Полимерный материал триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена, механоактивированных каолина и шпинеля магния
POLYMER TRIBOTECHNICAL MATERIAL BASED ON POLYTETRAFLUOROETHYLENE, MECHANICALLY ACTIVATED KAOLIN AND MAGNESIUM SPINEL

Полимерный материал триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена, механоактивированных каолина и шпинеля магния
Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно, к разработке полимерных композитов триботехнического назначения с улучшенными свойствами по износостойкости, которые могут быть использованы для изготовления подшипников скольжения и других элементов узлов трения, эксплуатируемых в условиях средних нагрузок и скоростей скольжения.
Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцевых уплотнений и других элементов узлов трения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и неорганических наполнителей различной химической природы (см. Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторопластов. - М.: Наука, 1987. - 147 с.).
Кроме того, известна полимерная композиция конструкционного назначения на основе ПТФЭ (см. Берладир К.В., Будник А.Ф., Свидерский В.А., Будник О.А., Руденко П.В. Влияние геомодификатора на структуру и свойства механически активированного политетрафторэтилена // Журнал инженерных наук. – 2015. – Т. 2, № 1. – С. F1-F5), содержащая каолин в количестве от 2 до 6 мас.%.
Известный материал характеризуется недостаточной износостойкостью, прочностью и, соответственно, малым ресурсом работы в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения.
Полимерная композиция конструкционного назначения на основе ПТФЭ и природных алмазных наполнителей по патенту RU №2177963 (кл. C08J 5/16, С08L 27/16, С08К 9/00, опубл. 10.01.2002) содержит в качестве наполнителя природный алмазный порошок, добавляемый в количестве от 0,1 до 2,0 мас.%. Природный алмазный порошок, представляющий собой смесь высокодисперсных алмазов со средним размером частиц менее 40 мкм, полученный из отходов алмазного сырья после переработки, инертен к полимерной цепи и не может способствовать эффективному совмещению. В результате, композиция имеет недостаточную износостойкость, небольшой ресурс работы в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является антифрикционный полимерный композиционный материал, включающий ПТФЭ в количестве 98,0-99,0 мас. % и шпинель магния в количестве 1,0-2,0 мас.% (см. RU №2281960, кл. C08J 5/16, C08L 27/18, C08K 3/22, опубл. 20.08.2006).
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение износостойкости композиционного материала на основе ПТФЭ при сохранении деформационно-прочностных свойств на уровне ненаполненного ПТФЭ.
Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в расширении ассортимента полимерных композиционных материалов триботехнического назначения на основе ПТФЭ за счет повышения износостойкости деталей, уменьшении интенсивности массового изнашивания материала.
Для решения поставленной задачи полимерный композиционный материал триботехнического назначения на основе ПТФЭ, содержащий наполнитель, отличается тем, что в качестве наполнителей содержит механоактивированный каолин, механоактивированный шпинель магния, при этом соотношение компонентов составляет, мас.%: механоактивированный каолин – 0,8-1,8; механоактивированный шпинель магния – 0,1-0,5; ПТФЭ – остальное.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают улучшение износостойкости полимерного композиционного материала при сохранении деформационно-прочностных показателей на уровне ненаполненного ПТФЭ.
Основным критерием при выборе наполнителя является его способность выдержать температурный режим переработки (365-375°С). В общем случае, к наполнителям предъявляются следующие требования: термическая и химическая стабильность при температуре переработки фторопластов, стойкость к атмосферной коррозии, химическая стойкость, высокая теплопроводность.
Одним из перспективных направлений создания полимерных композитов является использование в качестве наполнителей минеральных слоистых силикатов или так называемых глинистых минералов. Во-первых, получаемые из них частицы однородны по размерам и имеют хлопьевидную форму, что может способствовать повышению механических свойств нанокомпозитов, а во-вторых, благодаря слоистой структуре глинистых минералов возможна интеркаляция полимерных цепей в межслоевые пространства и создание нанокомпозитов, и в-третьих, исходный материал является достаточно легкодоступным. В результате их смешения с полимерами размер полученных частиц может достичь толщины около 1 нм и диаметра от 250 до 1000 нм. Благодаря нанометровому размеру частиц, достигаемому диспергированием, нанокомпозиты на основе слоистых силикатов проявляют значительно улучшенные механические, термические и физико-химические свойства по сравнению с чистым полимером или традиционным наполненным полимером при небольшом содержании наполнителя. Улучшения в свойствах могут включать, например, увеличение модуля упругости, прочности, теплоустойчивости, уменьшение газопроницаемости и воспламеняемости (см. Герасин В.А., Зубова Т.А., Бахов Ф.Н. Структура нанокомпозитов полимер/Na+-монтмориллонит, полученных смешением в расплаве // Российские нанотехнологии. – Т.2. - №1-2. – 2007. - С. 90-105).
Известно, что введение в ПТФЭ наношпинеля магния позволяет повысить износостойкость полимерных композиционных материалов (ПКМ) в 25-350 раз при некотором снижении прочностных характеристик (см. Охлопкова А.А., Петрова П.Н., Гоголева О.В., Бельков И.А. Шаринов Н.И. Антифрикционные композиты на основе смесей фторопластов // Мат. 7-й Всероссийской конф. «Химия фтора».- Москва, 2006. – С. 8-12).
