Полимерная композиция конструкционного и триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и борполимера
POLYMER COMPOSITION FOR STRUCTURAL AND TRIBOTECHNICAL PURPOSES BASED ON ULTRA-HIGH MOLECULAR WEIGHT POLYETHYLENE AND BORON POLYMER

Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в качестве износостойкого полимерного композита на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) для изготовления подшипников скольжения в узлах трения машин, механизмов, износостойких футеровок, изделий функционального и конструкционного назначения, работающих в режиме абразивного изнашивания в углеводородной среде.
К большинству полимерных композитов при разработке предъявляют комплекс требований по стойкости к действию масел, физико-механическим, износостойким, теплофизическим и другим характеристикам. В связи с этим при создании полимерных композитов необходимо подобрать компоненты, которые оказывают комплексное воздействие на полимерную матрицу для улучшения эксплуатационных свойств.
Известна полимерная композиция конструкционного назначения на основе СВМПЭ и волокнистых наполнителей (см. RU №2346963, кл. C08L 23/06, C08K 13/04, C08K 7/02, опубл. 20.02.2009), содержащая волокнистый наполнитель в количестве 5-25 мас.%. В данном случае волокнистый наполнитель используют в виде смеси волокон длиной 2-3 мм, состоящей из 70 мас.% полиоксадиазольного волокна и 30 мас.% волокон из хлопчатобумажной пряжи. При этом материал характеризуется относительно невысокой стойкостью к истиранию частицами повышенной твердости.
Полимерный композит по патенту RU №2087490 (кл. B29C 67/00, B29K 23/00, B29K 105/16, C08F 2/44, C08F 4/60, C08F 4/64, C08F 4/659, C08F 8/00, C08F 10/02, C08F 292/00, C08K 3/00, C08L 23/04, опубл. 20.08.1997) включает 25,5-92,0 мас.% ультравысокомолекулярного линейного полиэтилена с высокой молекулярной массой и температурой плавления кристаллитов выше 143°С, при этом полиэтилен способен к понижению температуры плавления при повторном плавлении на 3°С и имеет кристаллическую морфологию, формирующуюся в бимодальном распределении параметра складывания молекулярных цепей в кристаллической решетке, и 8,0-74,5 мас.% наполнителя с поверхностью от нейтральной до кислотной.
Недостатками известного материала являются низкая устойчивость к ударным нагрузкам, невысокая стойкость к истиранию частицами повышенной твердости.
2
3
Известна полимерная композиция на основе СВМПЭ (см. RU №2381242, кл. C08L 23/06, B82B 1/00, опубл. 10.02.2010), где в качестве наполнителя использован оксид алюминия AlO модификации корунд двух фракций с размером 0,1 и 0,3 мм при соотношении 1:2 и в общем количестве 18 мас.%. В качестве полимерной матрицы применяется СВМПЭ, предварительно механоактивированный в планетарной мельнице АГО-2С.
Недостатками материала являются низкая прочность, невысокая стойкость к истиранию частицами повышенной твердости, высокая стоимость производства.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому материалу является композиция на основе СВМПЭ с терморасширенным графитом, добавляемым в качестве модификатора в количестве 2 мас.% (см. RU №2535216, кл. C08J 5/16, C08L 23/06, C08K 3/04, опубл. 10.12.2014). К недостаткам материала следует отнести высокую стоимость терморасширенного графита, недостаточную износостойкость и прочность.
Задача, на решение которой направлено заявленное решение, заключается в разработке конструкционного и износостойкого композиционного материала для изготовления деталей в узлах трения, машин и других механизмов, эксплуатирующихся в условиях абразивного изнашивания в агрессивных средах.
Технический эффект, 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 конструкционного и триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, содержащая модификатор, отличающаяся тем, что в качестве модификатора содержит борполимер, а именно, полиметилен-n-трифениловый эфир борной кислоты, при следующем соотношении компонентов, мас.%: СВМПЭ - 95,0-99,8; полиметилен-n-трифениловый эфир борной кислоты - 0,2-5,0
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.
Заявляемая композиция состоит из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и борполимера (полиметилен-n-трифениловый эфир борной кислоты). Разработанная композиция позволяет в разы уменьшить интенсивность массового изнашивания и повысить прочность материала.
Сущность изобретения состоит в следующем: в СВМПЭ вводится добавка в виде полиметилен-n-трифенилового эфира борной кислоты в количестве 0,2-5,0 мас.%. При этом наблюдается значительное повышение износостойкости материала и прочности в зависимости от концентрации наполнителя.
6
3
Для экспериментальных работ были изготовлены композиты, в которых использовали СВМПЭ марки Ticona GUR-4022 (Celanese, Китай), с молекулярной массой 5,0×10 г/моль, средним размером частиц 145 мкм и плотностью 0,93 г/см. Физико-механические свойства СВМПЭ показаны в таблице.
