композиционный антифрикционный материал

Формула изобретения

Композиционный антифрикционный материал на основе фторопласта с углеродным наполнителем, отличающийся тем, что в него дополнительно введен пластификатор, в качестве которого использованы моноглицериды дистиллированные марки МГД, а в качестве углеродного наполнителя - ультрадисперсный термографит ТРГ, все компоненты взяты в следующих количествах, об.%:

Фторопласт Ф-4Д 24,947-64,952

Ультрадисперсный термографит ТРГ 34,953-74,943

Моноглицериды дистиллированные марки МГД 0,095-0,110

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к композиционным самосмазывающимся материалам и может найти применение в узлах трения оборудования по добыче, транспортировке, расфасовке и хранению лечебных грязей или другого, аналогичного по эксплуатационным условиям оборудования.

В настоящее время в грязедобывающем оборудовании используются традиционные подшипники скольжения с чугунными или баббитовыми (антифрикционный сплав на основе олова и свинца) втулками и консистентные смазки, что приводит к загрязнению лечебных грязей продуктами износа узлов трения, а также попаданию в них смазки, используемой для уменьшения трения.

В связи с этим, а также тем, что в состав рапы и грязи входят различные химические соединения (ионы Na⁺, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺, Cl ^-, (SO₄)^--, НСО^-₃ , сероводород, продукты жизнедеятельности микроорганизмов), оборудование и особенно узлы трения должны быть изготовлены из материалов, обладающих высокими физико-механическими, антифрикционными свойствами, стойкостью к агрессивным средам, экологической чистотой.

Известен ряд полимерных композиционных материалов на основе различных полимеров: полиэтилена, полиамида, полиимида, фторопласта, термореактивных смол и т.д., в состав которых входят различные добавки, определяющие основные эксплуатационные свойства (Полимеры в узлах трения. Справочник. Под ред. А.В.Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 1988, 328 с.).

Наряду с достоинствами эти материалы имеют и существенные недостатки: материалы на основе полиэтилена - невысокую прочность и температуру эксплуатации, на основе полиамидов - высокое водопоглощение, на основе полиимидов - дороги, дефицитны, нестойки к щелочам, отличаются сложной технологией. Материалы на основе термореактивных смол могут выделять в окружающую среду остатки мономеров, следы отвердителей (аминов, производных толуол- или бензолсульфокислоты, формальдегида, фенола и т.п.).

На наш взгляд, наиболее полно отвечает предъявляемым требованиям материал на основе фторопласта Ф4 (80%) и графита (20%) типа АФГ-80ВС (Фторопласты. Каталог, ЦНИИТЭХим, Черкассы, 1983, 210 с.). Данный материал используется в компрессорном машиностроении, приборостроении и т.д.

Свойства антифрикционного материала АФГ-80ВС:

Плотность, кг/м³, не менее 2000

Условный предел текучести при сжатии, МПа, не менее 9,8

Твердость, МПа, не менее 39

Коэффициент трения 0,15

Максимальная температура эксплуатации, °С 200

Однако, как показали испытания, эксплуатация этого материала в среде лечебных грязей невозможна, т.к. он недостаточно стоек в агрессивных средах, содержащих сероводород, а также обладает повышенной хладотекучестью.

Перед авторами стояла задача создания полимерного композиционного материала для эксплуатации в среде лечебных грязей с улучшенными физико-механическими свойствами, а также обладающего биологической, химической и термической стойкостью и экологической безопасностью.

Эта задача решена путем введения в полимерный материал на основе фторопласта дополнительно ультрадисперсного термографита ТРГ и моно-глицеридов дистиллированных МГД, а в качестве фторопласта использован фторопласт Ф-4Д при следующем соотношении компонентов, об.%:

Фторопласт Ф-4Д 24,947-64,952

Ультрадисперсный термографит ТРГ 34,953-74,943

Моноглицериды дистиллированные МГД 0,096-0,110

Фторопласт Ф-4Д по ГОСТ 10007-80 - высокомолекулярный кристаллический полимер с температурой плавления около 327°С, обладает уникальным сочетанием физических, химических, антифрикционных свойств: чрезвычайно высокой химической стойкостью, исключительно низкими коэффициентом трения, биологической инертностью и т.д.

