ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
TRIBOTECHNICAL POLYMER COMPOSITION

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к созданию полимерных материалов триботехнического назначения, которые могут быть использованы для изготовления уплотнительных элементов пар вращательного и возвратно-поступательного движения и узлов трения.
Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцовых уплотнений и других элементов узлов трения на основе политетрафторэтилена и неорганических наполнителей различной химической природы [Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторопластов. - М: Наука, 1987. - 147 с.]. Материалы известны как самосмазывающиеся антифрикционные с малым коэффициентом трения, но имеют низкие деформационно-прочностные характеристики, обладают повышенной жесткостью, что снижает ресурс их работы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является антифрикционная полимерная композиция, содержащая политетрафторэтилен (ПТФЭ) (98-99 мас.%) и в качестве неорганического наполнителя - синтетическую шпинель магния (1,0-2,0 мас.%), (прототип) [Патент РФ 2281960 C1; C08J 5/16, C08L 27/18, С08К 3/22. Антифрикционная полимерная композиция / Охлопкова А.А., Попов С.Н., Слепцова С.А., Аввакумов Е.Г., Винокурова О.Б, Гусев А.А. Заявл. 21.03.2005; Опубл. 20.08.2006; Бюл. №23]. Обладая хорошими физико-механическими характеристиками, материал имеет высокий массовый износ.
Технической задачей изобретения является повышение износостойкости композиционного материала при улучшении деформационно-прочностных характеристик.
2
4
Достижение положительного эффекта достигается введением в композиционный материал на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и синтетической шпинели магния (MgAlO) фторопласта-4 МБ при следующем соотношении компонентов, мас.%:
ПТФЭ - 93,0-97,0;
2
4
MgAlO - 1,0-2,0;
Ф-4 МБ - 2,0-5,0.
3
ПТФЭ (фторопласт-4) - промышленный продукт ГОСТ 10007-80, представляющий собой белый рыхлый порошок со степенью кристалличности до спекания 95-98%, после спекания 50-70%, плотностью 2,17-2,19 г/см, температурой плавления 327°С.
2
4
2
MgAlO - шпинель магния - продукт, полученный путем механохимического синтеза в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН (г.Новосибирск). Физические параметры шпинели магния: размеры частиц - 80 нм; удельная поверхность - 170-200 м/г [Патент РФ 2078037 C1, C01B 33/20, 33/26. Способ получения алюмосиликата щелочноземельного металла /Аввакумов Е.Г., Девяткина Е.Т.. Косова Н.В., Ляхов Н.З. - №93029074/25; Заявл. 31.05.1993; Опубл. 27.04.1997; Бюл. №12].
3
3
Полимер Ф-4 МБ представляет собой сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом (ТФЭ-ГФП), содержащий боковые группы CF, с температурой плавления кристаллитов 270-290°С и плотностью 2,14-2,17 г/см, имеет высокую химическую стойкость, атмосферостойкость, высокие прочностные характеристики, низкий коэффициент трения (ТУ 301-05-73-90).
Для получения композиции в ПТФЭ вводили фторопласт-4 МБ и синтетическую шпинель магния. Введение шпинели магния в композицию ПТФЭ+Ф-4 МБ привело к образованию более плотной упорядоченной структуры и, как следствие, к повышению триботехнических характеристик материала (табл.1). Структурообразующие свойства частиц шпинели магния зарегистрированы методами электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа.
Для получения композиционного материала в ПТФЭ вводили полимер Ф-4 МБ и шпинель магния, помещая расчетную массу полимеров и наполнителя в высокооборотный смеситель и смешивая до получения однородной массы. Затем из композиции путем холодного прессования делали заготовки требуемой формы и спекали в электрической печи при температуре 370±5°С.
Введение в ПТФЭ фторопласта Ф-4 МБ и синтетической шпинели магния позволяет получить композиционный материал, обладающий высокой износостойкостью и повышенными деформационно-прочностными показателями.
