Полимерная композиция триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и комплексного наполнителя Российский патент 2024 года по МПК C08L23/06 C08K5/47 C08K3/22 

Изобретение относится к полимерным композициям триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и может быть использовано в качестве функционального материала для изготовления подшипников скольжения, уплотнителей валов, футеровок, применяемых в машиностроении, автомобилестроении, конвейерах и в различных отраслях промышленности.

К современным функциональным материалам триботехнического назначения на основе полимеров предъявляют высокие требования к физико-механическим, теплофизическим, триботехническим, морозоустойчивым и другим характеристикам. Среди полиолефиновых полимеров СВМПЭ относится к перспективным материалам для изготовления подшипников скольжения, уплотнителей валов, футеровок, промышленных труб, клапанов, различных деталей машин и т.д. К этому способствуют свойства СВМПЭ самосмазыванию, высокая износостойкость, низкий коэффициент трения, коррозионная и усталостная стойкости (см. Валуева М.И., Колобков А.С., Малаховский С.С. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен: рынок, свойства, направления применения (обзор) // Труды ВИАМ. – 2020. – №. 3 (87). – С. 49-57).

При этом СВМПЭ характеризуется низкой поверхностной твердостью, слабой стойкостью к абразивному износу, относительно низкими показателями по модули упругости, прочности на изгиб и сопротивления ползучести. Известны различные способы улучшения механических и триботехнических характеристик СВМПЭ (см. Панин С.В. и др. Износостойкие стеклонаполненные композиты на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Исследование роли адгезии при введении различных аппретов // Физическая мезомеханика. – 2021. – Т. 24. – №. 5. – С. 52-66).

В последнее время большое распространение получил новый класс композиционных материалов на основе полимерной матрицы и наноразмерных частиц. Среди наноразмерных частиц особенно примечателен оксид меди (CuO), обладающий рядом существенных преимуществ. CuO можно легко синтезировать, при этом известно, что наночастицы CuO обладают более лучшими свойствами в отношении износостойкости и снижения трения, чем другие наночастицы, такие как оксиды алюминия, циркония, железа и кобальта (см. Jatti V.S., Singh T.P. Copper oxide nano-particles as friction-reduction and anti-wear additives in lubricating oil // Journal of Mechanical Science and Technology. – 2015. – Vol. 29. – P. 793-798).

Среди органических добавок 2-меркаптобензтиазол (МБТ) позволяет существенным образом повысить деформационно-прочностные свойства СВМПЭ (см. Данилова С.Н. и др. Разработка высокопрочных материалов на основе СВМПЭ, модифицированного 2-меркаптобензтиазолом // Авиационные материалы и технологии. – 2020. – №. 3 (60). – С. 10-18).

Однако, для комплексного улучшения физико-механических и триботехнических свойств необходимо применение модификаторов, состоящих из разных видов наполнителей. Это связано с тем, что при использовании комплексных наполнителей, можно реализовать индивидуальные свойства каждого из наполнителей, обеспечивая синергетический эффект. В связи с этим для изготовления композитных материалов с улучшенным комплексом эксплуатационных свойств необходимо подобрать компоненты, которые будут оказывать комплексное воздействие на полимерную матрицу (см. Praveenkumara J. et al. A comprehensive review on the effect of synthetic filler materials on fiber-reinforced hybrid polymer composites // The Journal of the Textile Institute. – 2022. – Vol. 113. – №. 7. – P. 1231-1239).

Таким образом, актуальным является разработка новых полимерных композиционных материалов на основе полимерных матриц и комплексных наполнителей, в частности сверхвысокомолекулярного полиэтилена и оксида меди с 2-меркаптобензтиазолом.

Известен нанокомпозит на основе полиэтилена (СВМПЭ) и слоистых силикатов, полученный путем обработки предварительно дегидратированного монтмориллонита (ММТ) компонентами катализатора, состоящего из соединения переходного металла VCl₄ и алюминийорганического соединения Al(i-Bu)₃, с последующей полимеризацией этилена на нанесенном катализаторе (см. RU № 2671407, кл. B82B 3/00, C08F 292/00, C08L 23/06, С08К 3/34, опубл. 31.10.2018).

Недостатком данного нанокомпозита является использование специальных соединений, получения, которых является достаточно трудоемким и длительным процессом. Также композиция обладает высоким модулем упругости, но недостаточно высокими деформационно-прочностными свойствами.

