Полимерный материал триботехнического назначения
POLYMER MATERIAL FOR TRIBOTECHNICAL PURPOSES

Полимерный материал триботехнического назначения
Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно, к разработке полимерных композитов триботехнического назначения, 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.).
Известные материалы характеризуются недостаточной износостойкостью и, соответственно, малым ресурсом работы в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является антифрикционный полимерный композиционный материал включающий: политетрафторэтилен (86-95 мас. %); дисульфид молибдена (1,0-2,3 мас.%); скрытокристаллический графит (1,5-6,0 мас. %); углеродные нанотрубки (1,0-3,8 мас. %) (см. RU №2525492, МПК C08L 27/18, опубл. 20.08.2014).
Однако, относительно низкие показатели деформационно-прочностных характеристик известного композиционного материала существенно ограничивают области его применения.
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 улучшении прочностных свойств полимерного композиционного материала, что позволит использовать изделия на его основе в узлах трения машин и оборудования.
Для решения поставленной задачи полимерный материал триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) дополнительно содержит следующие наполнители (в мас.%): модифицированные углеродные волокна (УВ) 6-10; слоистые силикаты – механоактивированный вермикулит 0,5-1,5; ультрадисперсный политетрафторэтилен (УПТФЭ) 0,8-1,2; политетрафторэтилен – остальное.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают улучшение износостойкости материала и расширение ассортимента полимерных композиционных материалов триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена.
3
Политетрафторэтилен (фторопласт-4) – промышленный продукт марки ПН, получаемый в соответствии с ГОСТ 10007-80, и характеризуется со 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.
В качестве углеродного наполнителя используются модифицированные дискретные углеродные волокна, например, марки «Белум». Диаметр волокон составляет 8-11 мкм, длина варьируется от 50-500 мкм. Технология получения промышленного волокна марки «Белум» разработана в ГНУ ИММС им. В.А. Белого НАН Беларуси.
+2
+2
+3
3
4
10
2
2
Используемый вермикулит, например, якутского месторождения, представляет собой крупные пластинчатые кристаллы золотисто-жёлтого или бурого цвета. Химический состав отвечает приблизительной формуле (Mg,Fe,Fe)[(Al,Si)O]·(OH)·4HO. При этом наполнитель подвергается предварительной механической активации в течение 7 мин на планетарной мельнице, например, типа «Активатор-2S». Предварительная обработка дисперсного наполнителя в планетарной мельнице ведет к механической активации, повышающей его структурную активность и усреднению дисперсного состава.
Также дополнительным наполнителем служит ультрадисперсный ПТФЭ (УПТФЭ), например, марки «Флуралит», получаемый на базе промышленного ПТФЭ методом термокаталитического разложения, и представляет собой мелкий рассыпчатый порошок белого цвета с содержанием частиц размерами менее 3 мкм – 98%, температурой плавления кристаллов – +286˚С, температурой разложения свыше 380˚С, коэффициентом трения по стали – 0,005.
-3
Получение композиционного материала осуществляли известными способами. Смешивание компонентов полимерного композиционного материала проводился в лопастном смесителе со скоростью вращения лопастей 3000 об/мин до получения однородной массы. Образцы после смешивания и просеивания, монолитизировали по технологии холодного прессования в пресс-форме при давлении 50 МПа с последующим свободным спеканием при температуре 370±5°С (время выдержки 0,3 ч на 10м толщины образца). Полученные изделия охлаждали в печи до 200°С со скоростью 0,03°С/сек с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры.
Известно, что модифицированные углеродные волокна обладают высоким адгезионным взаимодействием к ПТФЭ (см. Shelestova V. A., Grakovich P. N., Zhandarov S. F. A fluoropolymer coating on carbon fibers improves their adhesive interaction with PTFE matrix // Composite Interfaces. – 2011. – Т. 18. – №. 5. – С. 419-440). Таким образом, введение дополнительных наполнителей в заявленных пределах позволяет сохранить деформационно-прочностные показатели полимерных композиционных материалов на уровне исходного ПТФЭ, при значительном увеличении износостойкости по сравнению с полимерными композиционными материалами без содержания дополнительных наполнителей (см. табл.).
При этом, улучшение износостойкости при сохранении деформационно-прочностных показателей обусловлено тем, что механоактивированный вермикулит и ультрадисперсный политетрафторэтилен в заявленных пределах обладают дополнительным структурирующим действием на полимерную матрицу с углеродными волокнами.
Пример. 90 г политетрафторэтилена, 8 г углеродного волокна, 1 г вермикулита, 1 г УПТФЭ 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.
Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице примеров.
Методики определения свойств композита.
Деформационно-прочностные свойства заявляемого триботехнического материала определены 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 3 часа.
Результаты испытаний представлены в таблице.
Таким образом, оптимальное суммарное содержание наполнителей составляет 8-12 мас.%, превышение которых может привести к снижению прочностных характеристик вследствие, например, агломерации наполнителей и формирования дефектной структуры.
Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволит увеличить износостойкость до 1000 раз по сравнению с ненаполненным ПТФЭ при сохранении деформационно-прочностных характеристик относительно ненаполненного ПТФЭ и, как практический результат, повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования.
Таблица
Характеристики ПКМ, наполненных комплексным наполнителем
№№п/п
Состав
Содержание компонентов, 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
Коэффициент трения f
1.
ПТФЭ
100
320
21
120-160
0,22
2.
ПТФЭ+УВ
946
290
22
0,50
0,27
3.
ПТФЭ+УВ
928
345
21
0,35
0,30
4.
ПТФЭ+УВ
9010
351
20
0,35
0,39
5.
ПТФЭ +УВ+Вермикулит+УПТФЭ
92,560,51
334
22
0,26
0,24
6.
ПТФЭ +УВ+Вермикулит+УПТФЭ
90,580,51
264
20
0,23
0,24
7.
ПТФЭ +УВ+Вермикулит+УПТФЭ
88,5100,51
295
20
0,22
0,25
8.
ПТФЭ +УВ+Вермикулит+УПТФЭ
92611
343
18
0,15
0,27
9.
ПТФЭ +УВ+Вермикулит+УПТФЭ
90811
339
18
0,12
0,27
10.
ПТФЭ +УВ+Вермикулит+УПТФЭ
981011
324
17
0,12
0,29
11.
ПТФЭ +УВ+Вермикулит+УПТФЭ
91,561,51
298
19
0,14
0,30
12.
ПТФЭ +УВ+Вермикулит+УПТФЭ
89,581,51
266
18
0,11
0,30
13.
ПТФЭ +УВ+Вермикулит+УПТФЭ
87,5101,51
244
18
0,13
0,31
14.
ПТФЭСКГMoS<sub>2</sub>УНТ
91,74,51,93,7
166*
17*
0,82
0,07
Прим.: *[Кропотин О. В., Машков Ю. К., Кургузова О. А. Создание полимерного антифрикционного нанокомпозита на основе политетрафторэтилена с повышенной износостойкостью // Омский научный вестник. – 2013. – №. 2 (120). – C. 86-90].
ПТФЭ – политетрафторэтилен, УПТФЭ – ультрадисперсный политетрафторэтилен, УВ – углеродное волокно, СКГ – скрытокристаллический графит, УНТ – углеродные нанотрубки, MoS2 - дисульфид молибдена.