом материале, выполнена переплетением саржа или сатин.

В качестве органических нитей гибридная ткань может содержать фторопластовые, арамидные, полиоксадиазольные, полиэфирные, полиамидные нити и нити из СВМПЭ. В качестве неорганических нитей могут использоваться стеклянные, базальтовые и другие нити.

При увеличении содержания неорганических нитей более 78% масс. повышается прочность при сжатии получаемого антифрикционного материала, одновременно происходит ухудшение триботехнических характеристик - увеличение коэффициента трения и интенсивности изнашивания, являющихся определяющими для антифрикционного материала. При увеличении содержания органических нитей более 39% масс. антифрикционный материал показывает улучшение триботехнических показателей, однако происходит снижение прочностных характеристик ниже заявленного технического результата. Возможность вариаций соотношений органических и неорганических нитей в гибридной ткани ограничивается типом плетения, линейной плотностью нитей (текс), заданной толщиной ткани.

Примеры реализации: состав антифрикционных материалов, триботехнические характеристики, физические и физико-механические свойства для всех приведенных примеров представлены в таблицах 1 и 2.

Пример 1

Для получения антифрикционного материала используется гибридная ткань, содержащая неорганические и органические нити в соотношении (масс. %) 78:22. В качестве неорганической используется стеклянная нить с разрывной нагрузкой не менее 58,8 Н/текс, а в качестве органической - нить из СВМПЭ с разрывной нагрузкой не менее 2,8 Н/текс.

Гибридную ткань пропитывают раствором связующего, содержащим: 17,9 кг галогенсодержащего полиглицидиларилен-диаминоалкана, 10,8 кг гало-генсодержащего отвердителя аминного типа, 0,54 кг ускорителя отверждения и 15,8 кг ацетона. Соотношение полимерное связующее - гибридная ткань (масс. %) 45:55.

Пропитку опытной гибридной ткани (55,0 кг) производят на пропиточной машине вертикального типа марки УПСТ-1000М. Из пропитанной ткани методом горячего прессования при температуре 100-120°С и давлении не более 6 МПа изготавливают образцы, время выдержки при температуре прессования составляет от 3 до 12 часов.

Образцы антифрикционного материала исследовали по следующим показателям:

1. Триботехнические характеристики - интенсивность изнашивания, коэффициент трения

Триботехнические испытания проводились на серийной машине трения модели ИИ 5018 производства завода «Точприбор» при контактных давлениях до 30 МПа, скорости скольжения 1 м/с при смазке водой по контртелу 20X13 по методике экспрессных комплексных испытаний, разработанной в ИПМ РАН (лаборатория д. ф-м. н. проф. Б.М. Гинзбурга).

2. Прочностные показатели

Разрушающие испытания образцов ПКМ проводились при 20°С на испытательной машине Shimadzu AG-50kNX в соответствии со следующими нормативными документами:

- Разрушающее напряжение при сжатии по ГОСТ 23803-79;

- Изгибающее напряжение при разрушении по ГОСТ 4648-2014;

- Разрушающее напряжение при межслойном сдвиге ГОСТ 23804-79.

3. Стабильность размеров при эксплуатации

Объемное изменение размеров в воде после выдержки образцов размерами 50×50×5 мм в воде при температуре 20°С в течение суток, % об.

Водопоглощение после выдержки образцов размерами 50×50×5 мм в воде при температуре 20°С в течение суток, % масс (ГОСТ 4650-80).

4. Водопоглощение при гидростатическом давлении 6 Мпа

Водопоглощение и изменение линейных размеров в результате водопоглощения при гидростатическом давлении 6 МПа образцов размерами 30×10×10 мм в воде определяли по методике 114-01-2022 в течение 24, 72, 168 и 336 часов.

5. Объемное электрическое сопротивление

Измерение удельного объемного электрического сопротивления высокопрочных антифрикционных электроизоляционных ПКМ проводилось в соответствии с ГОСТ Р 50499-93 (трех-электродная схема измерений) на тераомметре Agilent 4339 В при постоянном напряжении 500 В, время установления 10 минут.

Пример 2

Антифрикционный материал получен аналогичным способом, в составе гибридной ткани содержатся стеклянные нити и органические полиоксадиазольные нити «Арселон» в соотношении (масс. %) 78:22. Полимерное связующее аналогично примеру 1 и антифрикционному материалу, принятому за прототип. Соотношение полимерное связующее : гибридная ткань (масс. %) 43:57.

Пример 3

Антифрикционный материал получен аналогичным способом, в составе гибридной ткани содержатся стеклянные нити и органические арамидные (СВМ) нити в соотношении (масс. %) 78:22. Полимерное связующее аналогично примеру 1 и антифрикционному материалу, принятому за прототип. Соотношение полимерное связующее : гибридная ткань (масс. %) 42:58.

Пример 4

Антифрикционный материал получен аналогичным способом, в составе гибридной ткани содержатся стеклянные нити и органические нити СВМПЭ в соотношении (масс. %) 61:39. Полимерное связующее аналогично примеру 1 и антифрикционному материалу, принятому за прототип. Соотношение полимерное связующее : гибридная ткань (масс. %) 36:64.