По способу получения композита к исходному СВМПЭ при интенсивном перемешивании добавляют тетрахлорметан-бензольную смесь (см. RU №2590556, кл. C08L 23/06, C08K 3/22, C09C 1/36, С08J 3/215, С08J 3/07, В82В 3/00, В82Y 30/00, С01G 23/047, опубл. 10.07.2016).

При этом известное решение предусматривает использование различных видов растворителей, что усложняет и продлевает получение композитов.

Наиболее близким техническим решением является полимерная композиция конструкционного и триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и борполимера по патенту RU № 2784206 (кл. C08L 23/06, C07F 5/04, опубл. 23.11.2022). Однако известный материал также не обладает высокими триботехническими характеристиками.

Задача, на решение которой направлено заявленное решение, заключается в разработке износостойкого композиционного материала для изготовления деталей в узлах трения, машин и других механизмов.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении прочности, износостойкости и надежности узлов, уменьшении интенсивности массового изнашивания материала.

Поставленная задача достигается за счет того, что полимерная композиция триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена марки GUR-4022 (СВМПЭ) содержит модификатор, в качестве которого используют комплексный наполнитель, включающий наноразмерный оксид меди (CuO) и 2-меркаптобензотиазол (МБТ), например, в массовых соотношениях 1:1 и 2:1, при следующем массовом содержании компонентов, мас. %, например, СВМПЭ – 99,0 и комплексный наполнитель CuO/МБТ (1:1) – 1,0; СВМПЭ – 98,0 и комплексный наполнитель CuO/МБТ (2:1) – 2,0.

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

Совокупность признаков изобретения обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, повышение надежности деталей узлов, в частности, подшипников скольжения в узлах трения, машин, механизмов и износостойких футеровок, применяемых для облицовки горно-обогатительного и горнодобывающего оборудования, износостойких изделий конструкционного назначения, работающих в режиме абразивного изнашивания в среде нефти, масел, смазок, топлива, кислот и щелочей.

Для экспериментальных работ получение композитов выполняли на основе порошка СВМПЭ марки Ticona GUR-4022 (Celanese, Китай) с молекулярной массой 5,3×10⁶ г/моль со средним размером частиц 145 мкм и плотностью 0,93 г/см³. Выбор марки GUR-4022 обусловлен на основе анализа научно-технических литературных источников и тем, что данная марка СВМПЭ является базовой для прессования. При этом в качестве наполнителей СВМПЭ использовали 2-меркаптобензотиазол (МБТ) (ГОСТ 739-74) и наноразмерный оксид меди (CuO) с чистотой не менее 99,8%, со средними размерами частиц 50 нм и удельной поверхностью 15-20 м²/г (ТУ 1791-003-36280340-2008), которые предварительно смешивали в планетарной мельнице типа Активатор-2S (Россия) при 600 об/мин в течение 10 мин, при этом получали два вида комплексного наполнителя в зависимости от соотношений CuO/МБТ - 1:1 и 2:1.

Известно, что свойства полимерных композиционных материалов на основе СВМПЭ зависят от концентрации наноразмерных наполнителей, которая находится в пределах 1-2 мас.% (см. Ushakov A.V. et al. Mechanical and tribological properties of complex-modified material based on ultra high molecular weight polyethylene and CuO // Journal of Friction and Wear. – 2014. – Vol. 35. – P. 7-11). Таким образом, для экспериментальных работ концентрация комплексных наполнителей составляла от 0,5 до 2 мас.%. В таблице 1 приведены составы и содержание наполнителей к полимерной матрице из расчета на 100 г смеси полимерного композиционного материала.

Подготовленные компоненты, а именно, порошок СВМПЭ и комплексный наполнитель, смешивали в лопастном смесителе в сухом виде со скоростью вращения перемешивающих устройств 1200 об/мин в течение 2 мин. На основе полученной смеси изготавливали композиты методом горячего прессования при температуре 175±5°С, давлении 10±0,5 МПа и выдержке 20 мин с последующим охлаждением до 80°С.

Деформационно-прочностные свойства композитов исследовали на разрывной машине AGS-J (Shimadzu, Япония) согласно ГОСТ 11262-2017 при скорости движения подвижных захватов 50 мм/мин. Модуль упругости при растяжении определяли согласно ГОСТ 9550-2014. Напряжение при сжатии при относительной деформации (х, %) исследовали согласно ГОСТ 4651-2014. Триботехнические характеристики определяли на трибомашине UMT-3 (CETR, США). Коэффициент трения определяли согласно ГОСТ 11629-2017 по схеме трения «палец - диск». Для чего, были изготовлены образцы с диаметром 10,00±0,02 мм. В качестве контртела используется стальной диск из стали 45 с твердостью 45-50 HRC, шероховатостью R_a = 0,06-0,08 мкм. При этом удельная нагрузка на образец составляет 2 МПа, линейная скорость скольжения - 0,3 м/с, продолжительность испытания 3 час. Плотность образцов измеряли методом гидростатического взвешивания согласно ГОСТ 15139-69. Твердость по Шору Д образцов измеряли твердомером TBP-D (Восток-7, Россия) согласно ГОСТ 24621-2015.