Ультрадисперсный термографит ТРГ по ТУ 14-8-537-89 (наполнитель в виде наночастиц) - новый углеродный материал со специфическими свойствами: уникально низкой насыпной плотностью, высокой стойкостью в агрессивных средах (кислоты, щелочи, сероводород, органические растворители), термостоек до 400-600°С на воздухе, до 2000-2500°С в инертной или восстановительной атмосфере, в вакууме.

Моноглицериды дистиллированные марки МГД по ТУ 10-11-97-95 представляют собой гранулированный продукт, используемый обычно в качестве эмульгатора, обладают поверхностно-активными свойствами.

Сущность изобретения заключается в том, что в качестве полимерной матрицы применен фторопласт Ф-4Д, обладающий высокими антифрикционными свойствами, и введены наночастицы наполнителя - ультрадисперсного термографита ТРГ, что обеспечивает получение композиционного материала с высокими физико-механическими свойствами, обладающего биологической, химической, термической стойкостью, экологической безопасностью; а использование дистиллированных моноглицеридов МГД приводит к образованию смазочной пленки на частицах наполнителя. Кроме того, в процессе трения в результате взаимодействия с компонентами грязи образуются смазочные слои на контактирующих поверхностях, в результате чего снижается адгезионная составляющая силы трения, повышается износостойкость, снижается коэффициент трения.

Суть изобретения подтверждается примерами получения антифрикционной самосмазывающейся композиции.

Гранулы моноглицеридов измельчали в бисерной мельнице (в течение 15-20 мин) до порошкообразного состояния, затем вводили расчетное количество термографита и перемешивали еще в течение 5 мин, при этом на наночастичках графита происходила адсорбция пластификатора. Полученный продукт смешивали с необходимым количеством фторопласта, перемешивали до получения однородной смеси.

По этой технологии были изготовлены образцы из предлагаемой композиции различных количественных соотношений.

Изделия из этой композиции прессовали холодным прессованием при давлении 65-80 МПа, а затем термообрабатывали по режиму:

Скорость нагрева 40-50°С/ч

Температура термообработки 370-380°С

Выдержка при данной температуре

на каждые 3 мм толщины изделия 1 ч

Скорость охлаждения до 250°С 4-5°С/ч

Результаты испытаний основных свойств материалов, полученных указанным способом, приведены в табл.1.

Как видно из табл. 1, антифрикционные материалы предлагаемого состава (композиции №3-7, 9-14) с соотношением ТРГ: Ф-4Д 35...75:65...25 с 0,1% МГД моноглицеридов обладают более высокими физико-механическими характеристиками, чем прототип, низким коэффициентом трения, термостойки до 300-310°С, более низкой хладотекучестью при повышенных нагрузках.

Испытания их химической стойкости (табл. 2) показали, что они не изменяют своих свойств в компонентах грязи, в сероводороде, а также отличаются высокой биостойкостью.

В связи с тем, что создаваемый материал предназначен для узлов трения оборудования по разработке, переработке, транспортированию лечебной грязи, недопустимо загрязнение лечебной грязи продуктами износа или нарушение условий ее образования и регенерации. Исходя из этого, были проведены также исследования интегральной токсичности водной вытяжки из создаваемого материала экспресс-методами с применением в качестве тест-объектов простейших организмов Tetrahymena Pyriformis и Paramycium caudatum. Испытания проводили следующим образом. Водную вытяжку из образцов материала разбавляли водой в различных соотношениях и вносили 1 мл маточной культуры тест-объекта. Наблюдения за поведением и размножением организмов осуществляли через 1, 3, 6 часов, в дальнейшем - каждые сутки. Результаты наблюдений за ходом испытаний представлены в табл. 3.

Данные табл. 3 показывают отсутствие токсического действия предлагаемого антифрикционного самосмазывающегося композита.

С помощью метода биологической производительности было проведено исследование влияния предлагаемого материала на флору водоема, показавшее отсутствие как токсического действия, так и стимулирующего влияния на флору водоема.

Таким образом, предлагаемый материал обладает высокими физико-механическими, антифрикционными свойствами, высокой биостойкостью, термо- и химически стоек, экологически чист, не вносит каких-либо вредных или стимулирующих развитие живых организмов веществ в лечебную грязь и не нарушает микробиологические процессы ее образования.