Пример 5

Антифрикционный материал получен аналогичным способом, в составе гибридной ткани содержатся стеклянные нити и органические полиоксадиазольные нити «Арселон» в соотношении (масс. %) 61:39. Полимерное связующее аналогично примеру 1 и антифрикционному материалу, принятому за прототип. Соотношение полимерное связующее : гибридная ткань (масс. %) 45:55.

Пример 6

Антифрикционный материал получен аналогичным способом, в составе гибридной ткани содержатся стеклянные нити и органические арамидные нити (СВМ) в соотношении (масс. %) 61:39. Полимерное связующее аналогично примеру 1 и антифрикционному материалу, принятому за прототип. Соотношение полимерное связующее : гибридная ткань (масс. %) 41:59.

Пример 7

Антифрикционный материал получен аналогичным способом, в составе гибридной ткани содержатся стеклянные нити и органические нити из СВМПЭ в соотношении (масс. %) 78:22. Полимерное связующее отличается от примеров 1-6 тем, что кроме галогенсодержащего полиглицидиларилендиаминоалкана содержит пластификатор и модифицированный отвердитель аминного типа. Соотношение полимерное связующее : гибридная ткань (масс. %) 45:55.

Пример 8

Антифрикционный материал получен аналогичным способом, в составе гибридной ткани содержатся стеклянные нити и органические нити из СВМПЭ в соотношении (масс. %) 78:22. Полимерное связующее аналогично примеру 7, но не содержит пластификатор. Соотношение полимерное связующее : гибридная ткань (масс. %) 39,5:60,5.

Пример 9

Антифрикционный материал получен аналогичным способом, в составе гибридной ткани содержатся стеклянные нити и органические нити из СВМПЭ в соотношении (масс. %) 78:22. Полимерное связующее отличается от примеров 1-12 тем, что кроме галогенсодержащего полиглицидиларилендиаминоалкана содержит одноупаковочный комплекс аминного типа в качестве отвердителя. Соотношение полимерное связующее : гибридная ткань (масс. %) 44,5:55,5.

Пример 10к - прототип

Антифрикционный материал получен аналогичным способом, в качестве армирующего материала использована низкомодульная ткань из углеродных волокон со средними размерами кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 1,0-4,0 нм. Полимерное связующее содержит галогенсодержащий полиглицидиларилендиаминоалкан, галогенсодержащий отвердитель аминного типа и ускоритель отверждения. Соотношение полимерное связующее : углеродная ткань (масс. %) 45:55.

Пример 11к

Известный полимерный электроизоляционный материал получен аналогичным способом, в качестве армирующего материала использована стеклянная ткань. Полимерное связующее содержит эпоксидную смолу и отвердитель аминного типа. Соотношение полимерное связующее : стеклянная ткань (масс. %) 30:70.

Пример приведен для сравнения. Из таблицы 2 видно, что Пример 11к имеет высокие значения удельного объемного электрического сопротивления и разрушающего напряжения при сжатии, но при этом очень низкие триботехнические характеристики.

Изобретение относится к наполненным полимерным материалам, в частности к полимерным материалам на основе гибридного тканого армирующего материала и термореактивного полимерного связующего. Предложен высокопрочный антифрикционный электроизоляционный полимерный композиционный материал на основе термореактивного связующего и гибридных армирующих тканей. При этом гибридные армирующие ткани содержат неорганические нити, представляющие собой стекловолокно - 61-78 мас. %, и органические нити, представляющие собой нити на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, или полиоксадиазольные нити «Арселон», или арамидные нити - 22-39 мас. %. Соотношение компонентов в композиционном материале составляет: полимерное связующее 36-45 мас. %, гибридная армирующая ткань 55-64 мас. %. В качестве полимерного термореактивного связующего композиция содержит смолу, представляющую собой галогенсодержащий полиглицидиларилендиаминоалкан и отвердитель. Предложенный подход позволяет получать антифрикционный электроизоляционный материал, имеющий значение удельного объемного электрического сопротивления не менее (2,0±1,0)*10¹³ Ом⋅м. Это исключает коррозию металлических контртел и повышает ресурс тяжелонагруженных узлов трения, при сохранении высоких триботехнических характеристик - при трении в воде при контактных давлениях 30 МПа интенсивность изнашивания не более 17,5 мкм/км, коэффициент трения не более 0,18, и прочностных показателей при сжатии параллельно слоям не менее 120 МПа. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 11 пр.

1. Высокопрочный антифрикционный электроизоляционный полимерный композиционный материал на основе термореактивного связующего и гибридных армирующих тканей, отличающийся тем, что гибридные армирующие ткани содержат (% масс.) неорганических нитей, представляющих собой стекловолокно – 61-78, и органических нитей, представляющих собой нити на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, или полиоксадиазольные нити «Арселон», или арамидные нити – 22-39, при следующем соотношении компонентов в композиционном материале, % масс.:

Полимерное связующее 36-45 Гибридная армирующая ткань 55-64;

в качестве полимерного термореактивного связующего композиция содержит смолу, представляющую собой галогенсодержащий полиглицидиларилендиаминоалкан и отвердитель.

2. Антифрикционный материал по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит пластификатор в количестве 10% от массы галогенсодержащей полиглицидиларилендиаминовой смолы.