В таблице 2 приведены характеристики физико-механических и триботехнических свойств составов заявляемой полимерной композиции и прототипа. Полученные результаты исследований композитов показывают, что разработанные материалы превосходят полимерную матрицу по физико-механическим свойствам, а также по износостойкости в 2-4 раза при сохранении относительно низкого значения коэффициента трения. Так, по скорости массового изнашивания наилучшие результаты получены для композитов СВМПЭ+1 мас.% CuO/МБТ при соотношении 1:1 и СВМПЭ+2 мас.% CuO/МБТ при соотношении 2:1, что в 3,6 раз ниже чем у прототипа при сохранении низкого коэффициента трения.

Таким образом, совместная модификация СВМПЭ наполнителями, включающими 2-меркаптобензотиазол и наноразмерный оксид меди, позволяет получать полимерные композиционные материалы с повышенными деформационно-прочностными свойствами и износостойкостью без внедрения дополнительных технологических операций при переработке материала.

Таблица 1

Содержание и состав полимерных композитов

Наполнитель Массовое содержание наполнителей на 100 г (грамм) СВМПЭ + 0,5 мас.% СВМПЭ + 1 мас.% СВМПЭ + 2 мас.% Наполнители CuO/МБТ в отношении 1:1 CuO, г 0,25 0,5 1,0 МБТ, г 0,25 0,5 1,0 Наполнители CuO/МБТ в отношении 2:1 CuO, г 0,333 0,667 1,333 МБТ, г 0,167 0,333 0,667

Таблица 2

Характеристики полимерных композитов

Образец ε_рр σ_рм Е_р σ_{сд, 10%} I f H ρ Прототип СВМПЭ + 2 мас.% БП 383 43 692 26 0,11 0,38 - - Полимерная матрица Исходный СВМПЭ 339 32 550 17 0,12 0,38 - - СВМПЭ + CuO/МБТ (1:1) 0,5 мас.% 381 40 602 21 0,06 0,40 65 0,94 1 мас.% 373 39 596 22 0,03 0,38 66 0,94 2 мас.% 377 37 525 22 0,05 0,39 65 0,95 СВМПЭ + CuO/МБТ (2:1) 0,5 мас.% 385 42 598 21 0,04 0,39 66 0,93 1 мас.% 385 41 590 22 0,04 0,39 66 0,93 2 мас.% 397 42 643 23 0,03 0,40 65 0,94 ε_рр - относительное удлинение при разрыве, %; σ_рм - прочность при растяжении, МПа; Е_р- модуль упругости при растяжении, МПа; σ_{сд, 10%} - напряжение при сжатии при установленной относительной деформации 10%, МПа; I - скорость массового изнашивания, мг/ч; f - коэффициент трения; H - твердость по Шору Д, усл. ед.; ρ – плотность, г/см³.

Изобретение относится к полимерной композиции триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и может быть использовано в качестве функционального материала для изготовления подшипников скольжения, уплотнителей валов, футеровок, применяемых в машиностроении, автомобилестроении, конвейерах и в различных отраслях промышленности. Полимерная композиция триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена марки GUR-4022 (СВМПЭ) содержит модификатор, который состоит из комплексного наполнителя, состоящего из наноразмерного CuO и 2-меркаптобензотиазола в массовом соотношении 2:1, при следующем массовом содержании компонентов, мас.%: СВМПЭ 98,0, комплексный наполнитель 2,0. Технический результат изобретения заключается в разработке износостойкого композиционного материала для изготовления деталей в узлах трения, машин и других механизмов, а также в повышении прочности, износостойкости и надежности узлов, уменьшении интенсивности массового изнашивания материала. 2 табл., 8 пр.

Полимерная композиция триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена марки GUR-4022 (СВМПЭ), содержащая модификатор, отличающаяся тем, что модификатор состоит из комплексного наполнителя, состоящего из наноразмерного CuO и 2-меркаптобензотиазола в массовом соотношении 2:1, при следующем массовом содержании компонентов, мас.%:

СВМПЭ 98,0 комплексный наполнитель 2,0