АНТИФРИКЦИОННАЯ ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ С ТЕРМОРАСШИРЕННЫМ ГРАФИТОМ
ANTIFRICTIONAL POLYMER COMPOSITION WITH THERMALLY EXPANDED GRAPHITE

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, к получению антифрикционной полимерной композиции на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), которая может быть использована для изготовления подшипников скольжения в подвижных узлах трения машин и механизмов. Композиция содержит сверхвысокомолекулярный полиэтилен и неорганический модификатор. В качестве неорганического модификатора используется терморасширенный графит (ТРГ). Композиция по изобретению позволяет в разы уменьшить интенсивность массового изнашивания материала.
Уровень техники
К большинству современных конструкционных материалов на основе полимерных матриц предъявляют требования по прочности и износостойкости. В связи с этим при создании композитов необходимо подобрать компоненты, которые оказывают комплексное воздействие на полимерную матрицу, обеспечивая указанные качества.
Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцовых уплотнений и других элементов узлов трения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и неорганических наполнителей различной химической природы (1. Андреева И.А., Веселовская Е.В., Наливайко Е.И. и др. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности. - Л.: Химия, 1982. - 80 с.). Однако эти материалы не обладают достаточной износостойкостью и характеризуются низкими прочностными характеристиками.
Известен композиционный материал «Тинолен» на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, изготовленный по ТУ 2211-001-98386801-2007 (2), который обладает высокой морозоустойчивостью. Из «Тинолена» изготавливаются изделия технического назначения: листы, пластины, шестерни, высокопрочные нити, спортивные изделия - скользящие поверхности лыж, сноубордов, хоккейные площадки, медицинские изделия - детали протезирования и ортопедии. Недостатком материала является недостаточно высокая износостойкость.
Известна композиция на основе СВМПЭ, ультрадисперсного β-сиалона и дисульфида молибдена (3. Адрианова О.А., Виноградов А.В., Листков В.М. Антифрикционная композиция. Патент РФ №2126805. Заявка №5068151/04 от 14.08.1992. Опубл. 27.02.1999; Бюл.№6). Обладая высокой износостойкостью, материал характеризуется недостаточной прочностью, эластичностью, несущей способностью, вследствие чего может эксплуатироваться только при невысоких нагрузках.
3
2
3
Известна композиция на основе СВМПЭ (4. Селютин Г.Е., Гаврилов Ю.Ю., Попова О.Е., Воскресенская Е.Н., Полубояров В.А., Ворошилов В.А., Турушев А.В. Композиционный износостойкий материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Патент RU 2381242 С2, МПК C08L 23/4, 15.04.2008), содержащая 4 мас.% нанодисперсного модификатора, в качестве которого использован или карбосил, или оксид вольфрама WO, или карбид кремния SiC, или оксид алюминия AlO, который обладает морозоустойчивостью, высокой стойкостью к истиранию и воздействию алифатических углеводородов. Применяется композиция 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.
К недостаткам материала следует отнести низкую прочность, высокую стоимость нанодисперсных модификаторов, а также использование дополнительной операции механоактивации компонентов композита.
