композиционный износостойкий материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (свмпэ)

Формула изобретения

Композиционный износостойкий материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 4 мас.% нанодисперсного модификатора, в качестве которого использован или карбосил, или оксид вольфрама WO₃, или карбид кремния SiC, или оксид алюминия Аl₂О₃.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в машиностроении для изготовления износостойких футеровок, применяемых для облицовки горно-обогатительного и горнодобывающего оборудования, износостойких изделий конструкционного назначения, работающих в режиме абразивного изнашивания в среде нефти, масел, смазок, топлива, кислот и щелочей.

К большинству современных конструкционных материалов на основе полимерных матриц предъявляют комплекс требований по стойкости к действию масел, физико-механическим, морозоустойчивым, износостойким, теплофизическим и другим характеристикам. В связи с этим при создании композитов необходимо подобрать компоненты, которые оказывают комплексное воздействие на полимерную матрицу, обеспечивая синергический эффект.

Известна полимерная антифрикционная композиция, содержащая полиформальдегид, модифицированный сернокислым барием, тальком и нитридом бора, и сверхвысокомолекулярный полиэтилен (авторское свидетельство СССР 1670911, C08L 59/02).

Материал имеет высокие физико-механические свойства и эффективен при использовании в качестве конструкционного материала в машиностроении, в частности, станкостроении при изготовлении деталей копировальных устройств отделочнообточных станков.

Недостатками материала являются низкие морозоустойчивость и показатель истираемости.

Известен композиционный материал, состоящий из слоя резины и слоя термопласта (патент РФ 2052357, В32В 25/08). Слой резины сформирован из резиновой смеси на основе каучука, выбранного из группы, включающей натуральный, синтетический изопреновый, бутадиеновый и бутадиен-метилстирольный каучуки, слой термопласта из сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Отношение слоя резины к слою термопласта составляет (1-5):(1-5). Прочность связи между слоями резины и термопласта составляет 90-119 Н/см² .

Материал может быть использован в качестве облицовочного двухслойного композиционного материала для защиты оборудования в химической, горно-обогатительной и других отраслях промышленности.

Недостатком материала является недостаточно высокая адгезия на границе раздела двух фаз резина - сверхвысокомолекулярный полиэтилен, что может провести к расслоению изделий в процессе эксплуатации.

Известен композиционный материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (патент РФ 2072921, В32В 25/08). Сущность изобретения: материал получают в 2 стадии. Сначала формуют наполненный сверхвысокомолекулярный полиэтилен. В качестве наполнителя берут мел, каолин или туф, дисперсностью не более 50 мкм. Соотношение последнего к полиэтилену (0,1-0,5):1 по массе. Выдерживают под давлением при 20°С в течение 5 мин. Второй слой изготавливают из сырой резины на основе натурального каучука НК, синтетического каучука изопренового СКИ, синтетического метил-стирольного каучука СКМС-30, синтетического каучука дивинилового СКД при давлении 7,5 МПа/см² и температуре 140-180°С в течение 30 мин. Охлаждают при комнатной температуре в пресс-форме. Получают пластины заданной толщины. Характеристика материала: прочность связи резины с термопластичным полимером СВМПЭ 101-114 Н/см².

Использование: промышленность пластмасс, для облицовки горно-обогатительного, горнодобывающего и др. оборудования.

Недостатками материала являются недостаточно высокая адгезия на границе раздела двух фаз резина - сверхвысокомолекулярный полиэтилен, что может провести к расслоению изделий в процессе эксплуатации, а также высокие трудозатраты на изготовление.

Известен однородный композит (RU 2087490 С1, МПК C08L 23/04, 20.08.1997, формула /1/). Сущность: однородный композит включает, мас.%: 25,5-92,0 ультравысокомолекулярного линейного полиэтилена с высокой молекулярной массой и температурой плавления кристаллитов выше 143°С, при этом полиэтилен способен к понижению температуры плавления при повторном плавлении, по меньшей мере, на 3°С и имеет кристаллическую морфологию, проявляющуюся в бимодальном распределении параметра складывания молекулярных цепей в кристаллической решетке; и 8,0-74,5 по меньшей мере одного наполнителя с поверхностью от нейтральной до кислотной. Однородный композит получают нагреванием исходной смеси ультравысокомолекулярного линейного полиэтилена и наполнителя в инертной атмосфере до температуры, равной, по меньшей мере, 180°С и достаточной для плавления полиэтилена, а также прессованием при этой температуре под давлением, по меньшей мере, 280 МПа в течение, по меньшей мере, 2 мин; снижением температуры до 173°С или ниже с поддержанием давления, по меньшей мере, 280 МПа, причем скорость снижения температуры такова, что отсутствует возникновение в композите температурных градиентов; быстрым охлаждением композита до температуры ниже 100°С с поддержанием давления таким образом, что при этом отсутствует повторное плавление полиэтилена.

