ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ
POLYMER COMPOSITION

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к полимерным композициям, применяемым в качестве конструкционного материала в различных отраслях, преимущественно для изготовления предохранительных деталей резьбовых частей труб.
Из уровня техники известна полимерная литьевая композиция, содержащая модифицирующую добавку, в качестве которой используют смесь низкомолекулярного кремнийорганического соединения трис-триметилсилоксифенилсилана и полиэтилена низкой плотности, и волокнистого наполнителя, в качестве которого используют механическую смесь волокон длиной 5-7 мм на основе ароматического полиамида и стеклянного или базальтового волокна в соотношении 3:2 при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Полиамид
52-68
Трис-триметилсилоксифенилсилан
1-3
Полиэтилен низкой плотности
1-5
Механическая смесь волокон длиной 5-7 мм
из ароматического полиамида и базальтового
или стекловолокна в соотношении 3:2
30-40
(см. патент РФ №2015148, МПК C08L 77/00, С08К 13/04, дата подачи заявки 17.06.1991, опубликовано 30.06.1994, «Полимерная литьевая композиция»).
При технологической переработке и эксплуатации композиционных материалов на основе пластика, содержащего известные модифицирующую добавку и волокнистый наполнитель, неизбежно возникают внутренние напряжения, снижающие прочностные характеристики материала, а именно твердость.
Кроме того, за счет большого количества в композиции неоднородностей, возникающих как за счет разной природы вводимых в наполнитель компонентов, так и за счет образования уплотнений и рыхлых участков в структуре композита, снижается твердость и морозостойкость материала.
Наиболее близкой по своему составу к заявляемому является антифрикционная полимерная композиция, включающая смесь алифатического полиамида, содержащего волокнистый углеродный наполнитель, с полиэтиленом низкого давления, анаэробный герметик Анатерм-Iу на основе олигокарбонатакрилатов и твердую силикатную смазку, в качестве которой используют, например, тальк, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Волокнистый углеродный наполнитель
4,5-23,9
Полиэтилен низкого давления
8,0-18,0
Анаэробный герметик Анатерм-Iу
на основе олигокарбонатакрилатов
0,3-2,4
Твердая смазка (например, тальк)
2,0-4,0
Алифатический полиамид
остальное
(см. патент РФ №2114875, 6 МПК C08L 23/12, дата подачи заявки 25.04.1997, опубликовано 10.07.1998 «Антифрикционная полимерная композиция (варианты) и способ ее получения»).
Композиция обладает достаточно высокими прочностными показателями и используется в качестве конструкционного и антифрикционного материала.
Однако при использовании полимерной композиции высокие прочностные характеристики композиции реализуются неполностью, в частности, волокнистый углеродный наполнитель, присутствующий в композиции, вызывает повышенную хрупкость полимерного материала и, тем самым, снижает его твердость и прочность.
Твердая смазка, в качестве которой используют силикатный компонент, например, тальк, в количестве 2,0-4,0 мас.% не обеспечивает необходимое заполнение остаточной пористости, что не позволяет образовать прочные связи между компонентами полимерной композиции.
Кроме того, известная полимерная композиция имеет низкую ударную вязкость, что предполагает ограниченное применение композиции в изделиях, работающих при ударных нагрузках или требующих механической обработки, в частности, нарезки резьбы на специализированном оборудовании.
Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение физико-механических свойств полимерной композиции за счет повышения ее прочности, твердости, ударной вязкости и морозостойкости.
Указанный технический результат достигается тем, что известная полимерная композиция, включающая полиэтилен низкого давления, волокнистый наполнитель и силикатную смазку, согласно изобретению дополнительно содержит линейный полиэтилен высокого давления и скользящую добавку на полимерной основе Booster РО, а в качестве волокнистого наполнителя и силикатной смазки используют коротковолокнистый хризотил-асбест с длиной волокон 0,1 и 1,35 мм, взятых в соотношении 1:6, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Линейный полиэтилен высокого давления
5-20
Коротковолокнистый хризотил-асбест
15-30
Скользящая добавка на полимерной основе Booster PO
3-8
Полиэтилен низкого давления
остальное.