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
Известен композиционный материал (5. Селютин Г.Е., Гаврилов Ю.Ю., Попова О.Е., Воскресенская Е.Н. Материал для футеровочных пластин. Патент RU 2476461, C08L 23/06, C08K 3/22, B82B 1/00. 27.02.2013), полученный путем смешения механоактивированного сверхвысокомолекулярного полиэтилена и порошка оксида алюминия AlO. Использован оксид алюминия AlO двух фракций с размером 0,1 мм и 0,3 мм при соотношении 1:2, в общем количестве 18% от массы СВМПЭ. В изобретении сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) активируют в механоактиваторе АГО-2С, который позволяет при ускорениях шаров до 60 g развивать удельную мощность до 100 Вт/г, при этом благодаря водяному охлаждению температура в барабанах регулируется. В процессе активации молекулярное устройство СВМПЭ изменяется без разрыва внутримолекулярных связей. Благодаря высокой пластичности СВМПЭ величина удельных энергий при механической активации недостаточна для разрыва C-C связей, но достаточна для изменения укладки углеводородных цепей. Механоактивация СВМПЭ обеспечивает более эффективное межмолекулярное взаимодействие и, как следствие, повышение прочностных характеристик изделий, улучшение морозостойкости, сопротивления удару материала. В механоактивированный СВМПЭ вводится модификатор - порошок оксида алюминия (AlO) модификации корунд двух фракций - размером 0,1 мм и размером 0,3 мм в соотношении 1:2, в общем количестве 18% от массы СВМПЭ. Крупные частицы порошка оксида алюминия (AlO) модификации корунд обладают чрезвычайной твердостью; благодаря высокой дозировке они армируют активированную матрицу СВМПЭ, в результате чего значительно увеличивается сопротивления удару и износостойкость пластин для футеровки. Смешение активированного СВМПЭ с порошком оксида алюминия (AlO) производилось в дезинтеграторе серии «Основа» ДИ 0,12. Обладая высокой износостойкостью, материал характеризуется недостаточной прочностью, несущей способностью, вследствие чего может эксплуатироваться только при невысоких нагрузках. Кроме того, технологический процесс включает механоактивацию, что усложняет процесс получения материала.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому материалу является композиция на основе СВМПЭ с синтетической шпинелью кобальта или меди в качестве модификатора (6. Охлопкова А.А., Шиц Е.Ю., Гоголева О.В. Антифрикционная полимерная композиция. Патент РФ №2296139. Заявка №20044114691 от 14.05.2004, опубл. 27.10.2005). Для получения композиции в исходный материал вводили синтетические шпинели кобальта или меди, подвергнутые механической активации в течение 1-2 мин в планетарной мельнице АГО-2 [Аввакумов Е.Г. Мягкий механохимический синтез // Химия устойчивого развития. - 1994. - Т.2, №2-3. - С.541-559]. Механическую активацию наполнителя проводили с целью получения однородного по дисперсности порошка и повышения реакционной способности частиц синтетических шпинелей, так как исходный материал как полимерное связующее характеризуется инертностью, низкой адгезионной способностью, что затрудняет межфазное взаимодействие в композите и, таким образом, сдерживает процессы структурообразования. Помещая расчетную массу полимера и наполнителя в высокооборотный смеситель, смешивали до получения однородной массы. Затем из композиции делали заготовки требуемой формы по технологии холодного прессования с последующим свободным спеканием при температуре 180°C. Введение в исходный материал синтетических шпинелей кобальта или меди, механоактивированных в планетарной мельнице, в течение 1-2 мин, при следующем соотношении компонентов (мас.%):
синтетическая шпинель
- 2,0
СВМПЭ -
остальное,
позволяет получить композиционный материал, обладающий высокой износостойкостью, несущей способностью, стабильным коэффициентом трения и повышенными деформационно-прочностными показателями.
Композиция по изобретению позволяет повысить деформационно-прочностные характеристики, износостойкость и несущую способность материалов. К недостаткам материала следует отнести высокую стоимость синтетической шпинели кобальта или меди.
Данный материал принят за прототип.
Задача изобретения состоит в разработке износостойкого композиционного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена для изготовления подшипников скольжения в подвижных узлах трения машин и механизмов при сохранении прочностных свойств исходного СВМПЭ.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, состоит в получении композиционного материала, имеющего высокую стойкость к истиранию.
Поставленная задача решается за счет того, что композиционный материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена дополнительно содержит терморасширенный графит (ТРГ). В качестве объекта исследования, наиболее полно удовлетворяющего указанными требованиям, выбран СБМПЭ, остающийся до настоящего времени единственным полимером, способным сохранять механические свойства, сравнительно низкое и стабильное значение коэффициента трения и обеспечивать плавное скольжение даже при криогенных температурах.
