полимерная композиция триботехнического назначения

Формула изобретения

Полимерная композиция триботехнического назначения, содержащая политетрафторэтилен и алмазосодержащий наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве алмазосодержащего наполнителя она содержит природный алмазный порошок, активированный в планетарной мельнице АГО-2 в течение 5 мин, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Активированный природный алмазный порошок - 0,1 - 1,0

Политетрафторэтилен - Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к разработке полимерных композиционных материалов триботехнического назначения.

Известны композиционные материалы триботехнического назначения, предназначенные для эксплуатации в узлах трения машин и оборудования, на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и различных наполнителей. Традиционными наполнителями ПТФЭ, используемыми с целью повышения их износостойкости, сохранения коэффициента трения на уровне исходного полимера, являются вещества, обладающие в силу своих структурных особенностей и химических свойств смазочной способностью: дисульфид молибдена, нитриды бора, кремния, графит, кокс [Истомин Н. П. , Семенов А. П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторопластов. - М. : Наука, 1987. - 147 с. ] . Материалы известны как самосмазывающиеся антифрикционные с малым коэффициентом трения, но имеют низкие деформационно-прочностные характеристики, обладают повышенной жесткостью, что снижает ресурс их работы в качестве герметизаторов.

Известны также триботехнические материалы на основе ПТФЭ и ультрадисперсных соединений, в том числе -сиалона [ТУ 301-05-120-91 "Композиции фторопластовые малонаполненные антифрикционного назначения"] и ультрадисперсных алмазных порошков или так называемых кластеров синтетического углерода [Малевич А. М. , Овчинников Е. А. , Ю. С. Бойко, Струк В. А. Триботехнические характеристики ПТФЭ, модифицированного кластерами синтетического углерода //Трение и износ. - 1998. - Т. 19, 3. - С. 366-369] . Обладая высокой износостойкостью в сочетании с высокой прочностью, материалы характеризуются низкой эластичностью, что ограничивает области их применения. Кроме того, эти материалы могут эксплуатироваться только при невысоких нагрузках и скоростях скольжения.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному материалу является малонаполненный композит, содержащий ПТФЭ (99,9-98,5 мас. %) и в качестве наполнителя ультрадисперсный алмазосодержащий порошок (0,1-1,5 мас. %) (прототип) [RU 2114874 С1, 10.07.1998 /Антифрикционная полимерная композиция герметизирующего назначения] .

Данный материал обладает высокой износостойкостью и может эксплуатироваться в условиях повышенных нагрузок, но также характеризуется недостаточной эластичностью, что ограничивает области его применения, например, в качестве сальниковых или манжетных уплотнений и др.

Технической задачей изобретения является повышение износостойкости и эластичности композиционного материала при улучшении его прочностных характеристик.

Достижение положительного эффекта обеспечивается введением в ПТФЭ активированных природных алмазных порошков (ПАП) при следующем соотношении компонентов (мас. %):

Активированный природный алмазный порошок (ПАП) - 0,1 - 1,0

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) - Остальное

Политетрафторэтилен (фторопласт-4) - промышленный продукт ГОСТ 10007-80, представляющий собой белый, рыхлый порошок со степенью кристалличности до спекания 95-98%, после спекания 50-70% и плотностью 2,17-2,19 г/cм³, T_пл - 327^oC.

Природный алмазный порошок представляет собой смесь высокодисперсных алмазов со средним размером частиц менее 40 мкм, полученный из отходов алмазного сырья после переработки.

Для получения композиции в политетрафторэтилен вводили природный алмазный порошок (ПАП), подвергнутый механической активации в планетарной мельнице АГО-2 в течение 5 мин при скорости вращения ротора 50 об/с [Аввакумов Е. Г. Мягкий механохимический синтез // Химия устойчивого развития. - 1994. - Т. 2, 2-3. - С. 541-559] . Введение в ПТФЭ неактивированного ПАП позволило получить материалы с более высокими триботехническими характеристиками, но физико-механические свойства при этом ухудшились по сравнению с прототипом, что можно объяснить неоднородным по дисперсности использованным ПАП (табл. 1). Время активации ПАП, соответствующее 5 мин, выбрано как оптимальное, приводящее к достижению более высоких результатов по свойствам композита.