2
4
Пример. 94 г ПТФЭ, 5 г Ф-4 МБ и 1 г MgAlO смешивали в лопастном смесителе до получения однородной массы. После смешения композицию сушили в термошкафу при температуре 100-120°С в течение 1 ч. Затем композицию помещали в холодную пресс-форму и прессовали изделие при удельном давлении 50 МПа. Спекание изделий проводили в электрической печи при температуре 370±5°С (время выдержки 0,3 ч на
-3
10 м толщины образца). Полученные изделия охлаждали в печи до 200°С со скоростью 0,03% с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры. Охлаждение спеченных изделий проводили непосредственно в печи.
За пределами заявляемого соотношения компонентов физико-механические свойства композиции ухудшаются.
Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в табл.1.
Методики определения свойств композита
Физико-механические свойства заявляемой полимерной композиции триботехнического назначения определены на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Испытания проводили на испытательной машине "UTS-2" (Германия) при комнатной температуре и скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин на лопатках (количество образцов на одно испытание - 10).
Массовый износ и коэффициент трения определяли на машине трения СМЦ-2 согласно ГОСТ 11629, схема «вал-втулка» (образец - втулка с внешним и внутренним диаметром 34 и 26 мм, соответственно высотой 22 мм, контртело - стальной вал из стали 45 с твердостью 45-50 HRC и шероховатостью 0,06-0,07 мкм, нагрузка - 67 Н, скорость скольжения - 0,39 м/с).
Технико-экономическая эффективность
2
4
Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет значительно снизить массовый износ в 370 раз по сравнению с ПТФЭ, в 15 раз по сравнению с прототипом при сохранении, а при некоторых соотношениях компонентов и улучшении значений относительного удлинения при разрыве в 1,3-1,5 раза по сравнению с прототипом. Оптимальное содержание наполнителей: фторопласт-4 МБ - 2,0-5,0 мас.%, MgAlO - 1-2 мас.%.
Применение полимерной композиции заявляемого состава позволит значительно повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования и расширить их область применения.
Таблица примеров
№
Состав
Содержание компонентов масс.%
Физико-механические характеристики
Массовый износ, мг
Предел прочности при разрыве, σ<sub>р</sub>, МПа
Относительное удлинение при разрыве, ε<sub>p</sub>, %
1
ПТФЭ
-
20-22
300-320
370-375
2
ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl<sub>2</sub>O<sub>4</sub>
98
20-21
300-310
25-27
1
1
3
ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl<sub>2</sub>O<sub>4</sub>
98,5
20-21
310-320
20-22
2
0,5
4
ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl<sub>2</sub>O<sub>4</sub>
97
22-23
420-430
11-12
2
1
54
ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl<sub>2</sub>O<sub>4</sub>
96
22-23
390-400
2-3
2
2
6
ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl<sub>2</sub>O<sub>4</sub>
96
24-25
440-450
12-13
3
1
7
ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl<sub>2</sub>O<sub>4</sub>
95
21-22
420-430
3-4
3
2
8
ПТФЭ+Ф-4 МБ+ MgAl<sub>2</sub>O<sub>4</sub>
94
21-22
420-430
7-8
5
1
9
ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl<sub>2</sub>O<sub>4</sub>
93
22-23
360-370
1-2
5
2
10
ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl<sub>2</sub>O<sub>4</sub>
92
20-21
280-290
5-6
5
3
11
ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl<sub>2</sub>O<sub>4</sub>
89
18-19
300-310
8-10
10
1
12
ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl<sub>2</sub>O<sub>4</sub>
88
17-18
290-300
5-6
10
2
13
ПТФЭ + MgAl<sub>2</sub>O<sub>4</sub> (прототип)
99
21-23
320-330
23-25
1
14
ПТФЭ + MgAl<sub>2</sub>O<sub>4</sub> (прототип)
98
20-22
300-310
15-17
2