Патент на изобретение №2329279
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) АНТИФРИКЦИОННАЯ ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ
(57) Реферат:
Изобретение относится к полимерным композитным материалам антифрикционного назначения, которые могут быть использованы для изготовления деталей узлов трения машин и техники. Описана антифрикционная полимерная композиция, содержащая политетрафторэтилен и оксид алюминия с размерами частиц 9-11 нм в качестве наполнителя при следующем соотношении компонентов: наноразмерный оксид алюминия – 0,1-2,0 мас.%, политетрафторэтилен – остальное. Техническим результатом является повышение износостойкости, несущей способности, уменьшение коэффициента трения при сохранении деформационно-прочностных свойств композиционного материала на основе политетрафторэтилена. 1 табл.
Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к полимерным композитным материалам антифрикционного назначения, которые могут быть использованы для изготовления деталей узлов трения машин и техники: подшипников скольжения, уплотнительных элементов пар вращательного и возвратно-поступательного перемещения и других элементов узлов трения. Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцовых уплотнений и других элементов узлов трения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и неорганических наполнителей различной химической природы [Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторопластов. – М.: Наука, 1987. – 147 с.]. Однако эти материалы не обладают достаточной износостойкостью и характеризуются низкими прочностными характеристиками. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является малонаполненный композит на основе ПТФЭ и синтетического оксида алюминия марки 124127, проактивированного в планетарной мельнице АГО-2 в течение 2 мин (прототип) [патент 2177962, МКИ С08J 5/14, С08L 27/18, 2002. Антифрикционная полимерная композиция герметизирующего назначения / Слепцова С.А., Виноградов А.В., Попов С.Н. и др. – №2000110098/04. Заявл. 19.04.2000. Опубл. 10.01.2002. Бюл. №1]. Обладая высокими деформационно-прочностными свойствами, материал характеризуется недостаточной износостойкостью и несущей способностью, а также высоким коэффициентом трения, вследствие чего может эксплуатироваться только при невысоких нагрузках. Технической задачей изобретения является повышение износостойкости, несущей способности, уменьшение коэффициента трения при сохранении деформационно-прочностных свойств композиционного материала на основе ПТФЭ. Достижение положительного эффекта обеспечивается введением в ПТФЭ нанонаполнителя оксида алюминия при следующем соотношении компонентов (мас.%): Оксид алюминия – 0,1-2,0 ПТФЭ – остальное. ПТФЭ – промышленный порошкообразный продукт марки ПН, ГОСТ 10007-80. Средние размеры частиц порошка – 50-500 мкм, молекулярная масса – 100-500 тыс., степень кристалличности до спекания – 95-98%, после спекания – 50-70%, плотность 2150-2260 кг/м3, температура плавления кристаллов 327°С, температура стеклования аморфных участков – 120°С. Наполнитель, наноразмерный оксид алюминия – продукт, полученный синтетическим путем в Институте неорганической химии НАН Беларуси [Ульянова Т.М., Крутько Н.П., Витязь П.А., Титова Л.В., Медиченко С.В. Особенности формирования структуры тугоплавких соединений на основе ZrO2, Al2О3 / Доклады НАН Беларуси. – 2004. – Т.48, №2. – С.103-108]. Наноразмерный оксид алюминия получают термическим окислением солесодержащих продуктов при 800°С. Физические параметры наноразмерного оксида алюминия: размеры частиц – 9-11 нм; удельная поверхность – 119 м2/г, пикнометрическая плотность – 3096 кг/см3, насыпная плотность – 418 кг/см3. Совмещение ПТФЭ с наноразмерным оксидом алюминия проводят в лопастном смесителе со скоростью 3000 об/мин. Помещают расчетную массу полимера и наноразмерного оксида алюминия в высокооборотный смеситель, смешивают до получения однородной массы. Затем из композиции делают заготовки требуемой формы по технологии холодного прессования с последующим свободным спеканием при температуре 375-380°С (время выдержки 0,3 ч на 10-3 м толщины образца). Полученные изделия охлаждают в печи до 200°С со скоростью 0,03°/с с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры. Введение наноразмерного оксида алюминия позволяет получить композиционный материал, обладающий высокими износостойкостью, несущей способностью, пониженным коэффициентом трения при сохранении деформационно-прочностных свойств. Подобные свойства композиционного материала заявляемого состава обусловлены влиянием наноразмерного наполнителя на процессы формирования структуры композита и определяются высокой дисперсностью и структурной активностью. Введение наноразмерного оксида алюминия в ПТФЭ приводит к формированию более упорядоченной структуры композита с плотной упаковкой структурных элементов, что подтверждено результатами электронно-микроскопических исследований. Пример. 98,0 г ПТФЭ и 2,0 г наноразмерного оксида алюминия смешивают в лопастном смесителе до получения однородной массы. Затем композицию помещают в пресс-форму и прессуют изделия требуемой формы, затем спекают при 375-380°С (время выдержки 0,3 ч на 10-3 м толщины образца). Полученные изделия охлаждают в печи до 200°С со скоростью 0,03°/с с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры. Охлаждение спеченных изделий проводят непосредственно в печи. Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице. Методики определения свойств композита. Физико-механические свойства заявляемого антифрикционного материала определяли на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Относительное удлинение ( Массовый износ и коэффициент трения определяли на машине трения СМЦ-2, схема «вал-втулка» (образец – втулка с внешним и внутренним диаметром 34 и 26 мм соответственно, высотой 22 мм, контртело – стальной вал из стали 45 с твердостью 45-50 HRC и шероховатостью 0,06-0,07 мкм, нагрузка – 375-1000 Н, скорость скольжения – 0,39 м/с) согласно ГОСТ 11629. Технико-экономическая эффективность. Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет повысить износостойкость в 50-70 раз по сравнению с прототипом и в 500-700 по сравнению с ПТФЭ, несущую способность композиционного материала в 2 раза, уменьшить коэффициент трения в 5-6 раз по сравнению с прототипом, в 1,3 раза по сравнению с ПТФЭ. Как видно из приведенных данных, оптимальное содержание нанонаполнителя оксида алюминия – 0,1-2,0 мас.%. Дальнейшее увеличение содержания наноразмерного наполнителя приводит к снижению деформационно-прочностных и триботехнических характеристик, повышению коэффициента трения. Применение антифрикционной композиции заявляемого состава позволит повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования, в том числе при повышенных нагрузках.
Формула изобретения
Антифрикционная полимерная композиция, содержащая политетрафторэтилен и наноразмерный наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя содержит оксид алюминия с размерами частиц 9-11 нм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
р) и прочность при растяжении (
р) определяли на испытательной машине “UTS-2” (Германия) при комнатной температуре и скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин на лопатках (количество образцов на одно испытание – 10).