Механическую активацию наполнителя проводили с целью получения однородного по дисперсности порошка и повышения реакционной способности частиц алмазов, так как ПТФЭ, как полимерное связующее, характеризуется инертностью, низкой адгезионной способностью, что затрудняет межфазное взаимодействие в композите и таким образом сдерживает процессы структурообразования. Известен композиционный материал на основе ПТФЭ и кокса, подвергнутого механической активации в планетарной мельнице [Пугачев А. К. , Полозов Б. В. , Пирог О. А. и др. Механический способ получения композиционных материалов на основе ПТФЭ и кокса // Дезинтеграторная технология /Тез. докл. V Всесоюз. совещания, Таллинн - 1987. - С. 69-70] . Введение механоактивированного кокса в ПТФЭ позволило получить материал с повышенными износостойкими характеристиками, но при этом происходит ухудшение физико-механических характеристик на 20-30%.

Предварительная обработка ПАП в планетарной мельнице АГО-2 способствовала уменьшению размеров частиц в 40-80 раз, усреднению дисперсного состава наполнителя и повышению их структурной активности, что привело к трансформации ленточной структуры исходного ПТФЭ в более упорядоченную сферолитную при введении активированного ПАП и, как следствие, к повышению триботехнических и деформационно-прочностных характеристик материала (табл. 2). Диспергирование частиц ПАП и их структурообразующие свойства зарегистрированы методами электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа.

Для получения композиционного материала в ПТФЭ вводили активированный ПАП, помещая расчетное количество наполнителя в полимер, до получения однородной массы. Затем из композиции путем холодного прессования формовали изделия требуемой формы и спекали их в электрической печи при температуре 3705^oС.

Сочетание ПТФЭ и активированного в течение 5 мин ПАП позволяет получить композиционный материал, обладающий высокой износостойкостью и повышенным комплексом деформационно-прочностных характеристик.

Подобные свойства композита заявляемого состава обусловлены влиянием механоактивированного алмазного порошка на процессы формирования структуры.

Пример. 99,0 г политетрафторэтилена и 1,0 г активированного природного алмазного порошка смешивали в лопастном смесителе до получения однородной массы. После смешения композицию сушили в термошкафу при температуре 100-120^oС в течение 1 ч. Затем композицию помещали в пресс-форму и прессовали изделие при удельном давлении 50 МПа. Спекание проводили в электрической печи при температуре 3705^oС. Охлаждение спеченных изделий проводили непосредственно в печи.

Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице примеров.

Методики определения свойств композита

Деформационно-прочностные характеристики композита заявляемого состава определяли на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Испытания проводили на разрывной машине "Инстрон" (Англия) при скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин.

Триботехнические параметры композита определяли на машине трения СМЦ-2 по схеме вал-втулка. Нагрузка 67 Н, скорость скольжения 0,39 м/с, путь трения 7 км. Исследуемый образец - втулка с внешним и внутренним диаметрами 3222 мм соответственно, высотой 21 мм, контртело - стальной вал с твердостью 45-50 HRC, шероховатостью 0,06-0,07 мкм.

Технико-экономическая эффективность

Композиционный материал заявляемого состава обладает повышенными эластичностью и прочностью в сочетании с повышенной износостойкостью.

Как видно из приведенных данных, износостойкость материала возросла по сравнению с исходным полимером в 30-70 раз, прочность при растяжении на 25-35%, эластичность - на 30%; по сравнению с прототипом износостойкость увеличилась в 3-6 раз, прочность при растяжении на 30-40%, относительное удлинение при разрыве на 60%.

Оптимальное содержание наполнителя 0,5-1,0 мас. %. Дальнейшее увеличение содержания наполнителя приводит к снижению деформационно-прочностных и триботехнических характеристик.

Применение композиционного материала триботехнического назначения заявляемого состава в составе уплотнительных элементов узлов трения машин и механизмов позволит повысить ресурс их работы.