В качестве модификатора СВМПЭ использовали полиметилен-n-трифениловый эфир борной кислоты, представляющий собой продукт конденсации трифенилового эфира борной кислоты и триоксиметилена (см. Туисов А.Г., Кычкин А.А., Ананьева Е.С., Максимова Е.М. Исследование процесса растворения борполимера в эпоксиангидридном связующем // Ползуновский вестник. 2020. №4), в следующем соотношении в полимерной матрице - 0,2; 0,5; 1; 2; 3; 5 мас.%.
Изготовление полимерных композитов проводили методом горячего прессования при температуре 175±2°С, давлении 10±0,5 МПа и выдержке 20±0,5 мин с последующим охлаждением до 80°С. Порошки СВМПЭ и полиметилен-n-трифенилового эфира борной кислоты смешивали в лопастном смесителе в сухом виде со скоростью вращения перемешивающих устройств 1200 об/мин.
Физико-механические свойства композитов исследовали на разрывной машине типа AGS-J (Shimadzu, Япония) при скорости движения подвижных захватов 50 мм/мин. При этом модуль упругости при растяжении определяли согласно ГОСТ 9550-2014. Триботехнические характеристики определяли на трибомашине UMT-3 (CETR, США). Коэффициент трения определяли согласно ГОСТ 11629-2017. Схема трения «палец-диск». Образцы с диаметром 10,00±0,02 мм. Контртело - стальной диск из стали 45 с твердостью 45-50 HRC, шероховатость Ra = 0,06-0,08 мкм. Удельная нагрузка - 1,9 МПа, линейная скорость скольжения - 0,5 м/с. Время испытания 3 ч. Для определения массового износа образцы обрабатывали этиловым спиртом и взвешивали на аналитических весах до и после трения.
Основные показатели физико-механических и триботехнических характеристик заявляемой композиции приведены в таблице.
Наилучшие показатели интенсивности массового изнашивания получены у композиции СВМПЭ с 5 мас.% содержанием полиметилен-n-трифенилового эфира борной кислоты: интенсивность весового изнашивания при нагрузке 150 Н в 11 раз меньше, чем у прототипа, а по сравнению с исходным СВМПЭ в 6 раз. При этом удалось увеличить прочность при растяжении у заявляемой композиции на 11% по сравнению с прототипом, а по сравнению с исходным СВМПЭ - на 22%.
Введение 0,5% полиметилен-n-трифенилового эфира борной кислоты в полимерную матрицу увеличивает прочность на 42% по сравнению с прототипом и на 56% по сравнению с исходным образцом. Помимо этого, заявляемая композиция характеризуется повышенным значением твердости (на 26%) относительно исходного СВМПЭ и сниженным значением коэффициента трения, что свидетельствует об отсутствии абразивного воздействия на прилегающую рабочую поверхность изделия.
Таким образом, использование полиметилен-n-трифенилового эфира борной кислоты позволяет без усложнения технологических операций получать полимерные композиционные материалы на основе СВМПЭ с повышенными прочностными и износостойкими свойствами.
ТаблицаСвойства полимерных композитов
Образец
δ, МПа
ε, %
Е<sub>р</sub>, МПа
H, Н/мм<sup>2</sup>
f
J, мг/ч
Сжатие
δ<sub>сд2,5</sub>, МПа
δ<sub>сд10</sub>, МПа
δ<sub>сд25</sub>,<sub></sub>МПа
исходный СВМПЭ
32+3
339+16
550+26
41,64
0,38
0,12
4
17
30
СВМПЭ+0,2% БП
49+1
434+14
743+34
41,64
0,38
0,14
11
28
29
СВМПЭ+0,5% БП
50+1
417+10
712+37
44,24
0,4
0,14
8
20
26
СВМПЭ+1% БП
45+1
389+8
692+19
50,56
0,4
0,12
8
23
30
СВМПЭ+2% БП
43+2
383+18
692+32
50,64
0,38
0,11
13
26
31
СВМПЭ+3% БП
43+1
369+12
801+21
50,56
0,35
0,05
11
24
33
СВМПЭ+5% БП
39+1
327+14
719+22
52,56
0,29
0,02
10
25
34
Прототип
35
300
-
-
-
0,23
-
-
-
р
сд2,5
сд10
сд25
H-
f
2
Примечание: δ - Предел прочности при растяжении, МПа; ε - относительное удлинение при разрыве, %; Е - модуль упругости при растяжении, МПа; твердость при сжатии, Н/мм; - Коэффициент трения; J - Скорость массового изнашивания, мг/ч; δ - деформация при 2,5%, МПа; δ - деформация при 10%, МПа; δ - деформация при 25%, МПа.