Каолин является один из основных дисперсных наполнителей, применяемых в производстве полимерно-композиционных материалов, применяется для увеличения прочности ПКМ (см. Барань Ш. и др. Кинетика и механизм флокуляции суспензий бентонита и каолина полиэлектролитами и прочность образующихся флокул //Коллоидный журнал. – 2009. – Т. 71. – №. 3. – С. 291-298).
Установлено, что при совместном (комплексном) применении данных наполнителей в ПТФЭ достигается улучшение износостойкости при сохранении деформационно-прочностных показателей, обусловленных тем, что механоактивированный шпинель магния и механоактивированный каолин в заявленных пределах обладают дополнительным структурирующим действием на полимерную матрицу.
Таким образом, в заявляемом техническом решении комплексный наполнитель включает механоактивированные каолин и шпинель магния.
3
Политетрафторэтилен (фторопласт-4) – промышленный продукт марки ПН, получаемый в соответствии с ГОСТ 10007-80, характеризуется средним размером частиц 46-135 мкм, степенью кристалличности до спекания 95-98 %, после спекания 50-70 % и плотностью 2170-2190 кг/м, температурой плавления 327°С.
2
4
Наполнитель шпинель магния представляет собой двойной оксид с общей химической формулой: MgAlO.
2
3
2
2
Минеральный наполнитель каолин представляет собой крупные пластинчатые кристаллы белого цвета, химический состав отвечает приблизительной формуле AlO·2SiO·2HO. Каолин имеет структуру, состоящую из одного слоя октаэдров и одного слоя тетраэдров. Слои прочно связаны между собой и плотно прилегают друг к другу, в результате чего, молекулы воды и катионы металлов не могут входить в межслойное пространство и минерал не набухает в воде, а также обладает низкой емкостью катионного обмена.
При использовании наполнители шпинель магния и каолин подвергаются предварительной механической активации в течение 2 мин на планетарной мельнице типа «Активатор-2S». При этом достигается механическая активация дисперсных наполнителей, повышающая структурную активность и усреднение дисперсного состава.
Получение композиционного материала осуществляют известными способами.
-3
Смешивание компонентов полимерного композиционного материала проводится в лопастном смесителе со скоростью вращения лопастей 3000 об/мин до получения однородной массы. Образцы после смешивания и просеивания монолитизируют по технологии холодного прессования в пресс-форме при давлении 50 МПа с последующим свободным спеканием при температуре 370±5°С (время выдержки из расчета 0,3 часа на 10м толщины образца). Полученные изделия охлаждают в печи до 200°С со скоростью 0,03°С/сек с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры.
Пример. 53,900 г политетрафторэтилена, 0,825 г каолина, 0,275 г шпинели магния смешивают в лопастном смесителе до получения однородной массы. Затем композицию помещают в пресс-форму и проводят прессование изделия при удельном давлении 50 МПа. Спекание проводят в электрической печи при температуре 370±5°С. Охлаждение спеченных изделий проводили непосредственно в печи.
Другие примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице.
Деформационно-прочностные свойства заявляемого триботехнического материала определяли на стандартных образцах по ГОСТ 11262-80. Для этого испытания проводили на универсальной испытательной машине «AUTOGRAF» («Shimadzu AGS-J», Япония) при скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин.
Массовый износ и коэффициент трения определяли на машине трения UMT-3 (CETR, США) по схеме трения «палец – диск», согласно ГОСТ 11629-75. Исследуемый образец – палец диаметром 10±0,5 мм, высотой 21±1 мм, контртело – стальной диск из стали марки 45 с твердостью 45-50 HRS, шероховатость R=0,06–0,08 мкм. Удельная нагрузка – 2 МПа, линейная скорость скольжения – 0,2 м/с. Время испытания 4 часа.
Результаты испытаний представлены в таблице.
При этом отмечается, что оптимальное суммарное содержание наполнителей составляет 1-2 мас.%, превышение которых может привести к ухудшению прочностных свойств вследствие агломерации наполнителей и формирования дефектной структуры.
Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволит увеличить износостойкость до 500 раз, по сравнению с ненаполненным ПТФЭ, при сохранении деформационно-прочностных характеристик относительно ненаполненного ПТФЭ. Применение полимерного материала триботехнического назначения заявляемого состава позволит повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования.
Таблица
Характеристики ПКМ, наполненных комплексным наполнителем
№№п/п
Состав
Содержание компонен-тов, мас.%
Относительное удлинение при разрыве ε<sub>р</sub>, %
Прочность на разрыв σ<sub>р</sub>, МПа
Интенсивность изнашивания I×10<sup>-3</sup>, г/ч
Коэфф. трения f
1.
ПТФЭ
100
320
20
65,61
0,22
2.
ПТФЭ+К+ШМ
990,80,2
347
20,5
0,15
0,23
3.
ПТФЭ+К+ШМ
990,90,1
316
19,7
0,31
0,24
4.
ПТФЭ+К+ШМ
981,50,5
373
20,9
0,13
0,24
5.
ПТФЭ +К+ШМ
981,80,2
378
20,7
0,18
0,22
6.
ПТФЭ +К+ШМ
9541
332
15,8
0,15
0,27
7.
ПТФЭ +К+ШМ
954,50,5
395
15,6
0,13
0,27
8.
ПТФЭ +К+ШМ
954,80,2
440
14,1
0,09
0,23
9.
ПТФЭ+ШМ(прототип)
97,52,5
290-300
18-20
0,5-2
-
Прим.: ПТФЭ – политетрафторэтилен, ШМ – шпинель магния, К – каолин.