Исходными компонентами заявляемой полимерной композиции являются гранулы полиэтилена высокой плотности низкого давления по ГОСТ 16338-85, коротковолокнистого хризотил-асбеста по ТУ 5721-014-00281476-2007, линейного полиэтилена высокого давления по ТУ 2243-16300203335-2005 и скользящей добавки на полимерной основе Booster PO по Санитарно-эпидемиологическому заключению №78.02.03.229.0.001750.06.05 от 10.06.2005 г., действующему до 11.06.2010 г.
Заявляемая полимерная композиция, содержащая полиэтилен высокой плотности низкого давления и линейный полиэтилен высокого давления, взятые в указанных соотношениях, обеспечивает изготовленным из нее изделиям повышенные прочностные характеристики и устойчивость к низким и высоким температурам, доходящим до ±60°С, что обеспечивается за счет многочисленных длинных боковых ответвлений молекулярных цепей линейного полиэтилена, усиливающих взаимосвязи между всеми компонентами композиции и создающих более прочное соединение.
В результате полученный материал обладает рядом преимуществ, а именно повышенными физико-механическими характеристиками и эксплуатационными свойствами при низких и высоких температурах.
Введение линейного полиэтилена в заявляемую полимерную композицию способствует повышению ударной вязкости и улучшает технологическую переработку материала, не требующую узкоспециализированного оборудования.
Введение в полимерную композицию линейного полиэтилена в количестве 5-20 мас.% является оптимальным, так как в этом диапазоне обеспечиваются наилучшие прочностные показатели, увеличение его содержания повышает возможность появления трещин, а уменьшение его содержания снижает прочность, ударную вязкость и морозостойкость изготовленных из полимерной композиции изделий.
Благодаря введению в заявляемую полимерную композицию в качестве волокнистого наполнителя и силикатной смазки коротковолокнистого хризотил-асбеста с длиной волокон 0,1 мм и 1,35 мм, взятых в соотношении 1:6, и скользящей добавки на полимерной основе Booster PO, состав приобретает стабильную, защищенную от деструкции, равномерно диспергированную структуру, что также повышает твердость, ударную вязкость и морозостойкость материала.
При этом скользящая добавка на полимерной основе Booster PO состоит из олефиновых эластомеров, сополимера этилена и вторичного винилового сополимера, полиэтилена при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Олефиновые эластомеры
25-44
Сополимер этилена и
винилового сополимера
35-55
Полиэтилен
12-28
Коротковолокнистый хризотил-асбест с длиной волокон 0,1 мм и 1,35 мм, взятых в соотношении 1:6, заполняет остаточную пористость, образуя прочные связи с полиэтиленом низкого давления и линейным полиэтиленом, что повышает прочность, твердость, ударную вязкость и морозостойкость заявляемой полимерной композиции, а также обеспечивает сопротивление сдвигу и упругим деформациям.
Помимо этого хризотил-асбест предотвращает образование в заявляемой полимерной композиции уплотнений и/или рыхлых участков, что также повышает прочностные свойства материала.
Заявляемая длина волокон хризотил-асбеста и их соотношение являются оптимальными, так как обеспечивают повышение ударной вязкости за счет равномерного переплетения волокон, предотвращающего разрушение материала.
При использовании хризотил-асбеста с длиной волокон более 1,35 мм или менее 0,1 мм при соотношении, выходящем за защищаемые пределы, снижаются прочностные характеристики материала, так как в первом случае в процессе приготовления полимерной композиции при механическом перемешивании компонентов волокна хризотил-асбеста ломаются, что исключает его равномерное распределение по всему объему полимерной композиции, а во втором случае при использовании хризотил-асбеста с длиной волокон менее 0,1 мм не обеспечивается необходимое заполнение остаточной пористости, что исключает образование устойчивой взаимосвязи с компонентами полимерной композиции.
В Таблице 1 приведены показатели физико-механических свойств заявляемой полимерной композиции в зависимости от длины волокон коротковолокнистого хризотил-асбеста.
Таблица 1
№ п/п
Наименование показателя
Длина волокон коротковолокнистого хризотил-асбеста, мм
менее 0,1
более 1,35
0,1 и 1,35 при соотношении 1:6
1.
