ПОЛИМЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ С УЛУЧШЕННЫМИ ПРОЧНОСТНЫМИ СВОЙСТВАМИ
POLYMER MATERIAL WITH IMPROVED STRENGTH PROPERTIES

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, к получению полимерного материала с улучшенными прочностными свойствами на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с использованием ультразвука. Материал может применяться для изготовления различных деталей узлов трения машин и механизмов, для футеровки поверхностей оборудования, а также для производства искусственных катков.
Уровень техники
К большинству современных конструкционных материалов на основе полимерных матриц предъявляют требования по прочности. В ряду современных полимерных материалов особое место занимает сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), который благодаря высоким значениям молекулярной массы (до 10 млн г/моль) обладает рядом достоинств, в том числе хорошими антифрикционными характеристиками, химической инертностью и морозостойкостью. Однако этот полимер обладает рядом недостатков, таких как низкие значения модуля упругости, невысокая твердость, способность легко деформироваться под действием нагрузок, что ограничивает возможность его применения в нагруженных конструкциях, каковыми являются подшипники скольжения в подвижных узлах трения машин и механизмов (1. Максимкин А.В., Калошкин С.Д., Чердынцев В.В., Сенатов Ф.С., Данилов В.Д. Структура и свойства наполненного дисперсным гидроксиапатитом сверхвысокомолекулярного полиэтилена // Материаловедение. - 2011. - №11. - С. 13-21).
Одним из путей повышения механических характеристик полимера является его дисперсное упрочнение (2. Maksimkin A.V., Kaloshkin S.D., Kaloshkina M.S., Gorshenkov M.V., Tcherdyntsev V.V., Ergin K.S., Shchetinin I.V. Ultra-high molecular weight polyethylene reinforced with multi-walled carbon nanotubes: Fabrication method and properties // Journal of Alloys and Compounds. - 2012. V. 536. - P. 538-S540). Известна антифрикционная полимерная композиция (3. Охлопкова А.А., Шиц Е.Ю., Гоголева О.В. Антифрикционная полимерная композиция. Патент РФ №2296139, опубл. 27.03.2007, бюл. №9), содержащая высокомолекулярный полиэтилен, а в качестве неорганического наполнителя - синтетическую шпинель кобальта (или меди), активированную в планетарной мельнице в течение 1-2 мин, при соотношении, мас. %: синтетическая шпинель кобальта (или меди) 2%; высокомолекулярный полиэтилен - остальное.
Однако использование дисперсных наполнителей не всегда позволяет добиваться необходимого улучшения физико-механических свойств получаемых композитов.
Фактором, улучшающим физико-механические свойства сверхвысокомолекулярного полиэтилена, как показали исследования, может являться ультразвук. Использование ультразвука в технологических процессах для улучшения свойств тех или иных материалов известно давно. Ультразвуковые колебания позволяют интенсифицировать многие процессы, происходящие на границе контакта материалов (сварку полимерных материалов, склеивание), ускоряя технологические процессы и повышая качество получаемых изделий.
Так, известно изобретение (4. Амиров P.P., Неклюдов С.А., Амирова Л.М. Способ получения композиций на основе углеродных нанотрубок и полиолефинов. Патент РФ №2490204, опубл. 19.12.2011), в котором достижение технического результата заключается в диспергировании углеродных нанотрубок путем ультразвуковой обработки: углеродных нанотрубок в течение 0,5-1 ч. Углеродные нанотрубки механически растирают в воде с добавлением водорастворимого полимера с концентрацией 0,01-0,1 мас. %, после чего полученную суспензию диспергируют ультразвуком в течение 30 мин при максимальной температуре среды не выше 70°С с последующим нанесением ее на поверхность гранул полиолефина и сушкой полученных гранул нанокомпозита, содержащих до 0,5 мас. % углеродных трубок. При этом полученные нанокомпозитные материалы обладают высокой объемной и поверхностной электропроводностью, теплопроводностью и высокой жесткостью при одновременном увеличении модуля упругости при растяжении до 50% и предела прочности на разрыв до 30%. Несмотря на полученные результаты, недостатками данного способа являются сложность и многостадийность получения нанокомпозитов, заключающиеся в необходимости проведения дополнительных операций, таких как предварительная механическая обработка углеродных нанотрубок (УН) в жидкой среде, затем их ультразвуковое диспергирование с последующим нанесением суспензии УН на поверхность полимерных гранул, далее следует операция сушки гранул.