Осуществление изобретения
Для исследования использовали СВМЛЭ производства Томского нефтехимического завода со средней молекулярной массой 2,34 млн. (ТУ 221.-068-70353562-2006), физико-механические свойства которого указаны в табл.1.
В качестве модификатора СВМПЭ использовали терморасширенный графит (ТУ 2164-001-05015070-97) производства ЗАО «Газтурбо» (г. Санкт-Петербург), который обладая всеми положительными качествами графита, термостойкостью, химической стойкостью, низким коэффициентом трения, имеет уникальное свойство - пластичность, позволяющее формовать изделия из него без введения какого-либо связующего.
Исследовалось следующее соотношение компонентов:
терморасширенный графит - 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 мас.%,
СВМПЭ - остальное.
Перед использованием в качестве модификатора СВМПЭ, терморасширенный графит подвергали измельчению в лопастном смесителе с последующим смешением его с порошкообразным сверхвысокомолекулярным полиэтиленом. Использование терморасширенного графита позволяет без усложнения технологических операций получать полимерные композиционные материалы на основе СВМПЭ.
Полученная смесь представляет собой исходный материал, из которого прессуют образцы для испытания. Образцы получали горячим прессованием при давлении 10 МПа и температуре 180°C.
Использовались следующее методики определения свойств композита:
Относительное удлинение и прочность при растяжении определяли по ГОСТ 11262-80 на испытательной машине «AGS-J» Shumadzu при комнатной температуре и скорости перемещения подвижных захватов 50 мм/мин на лопатках (количество образцов на одно испытание - 5).
a
Триботехническую характеристику (интенсивность массового изнашивания композита) определяли при испытаниях по общепринятым методикам (ГОСТ 11629-75) на машине трения CETR (США). Использовали схему «палец-диск» (образец - столбик с диаметром 10 мм, высотой 20 мм, контртело - стальной вал из стали 45 с твердостью 45-50 HRC и шероховатостью R=0,06-0,07 мкм, нагрузка 150 Н, скорость скольжения - 200 об/мин). Время испытаний - 3 часа.
Для определения массового износа образцы обрабатывали этиловым спиртом и взвешивали на аналитических весах до и после трения. После обработки этиловым спиртом образцы оставляли на сутки для того, чтобы испарился спирт.
В табл.1 приведены значения физико-механических и триботехнической характеристики заявляемой композиции.
Пример. 95,0 г СВМПЭ и, соответствующее процентному содержанию, количество терморасширенного графита смешивали в лопастном смесителе до получения однородной массы. Затем композицию помещали в пресс-форму и прессовали изделие горячим прессованием при давлении 10 МПа и температуре 180°C.
Как видно из табл., наилучшие показатели интенсивности массового изнашивания получены у композиции СВМПЭ с 2% содержанием терморасширенного графита: у заявляемой композиции интенсивность весового изнашивания при нагрузке 150Н в 35 раз меньше, чем у прототипа. При этом удалось прочность при растяжении у заявляемой композиции несколько улучшить по сравнению с прототипом и исходным СВМПЭ.
Таблица 1
Состав и свойства антифрикционной полимерной композиции с терморасширенным графитом
Состав
Стрг, масс.%
ε<sub>р</sub>, %
σ<sub>p</sub>, МПа
Интенсивность массового изнашивания, мг/ч (нагрузка 150 Н)
СВМПЭ
0
300
30
0,86
1
260
36
0,23
2
300
35
0,23
3
240
0,24
4
230
33
0,16
5
220
30
0,10
6
220
30
0,06
7
210
28
0,03
8
210
27
0,03
9
200
22
0,03
10
190
21
0,03
Прототип СВМПЭ+CoAl<sub>2</sub>O
390
32
8,1 (при нагрузке 150 Н)
Где: ε<sub>p</sub> - относительное удлинение, σ<sub>p</sub> - прочность при растяжении, E - модуль упругости, f - коэффициент трения, Стрг - количество терморасширенного графита.