НАНОКОМПОЗИЦИОННЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ
NANOCOMPOSITE ANTIFRICTION POLYMER MATERIAL

Предлагаемое изобретение относится к области нанотехнологии и может быть использовано в качестве антифрикционных материалов в узлах трения, в подшипниках скольжения, в составе конструкционных материалов вращающихся валов турбин, нефтяных буровых системах.
Известен композиционный антифрикционный материал, включающий полимерное связующее - политетрафторэтилен, неорганический порошкообразный мелкодисперсный наполнитель - молотый кварц с дисперсностью 40-60 мкм (патент РФ №2246503, МПК С08J 5/16, публ. 20.02.2005 г.). Однако известный композиционный материал обладает недостаточно высокими физико-механическими показателями - предела прочности при растяжении, упругости и текучести, износостойкостью.
Известен в качестве прототипа предлагаемого состав нанокомпозиционного антифрикционного материала на основе политетрафторэтилена и нанонаполнителя -многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа с размером частиц в диапазоне 20-200 мкм (патент РФ №2237685, МПК С08J 5/16, публ. 10.10.2004 г.).
Однако при использовании известного материла не обеспечиваются одновременно высокие физико-механические показатели, такие как упругость и текучесть, износостойкость, трибологические показатели и низкая хрупкость.
Задачей авторов предлагаемого изобретения является разработка состава нанокомпозиционного материала, обеспечивающего высокие физико-механические показатели, такие как упругость и текучесть, трибологические показатели (износостойкость, коэффициент трения) и низкая хрупкость.
Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого нанокомпозиционного материала, заключается в обеспечении высоких физико-механических показателей, таких как упругость и текучесть, прочность на растяжение, трибологические показатели и невысокая хрупкость.
Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в нанокомпозиционном полимерном антифрикционном материале, выполненном из композиции, включающей концентрат, содержащий смесь 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразного полипропилена и 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразной наноглины, взятых в соотношении 1:1, и связующее в виде порошкообразного полипропилена или полиэтилена, указанные ингредиенты содержатся при следующем соотношении, мас.ч.:
Указанный концентрат
0,2-4,0
Вышеуказанное связующее
100
Сущность предлагаемого нанокомпозиционного антифрикционного материала поясняется следующим образом.
Первоначально готовят концентрат, содержащий смесь 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразного полипропилена и 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразной наноглины, для чего берут навеску порошкообразного полипропилена в качестве первосвязующего, к которому добавляют необходимое количество порошкообразного нанонаполнителя - наноглину с заявленным следующим соотношением компонентов связующее: наполнитель - 1:1:
Полимерное порошкообразное связующее в
виде полипропилена
0,1-2,0
Порошкообразный нанонаполнитель
0,1-2,0
Полученную смесь механоактивируют в шаровой мельнице в течение расчетного времени с получением концентрата. Полученный концентрат выделяют просевом в виде порошкообразной смеси с размерами частиц в нанометровом диапазоне и дозируют эту смесь в заявленном диапазоне соотношений в заранее подготовленный порошкообразный полипропилен в качестве связующего из расчета выбора на каждые 100 мас.ч. связующего 0,1 мас.ч. концентрата. Затем полученную вторую смесь перемешивают в шаровой мельнице в течение расчетного времени, с последующим формованием ее путем термокомпрессии при давлении и температуре начала перехода смеси в текучее состояние с последующей выдержкой ее в указанных условиях до полного отверждения.
Из сформированного пресс-материала вырезают образцы и подвергают их контрольным испытаниям. Результаты измерений сведены в таблицу.
Из таблицы видно, что при повышении относительного содержания нанонаполнителя физико-механические и трибологические показатели готового материала улучшаются, что наблюдается по сравнению с прототипом.
Таким образом, как это экспериментально подтверждено, использование заявленного нанокомпозиционного антифрикционного полимерного материала обеспечивает повышение высоких физико-механических показателей, таких как упругость и текучесть, прочность на растяжение, трибологические показатели и невысокая хрупкость.
Возможность промышленной реализации изобретения подтверждается следующими примерами выполнения.
Пример 1. В лабораторных условиях опробован процесс формования чистого полипропилена (ПП), полученные образцы были подвергнуты испытаниям, результаты которых приведены в таблице.
Пример 2. В лабораторных условиях опробован процесс получения заявленного нанокомпозиционного материала в смесителе типа шаровой мельницы, в которой применен режим механоактивации. В условиях данного примера проводят механоактивацию смеси из G=100 мас.ч. порошкообразного полипропилена и G=100 мас.ч. наноглины. Смесь активируют на механоактиваторе в течение расчетного времени, достаточного для достижения гомогенного состояния смеси, что в условиях данного примера составило 14 часов. Затем полученную композицию просеивают через сито с размером не более 100 нм и засыпают в форму. Затем берут вторую навеску G связующего в виде порошкообразного полипропилена в количестве 100 мас.ч. и в нее добавляют навеску 0,1 мас.ч. концентрата из полученной смеси нанонаполнителя и связующего, помещают в шаровую мельницу и обрабатывают в смесителе с шарами в традиционном режиме смешения. В процессе термокомпрессии применяют традиционный режим, характерный для прессования полипропилена. Из готовой заготовки вырезают образцы и проводят определение физико-механических характеристик.
Пример 3, 4, 5, 6. Выполнены в условиях примера 2, но навеска концентрата составляет соответственно 0,2; 1,0; 2,0 мас.ч., а в примере 6 - в качестве второго связующего взят полиэтилен.
Данные измерений сведены в таблицу.
Из таблицы видно, что экспериментальные исследования подтвердили наличие более высокого результата при использовании предлагаемого способа по сравнению с прототипом, заключающегося в повышении физико-механических показателей, таких как упругость и текучесть, прочность на растяжение, трибологические показатели и невысокая хрупкость.
Примеры реализации
Физико-механические показатели
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
Предел прочности при растяжении, МПа
Относительное удлинение при растяжении, %
Модуль упругости
Коэффициент трения
Интенсивность износа (убыль массы, г.)* 10<sup>-9</sup>
1
2
3
4
5
6
Пример 1 (Аналог для сравнения) Чистый полипропилен
0,915
33,7
4,25
1100
0,47
9,6
Пример 2 (Заявляемый способ) Содержание концентрата - 0,1 мас.ч.
0,916
35,0
6,8
1150
0,46
3,0
Пример 3 (Заявляемый способ) Содержание концентрата - 0,2 мас.ч.
0,916
35,3
6,78
1193
0,46
2,9
Пример 4 (Заявляемый способ) Содержание концентрата - 1,0 мас.ч
0,924
35,4
5,74
1307
0,38
2,0
Пример 5 (Заявляемый способ) Содержание концентрата - 2,0 мас.ч
0,93
35,6
5,5
1350
0,36
2,0
Пример 6 (Заявляемый способ) Содержание концентрата - 2,0 мас.ч. Второе связующее - полиэтилен 100 мас.ч.
0,92
35,8
5,6
1355
0,36
2,0