Известен способ получения металл-полимерной композиции на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, содержащей в объеме и на поверхности равномерно распределенные частицы нанометрового размера от 1 до 50 нм с концентрацией до 62 мас. %, которые могут быть химически связаны с СВМПЭ. Используемые наночастицы различного состава - это Ва, Са, Al, Bi, Cd, Ce, Bi, Fe, Со, Ni, Μn, Cr, Re, Pd, Pt, Au, Mo, редкоземельные металлы, их окислы или комбинации указанных металлов или окислов, а также их соединения с углеродом, азотом, кремнием, бором и многое другое (5. Юрков Г.Ю., Фионов А.С, Колесов В.М., Бузник В.М., Кирюхин Д.П., Таратанов Н.А., Бирюкова М.И. Способ получения металл-полимерного композитного материала для радиотехнической аппаратуры. Патент РФ №2506224, опубл. 10.02.2014). Способ включает высокоскоростное термическое разложение металлсодержащих соединений с образованием наночастиц в растворе-расплаве полимера в высококипящей органической жидкости или дисперсии полимера над поверхностью нагретой органической жидкости. В процессе синтеза наночастиц на реакционную смесь дополнительно воздействуют ультразвуковыми колебаниями частотой от 16 кГц до 100 МГц и мощностью до 400 Вт. Изобретение позволяет упростить технологию получения металл-полимерных композиционных материалов, которые имеют равномерное распределение наночастиц в полимерной матрице и/или на ее поверхности. При этом металл-полимерный композиционный материал обладает повышенной термостойкостью по сравнению с исходным полимером и предназначен для применения в радиотехнической аппаратуре в качестве радиопоглощающих и экранирующих материалов. Прочностные свойства композиции в данной работе не изучались. Таким образом, в данном способе получения металл-полимерной композиции на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена ультразвук использовали в процессе синтеза наночастиц металлов, служащих в качестве наполнителя СВМПЭ.
5
5
Известно изобретение (6. Fridman M.L., Peskovskiy S.L., Tukacinskiy A.J. und s.w. Ferfaren zur Herstellung von Erzeugnissen auf der Basis von Poliyatylen. DE 3617903 A), которое относится к способу изготовления изделий на основе полиэтилена (труб, термостойких лент и пленок, изоляции электрических кабелей) и заключается в модифицировании линейного полиэтилена в процессе экструзии для придания ему сшитой структуры путем прививки к полиэтилену групп силанольных соединений, в данном случае винилтриэтоксисилана, и последующей обработки материала водой с образованием силаксановых связей в присутствии активатора прививки (катализатор сшивки - органический пероксид). На стадии обработки водой используется ультразвуковое воздействие в условиях кавитации, при этом энергия ультразвуковой обработки составляет от 10до 7,2×10. Использование ультразвука в водной среде в условиях кавитации повышает степень сшивки полимера, при этом снижается или исключается даже содержание органического пероксида, который является дорогостоящим и взрывоопасным, тем самым помимо удешевления повышается безопасность процесса получения сшитого полиэтилена. Однако данное изобретение относится к получению сшитого полиэтилена.
Известно изобретение, в котором для достижения технического результата используется ультразвук (6. Петрова П.Н., Федоров А.Л., Исакова Т.А., Егоров В.В. Использование энергии ультразвука для повышения механических и триботехнических свойств композитов на основе политетрафторэтилена // Научный журнал КубГАУ. - Кубань, 2011, №70 (6). http://ej.kubagro.ru). В данной работе показано, что наложение ультразвуковых колебаний на порошковую композицию на основе смесей фторполимеров в течение 20 мин обеспечивает повышение деформационно-прочностных характеристик полимерного композиционного материала (ПКМ). Также для повышения износостойкости композитов смесь фторполимеров, подвергнутых ультразвуковому воздействию, дополнительно модифицировали цеолитом, обработанным также ультразвуком в среде поверхностно-активного вещества (ПАВ). Таким образом, в данной работе ультразвук использован для получения многокомпонентного полимерного материала на основе политетрафторэтилена, Ф-4НТД-2 и цеолитов, что значительно усложняет технологический процесс получения композитов.