Показатель текучести расплава, г/10 мин при 190°С, нагрузка 49.05 Н
1,60
0,95
1,33
2.
Предел текучести при растяжении, МПа
30,4
34,6
32,1
3.
Твердость при вдавливании шарика, МПа
40,0
65,3
32,1
4.
Модуль упругости, МПа
520
722
693
5.
Ударная вязкость на приборе Динстат (с надрезом), кДж/м<sup>2</sup>
11
9,1
9,5
Из Таблицы 1 следует, что при введении в состав заявляемой полимерной композиции коротковолокнистого наполнителя с длиной волокон менее 0,1 мм, ухудшаются физико-механические свойства полимерной композиции, а при длине волокон коротковолокнистого наполнителя более 1,35 мм резко ухудшается технологическая переработка материала, о чем свидетельствует показатель текучести расплава. Наилучшими показателями обладает полимерная композиция, в которой использован коротковолокнистый наполнитель хризотил-асбест с длиной волокон 0,1 мм и 1,35 мм, взятых в соотношении 1:6.
Заявленное соотношение, равное 1:6, для длин волокон коротковолокнистого наполнителя 0,1 мм и 1,35 мм, позволяет минимизировать образование анизотропной среды и является оптимальным для данного состава, так как использование волокон длиной 1,35 мм защищает состав от деструкции, придавая ему улучшенные прочностные свойства, а использование волокон длиной 0,1 мм (так называемая «пыль»), способствует образованию равномерной диспергированной среды, обеспечивает максимальное наполнение состава, предотвращает образование уплотнений и/или рыхлых участков, что также повышает прочностные свойства материала (см. Наполнители, http:/www.xumuk.ru/encyklopedia/2/2750.html).
Зависимость физико-механических свойств полимерной композиции от различного соотношения длин волокон 0,1 мм и 1,35 мм коротковолокнистого хризотил-асбеста приведены в Таблице 2.
Таблица 2
№ п/п
Наименование показателя
Соотношение длин волокон 0,1 и 1,35 мм коротковолокнистого хризотил-асбеста
1:1
1:10
1:6
1.
Показатель текучести расплава, г/10 мин при 190°С, нагрузка 49.05 Н
1,42
1,15
1,33
2.
Предел текучести при растяжении, МПа
31,4
33,7
32,1
3.
Твердость при вдавливании шарика, МПа
50,2
63,8
60,0
4.
Модуль упругости, МПа
618
701
693
5.
Ударная вязкость на приборе Динстат (с надрезом), кДж/м<sup>2</sup>
10,3
9,0
9,5
Как следует из Таблицы 2, при соотношении длин волокон 0,1 мм и 1,35 мм коротковолокнистого хризотил-асбеста, меньшем, чем заявленное, а именно, 1:1, ухудшаются физико-механические свойства полимерной композиции, а при соотношении длин волокон 0,1 мм и 1,35 мм коротковолокнистого хризотил-асбеста, большем, чем заявленное, а именно, 1:10, ухудшается технологическая переработка материала, о чем свидетельствует показатель текучести расплава.
Введение в полимерную композицию коротковолокнистого хризотил-асбеста в количестве 15-30 мас.% является оптимальным, так как в этом диапазоне обеспечиваются наилучшие прочностные показатели, в том числе, повышенная ударная вязкость, которая является одним из главных физико-механических показателей для конструкционных материалов.
Увеличение содержания хризотил-асбеста в заявляемом составе приводит к повышению хрупкости изделий даже при незначительных пластических деформациях, а уменьшение его содержания снижает твердость и, следовательно, прочность, и морозостойкость изготовленных из полимерной композиции изделий.
Скользящая добавка на полимерной основе Booster PO, вводимая в заявляемую полимерную композицию, обеспечивает равномерное распределение компонентов в композиции, приводя к увеличению поверхности контакта и усилению связывающих свойств между ними. Скользящая добавка, обволакивая гранулы компонентов, входящих в заявляемый состав, равномерно распределяется во всем объеме композиции, что позволяет получить состав, свободный от внутренних напряжений.
