Полимерная композиция конструкционного назначения
POLYMER COMPOSITION FOR STRUCTURAL PURPOSES

Предлагаемое изобретение относится к полимерным композициям конструкционного назначения на основе фторопласта и порошковых наполнителей и может быть использовано при изготовлении уплотнений для фланцевых соединений емкостей, содержащих агрессивные вещества, и устройств, работающих в агрессивной среде.
Резиновые уплотнения обеспечивают герметичность емкостей около сорока лет. По истечении этого промежутка времени на резиновых уплотнениях образуются трещины и происходит расслаивание резины из-за ее охрупчивания, что приводит к разгерметизации емкостей с токсичными веществами.
Известен химически стойкий полимерный материал конструкционного назначения: фторопласт-4 по ГОСТ 10007-80 [1] с ресурсом работы большим, чем у резиновых уплотнений. В зависимости от свойств и назначения выпускают такие модификации фторопласта-4, которые применяются для изготовления специальных изделий, например для изготовления электроизоляционной и конденсаторной пленок, для изготовления электротехнических изделий и других изделий повышенной надежности, а также электроизоляционных, изоляционных и пористых вальцованных пленок и прокладочной ленты.
Недостатком данного материала при использовании его в изделиях с агрессивной средой является то, что он менее стоек к действию радиации и ультрафиолетовых лучей, больше подвержен ползучести.
Известен полимерный композиционный материал на основе фторопласта и волокнистого наполнителя по патенту РФ на изобретение №2309170 (кл. МПК C08L 27/18, C08L 77/02, дата приоритета 28.03.2006) [2], который используется для изготовления уплотнений. Композиционный материал по данному изобретению состоит из фторопласта-4 (85-9%) и органического полиоксадиазольного волокнистого наполнителя Оксалон (5-15%).
Недостатком данного полимерного композиционного материала является его неудовлетворительная стойкость в агрессивных средах, например гексафториде урана.
Наиболее близким по химической стойкости и достигаемому результату к предлагаемому изобретению и потому выбранный за прототип является полимерный материал - фторопласт марки Ф-4М по ТУ 2213-054-00203521-99 [3], модифицированный гексафторпропиленом. Такой материал имеет высокую коррозионную стойкость. Однако недостатком этих материалов, как показала экспериментальная проверка, являются низкие физико-механические показатели.
Задача заявляемого технического решения - создание полимерной композиции конструкционного назначения, имеющей улучшенные эксплуатационные показатели, а именно низкую влагопроницаемость, модуль упругости при сохранении высокой коррозионной стойкости, что позволяет достичь герметичности емкостей с агрессивными средами на более длительный промежуток времени.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известный полимер - модифицированный фторопласт марки Ф-4М, согласно предлагаемому техническому решению дополнительно вводится никелевый порошок со средним размером частиц от 2 до 10 мкм при следующем соотношении компонентов, масс.%:
фторопласт Ф-4М
75…95
никелевый порошок
5…25
Полученная по заявляемому техническому решению полимерная композиция конструкционного назначения позволяет изготавливать, например, уплотнения для фланцевых соединений при использовании их в устройствах, работающих с агрессивными средами, которые отвечают требованиям, предъявляемым к таким материалам по механической прочности, долговечности и стойкости в агрессивных средах.
Экспериментальным путем был установлен средний размер частиц никелевого порошка, используемого для получения заявляемой полимерной композиции конструкционного назначения.
При среднем размере частиц никелевого порошка менее 2 мкм достигается более равномерное распределение его в порошке фторопластовом Ф-4М, однако никелевый порошок с таким средним размером частиц пожаро- и взрывоопасен. На воздухе никелевый порошок со средним размером частиц менее 2 мкм воспламеняется и поэтому работать с ним очень опасно. При среднем размере частиц никелевого порошка более 10 мкм не удается достигнуть равномерного распределения никелевого порошка в фторопластникелевой смеси, поэтому изделия из него обладают небольшой механической прочностью, коррозионной стойкостью и не обеспечивают требуемую герметичность фланцевых соединений.
Оптимальные параметры среднего размера частиц никелевого порошка в заявляемой полимерной композиции конструкционного назначения определены путем измерения герметичности фланцевых соединений (таблица 1), уплотненных прокладками, изготовленными с разным значением среднего размера частиц никелевого порошка.
Пример 1. При помощи воздушного классификатора из никелевого порошка, например марки АЭ-I (ТУ 1783-004-07622839-2003) [4], выделялась фракция никелевого порошка со средним размером частиц 2 мкм. Затем механическим перемешиванием подготавливали композицию из фторопласта Ф-4М (90%) и никелевого порошка марки АЭ-I (10%). Из полученной композиции изготавливали изделия путем выполнения следующих операций:
- загрузки полученной композиции в пресс-форму при комнатной температуре;
2
- прессования под удельным давлением (0,7…1,0) т/см;
- выдержки при этом давлении в течении от 1 до 5 минут;
- последующего спекания при температуре от 320 до 380°C.
Пример 2. При помощи воздушного классификатора из никелевого порошка, например, марки АЭ-I выделялась фракция никелевого порошка со средним размером частиц 6 мкм. Затем производились операции, аналогичные указанным в примере 1.
Пример 3. При помощи воздушного классификатора из никелевого порошка, например, марки АЭ-I выделялась фракция никелевого порошка со средним размером частиц 10 мкм. Затем производились операции, аналогичные указанным в примере 1.