Для предлагаемого материала, к сожалению, аналога подобрать не удалось, и поэтому сравнение прочностных свойств предлагаемого композиционного материала производится с исходным сверхвысокомолекулярным полиэтиленом.
Задачей изобретения является упрощение технологии получения и улучшение прочностных свойств материала на основе СВМПЭ, предназначенного для изготовления различных деталей узлов трения, путем воздействия ультразвуком на порошок СВМПЭ до стадии горячего прессования.
Технический результат заключается в получении полимерного материала с улучшенными прочностными свойствами на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Достигается указанный технический результат за счет использования СВМПЭ марки GUR 4120 производства Ticona Gmbh с молекулярной массой 5 млн г/моль, имеющего средний размер частиц 100 мкм. При этом СВМПЭ в исходном виде (в виде порошка) подвергается активации, а именно воздействию ультразвуковыми колебаниями с частотой 35 кГц и мощностью 240 Вт в течение 10, 20, 25, 30, 40, 60 минут для получения однородного порошка со средними размерами частиц порядка 50 мкм.
Осуществление изобретения
Дисперсный СВМПЭ марки GUR 4120 производства Ticona Gmbh представляет собой порошок с молекулярной массой 5 млн г/моль со средним размером частиц 100 мкм.
Дисперсный СВМПЭ марки GUR 4120 производства Ticona Gmbh сушили в течение 2 ч при 60-80°С в термошкафу СНОЛ-5325, затем измельчали на режущей мельнице Fritsch, фракционировали с помощью сита №1К для получения однородного порошка со средними размерами частиц порядка 50 мкм. После этого порошок СВМПЭ помещали в сосуд, пропускающий ультразвуковые колебания, и подвергали ультразвуковому воздействию с частотой 35 кГц и мощностью 240 Вт в ультразвуковой ванне «Лаборетте 17», наполненной водой.
Полученный порошок представляет собой исходный материал, из которого прессуют образцы для испытания. Образцы получали горячим прессованием при давлении 10 МПа и температуре 180°С.
Таким образом, порошковый материал из СВМПЭ подвергали ультразвуковому воздействию в сухом виде в течение 10, 20, 25, 30, 40, 60 минут. В табл. 1 приведены результаты испытаний.
Использовались следующие методики определения свойств получаемого материала: Относительное удлинение при разрыве и прочность при растяжении, модуль упругости определяли по ГОСТ 11262-80 на испытательной машине «AGS-J» Shumadzu при комнатной температуре и скорости перемещения подвижных захватов 50 мм/мин на лопатках (количество образцов на одно испытание - 5).
Пример. 100,0 г дисперсного СВМПЭ сушили в термошкафу СНОЛ-5325 в течение 2 ч при 60-80°С, измельчали на режущей мельнице Fritsch, фракционировали с помощью сита №1К для получения однородного порошка со средними размерами частиц порядка 50 мкм. После этого порошок СВМПЭ помещали в сосуд, пропускающий ультразвуковые колебания, и подвергали ультразвуковому воздействию с частотой 35 кГц и мощностью 240 Вт в течение 10, 20, 30, 40, 50, 60 мин в ультразвуковой ванне «Лаборетте 17», наполненной водой. Затем из этого порошка СВМПЭ получали образцы методом горячего прессования при давлении 10 МПа и температуре 180°С.
При этом технология получения предлагаемого полимерного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена марки GUR 4120 с использованием ультразвука позволяет получить материалы с улучшенным комплексом прочностных свойств без использования наполнителей и усложнения технологического процесса.
Таким образом, при 40-минутном воздействии ультразвуком прочность при растяжении ПКМ повысилась в 1,5 раза, модуль упругости при разрыве увеличился на 17% (табл. 1) при сохранении значения относительного удлинения при разрыве на уровне исходного полимера. При этом исключается процесс подготовки наполнителя, включающий в себя сушку, просеивание, диспергирование, активацию, а также процесс смешения наполнителя с полимером. Таким образом, процесс получения полимерного материала из СВМПЭ наоборот упрощается при улучшении его прочностных свойств.