Изделия, выполненные из заявляемой полимерной композиции, благодаря свойству скользящей добавки Booster PO равномерно распределяться в объеме, более эластичны, что также предопределяет повышение прочностных характеристик за счет сохранения структуры материала без разрушения при значительных упругих деформациях.
Скользящая добавка Booster PO, введенная в полимерную композицию в количестве 3-8 масс.%, сохраняет и поддерживает состав в стабильном состоянии не только при технологической переработке, но и в процессе эксплуатации, предотвращая старение и разрушение полимеров.
При введении скользящей добавки Booster PO в количестве более 8 мас.% равномерность ее распределения в объеме композиции нарушается, а при введении добавки в количестве менее 3 мас.% исчезает эффект стабилизации состава.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности как «новизна».
Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности как «изобретательский уровень».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного применения состава полимерной композиции.
В лабораторных условиях осуществлялось изготовление опытных образцов изделий из заявляемой полимерной композиции путем механического перемешивания гранул исходных компонентов в заданном соотношении, засыпки полученных смесей в бункер литьевой машины и последующей переработке в плавильном бункере при температуре 220°С.
Для изготовления опытных образцов применялись составы полимерных композиций, содержание компонентов которых находится в защищаемых пределах.
Составы полимерных композиций приведены в Таблице 3.
Таблица 3
№ состава
Компоненты, масс.%
Линейный полиэтилен высокого давления
Коротковолокнистый хризотил-асбест с длиной волокон 0,1 мм и 1,35 мм, взятых в соотношении 1:6
Скользящая добавка на полимерной основе Booster РО
Полиэтилен низкого давления
1
2
3
4
5
1
20
15
8
57
2
10
30
3
57
3
10
20
5
65
4
5
30
5
60
Полученные опытные образцы подвергались механическим испытаниям на прочность, твердость и ударную вязкость в соответствии с ГОСТ 16338-85 и морозостойкость (испытаниям на срыв с помощью испытательной машины «ИНСТРОН-1196» при температуре ±60°С) в соответствии с международным стандартом API 5 СТ/ISO 11960 (8 редакция), в частности, СТО 73639141-001-2006, п.2.9.
Результаты механических испытаний опытных образцов и испытаний на морозостойкость представлены в Таблице 4.
Таблица 4
№ п/п
Наименование показателя
Составы (см. Таблицу 3)
1
2
3
4
1
2
3
4
5
6
1
Показатель текучести расплава, г/10 мин, при t=190°С, нагрузке = 9,05 Н
1,34
1,28
1,33
1,50
2
Предел текучести при растяжении, МПа
32,1
33,5
32,1
36,0
3
Твердость при вдавливании шарика, МПа
53,1
54,7
60,0
64,7
4
Модуль упругости, МПа
575
632
693
725
5
Ударная вязкость по Шарпи (без надреза), кДж/м<sup>2</sup>
не разрушается
не разрушается
не разрушается
не разрушается
6
Ударная вязкость на приборе Динстат (с надрезом), кДж/м<sup>2</sup>
10,4
10,1
9,5
8,6
7
Морозостойкость (испытания на срыв при температуре -60°С)
не разрушаются
не разрушаются
не разрушаются
не разрушаются
8
Морозостойкость (испытания на срыв при температуре +60°С)
не разрушаются
не разрушаются
не разрушаются
не разрушаются
Из Таблицы 4 следует, что полимерная композиция, компоненты которой лежат в защищаемых пределах, обладает повышенными прочностными показателями, а именно показателем текучести расплава и пределом текучести при растяжении, а также повышенной твердостью, модулем упругости и ударной вязкостью по сравнению с аналогичными показателями, соответствующими действующему ГОСТ 16338-85.
Полимерная композиция, содержащая линейный полиэтилен высокого давления, коротковолокнистый хризотил-асбест с длиной волокон 0,1 мм и 1,35 мм, взятые в соотношении 1:6, скользящую добавку на полимерной основе Booster PO и полиэтилен низкого давления в заявляемых соотношениях способствует улучшению физико-механических свойств композиционного материала, а именно повышает его прочность, ударную вязкость и морозоустойчивость, и позволяет использовать ее в виде конструкционного материала для изготовления предохранительных деталей резьбовых частей обсадных и насосно-компрессорных труб.