Пример 4. При помощи воздушного классификатора из никелевого порошка, например, марки АЭ-I выделялась фракция никелевого порошка со средним размером частиц 15 мкм. Затем производились операции, аналогичные указанным в примере 1.
Таким образом, оптимальным средним размером частиц никелевого порошка, используемого в заявляемой полимерной композиции конструкционного назначения, является средний размер частиц от 2 до 10 мкм.
Экспериментальным путем было установлено, что введение никелевого порошка в состав заявляемой полимерной композиции конструкционного назначения менее 5% незначительно улучшает механические характеристики материала. Введение же никелевого порошка более 25% приводит к получению более жесткого материала, что снижает уплотняющую способность прокладок, изготовленных из него, так как значительно увеличивается момент затяжки фланцевого соединения, уплотненного такой прокладкой.
Были проведены работы по определению герметичности фланцевых соединений при использовании заявляемой полимерной композиции конструкционного назначения, обосновывающие заявляемый состав.
Пример 1. При помощи воздушного классификатора из никелевого порошка, например, марки АЭ-I выделялась фракция никелевого порошка со средним размером частиц 4 мкм. Затем механическим перемешиванием подготавливали композицию из фторопласта Ф-4М (97%) и никелевого порошка марки АЭ-I (3%). Из полученной композиции изготавливали  изделия путем выполнения следующих операций:
- загрузки полученной композиции в пресс-форму при комнатной температуре;
2
- прессования под удельным давлением (0,7…1,0) т/см;
- выдержки при этом давлении в течении от 1 до 5 минут;
- последующего спекания при температуре от 320 до 380°C.
Пример 2. Композицию из фторопласта Ф-4М (95%) и никелевого порошка, например, марки АЭ-I (5%) с размером частиц 4 мкм приготавливали согласно способу, изложенному в примере 1.
Пример 3. Композицию из фторопласта Ф-4М (90%) и никелевого порошка, например, марки АЭ-I (10%) с размером частиц 4 мкм приготавливали согласно способу, изложенному в примере 1.
Пример 4. Композицию из фторопласта Ф-4М (75%) и никелевого порошка, например, марки АЭ-I (25%) с размером частиц 4 мкм приготавливали согласно способу, изложенному в примере 1.
Пример 5. Композицию из фторопласта Ф-4М (60%) и никелевого порошка, например, марки АЭ-I (40%) с размером частиц 4 мкм приготавливали согласно способу, изложенному в примере 1.
В таблице 2 приведены результаты определения герметичности фланцевого соединения, уплотненного прокладкой из полимерного композиционного конструкционного материала различного процентного соотношения фторопласта Ф-4М и никелевого порошка со средним размером частиц 4 мкм.
Таким образом, оптимальный состав компонентов заявляемой полимерной композиции конструкционного назначения следующий (мас.%):
фторопласт Ф-4М
75…95
никелевый порошок
5…25
Ниже в таблице 3 приведены сравнения характеристик прототипа (фторопласта Ф-4М) и заявляемой полимерной композиции конструкционного назначения.
Введение во фторопласт Ф-4М никелевого порошка с размером частиц от 2 до 10 мкм в заявляемом соотношении компонентов приводит к повышению модуля упругости заявляемой полимерной композиции конструкционного назначения по сравнению с прототипом.
Были проведены сравнительные испытания прокладок из заявляемой полимерной композиции конструкционного назначения и различных материалов на влагопроницаемость. Результаты этих испытаний приведены в таблице 4.
Данные испытания показали, что применение прокладок, изготовленных из заявляемой полимерной композиции, конструкционного назначения в значительной степени повышает герметичность соединений и, следовательно, увеличивает ресурс работы оборудования.
Результаты ускоренных ресурсных испытаний прокладок, изготовленных из заявляемой полимерной композиции конструкционного назначения, по методике определения релаксации напряжения в образцах данных прокладок во времени при заданной начальной деформации и температуре приведены в таблице 5.
По результатам проведенных испытаний получено заключение о том, что прокладки из заявляемой полимерной композиции конструкционного назначения работоспособны в течение более 80 лет. На фланцевом соединении, уплотненном данной прокладкой, не выявлено ухудшения герметичности после воздействия 100 термоударов в диапазоне температур от (-50°C) до (+60°C).
Оценка ресурса прокладок в уплотнительном узле емкости с агрессивной средой проводилась по величине остаточного уровня напряжения в прокладке, обеспечивающем герметичность емкости через 80-100 лет.
Использование прокладок из заявляемой полимерной композиции конструкционного назначения во фланцевых соединениях емкостей для их уплотнения, предназначенных для длительного хранения агрессивных веществ, например, отвального гексафторида урана (ОГФУ), обеспечивает сохранение герметичности и увеличение ресурса эксплуатации емкости для хранения в них ОГФУ без их опорожнения до (80…100) лет.
Также использование заявляемой полимерной композиции конструкционного назначения в качестве уплотнителя фланцевых соединений или прокладок фланцев газовых центрифуг для производства гексафторида урана позволяет увеличить срок их эксплуатации в 2 раза.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Фторопласт-4 по ГОСТ 10007-80.
2. Патент РФ на изобретение №2309170 «Полимерная композиция конструкционного назначения».
3. Фторопласт марки Ф-4М по ТУ 2213-054-00203521-99.
4. Никелевый порошок марки АЭ-I по ТУ 1783-004-07622839-2003.