Использование: для получения пленок, протезов, цилиндрических стержней, листовых материалов, панелей.

Недостатками материала являются низкая устойчивость к ударным нагрузкам, невысокая стойкость к истиранию частицами повышенной твердости.

Известен композиционный материал на основе полимеризационно-наполненного сверхвысокомолекулярного полиэтилена (патент РФ № 92015359, В29С 47/78, В29С 47/00). Сущность изобретения: для переработки высокопроизводительным методом - шнековой экструзией композицию на основе полимеризационно-наполненного сверхвысокомолекулярного полиэтилена с индексом расплава 0,3-0,6 г/10 мин подвергают сначала обкатке при 160-180°С в условиях сдвиговых деформаций преимущественно в шаровой мельнице до вязкоэластического состояния, после чего проводят шнековую экструзию.

Использование: переработка высоконаполненных полимерных композиций, в частности, полимеризационно-наполненных композиций на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, из которых формуют различные изделия.

Однако технологический процесс его изготовления требует специального дорогостоящего импортного оборудования (шнековый экструдер).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному решению является материал «Тинолен» на основе полиэтилена сверхвысокомолекулярного по ТУ 2211-001-98386801-2007, который обладает высокой морозоустойчивостью. Из Тинолена изготавливаются изделия технического назначения: листы, пластины, шестерни, высокопрочные нити, спортивные изделия - скользящие поверхности лыж, сноубордов, хоккейные площадки, медицинские изделия - детали протезирования и ортопедии.

Недостатком материала является недостаточно высокая износостойкость.

Данный материал принят за прототип.

Задача изобретения состоит в разработке износостойкого композиционного материала для защиты поверхностей изделий, работающих в режиме абразивного изнашивания в среде нефти, масел, смазок, топлива, кислот и щелочей, технологический процесс изготовления которого не требует специального оборудования и дополнительных затрат.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, состоит в получении композиционного материала, имеющего высокую стойкость к истиранию и воздействию алифатических углеводородов, без потери технических характеристик прототипа, в том числе показателя морозоустойчивости. Показатель истираемости падает в 3-150 раз, в зависимости от выбранного модификатора, без потери технических характеристик прототипа.

Поставленная задача решается тем, что композиционный материал на основе СВМПЭ дополнительно содержит 4 мас.% нанодисперсного модификатора, в качестве которого использован или карбосил, или оксид вольфрама WO₃, или карбид кремния SiC, или оксид алюминия, в результате чего полученный композиционный материал имеет более высокую стойкость к истиранию и прочностные характеристики.

В качестве полимера использовали сверхвысокомолекулярный полиэтилен (ТУ 2211-001-98386801-2007), который относится к классу полиэтиленов низкого давления (ПЭНД), но благодаря уникальным структурным и физико-механическим свойствам выделившийся в отдельный класс полиэтиленов.

В качестве нанодисперсного модификатора в количестве 4% от массы СВМПЭ применяли один из следующих материалов:

- природный углеродсодержащий материал - карбосил, который представляет собой порошок природного материала, насыщенный углеродным веществом в некристаллизующемся состоянии. Обладает повышенной химической стойкостью, достаточно высоким сопротивлением к истиранию, имеет максимальный уровень необходимых физико-механических свойств для минералонаполненных композиций, низкое водопоглощение в композиционных материалах, рациональную плотность, хорошую смачиваемость жидкостями и расплавами полимеров (органофильность). Не горюч, не имеет запаха даже при повышенных температурах, экологически чист. Без проблем совмещается практически со всеми термопластичными и термореактивными полимерными материалами;

- порошок оксида вольфрама (WO₃), полученный в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН путем распыления металлического вольфрама в плазме;

- порошок карбида кремния (SiC), нитевидные кристаллы которого представляют собой монокристаллы с большим отношением длины к диаметру, вследствие чего они обладают механическими свойствами, близкими к свойствам идеальных кристаллов (модуль Юнга, усилие на разрыв и т.д.);

- порошок оксида алюминия (Al₂O₃) с размером частиц не более 0,1 мкм.

Модификацию СВМПЭ производили в смесителе ударного действия АГО-2. Такой способ модификации обеспечивает достаточную степень нагружения энергией частиц СВМПЭ и максимально равномерное распределение модификатора в СВМПЭ.

Составы износостойких композиционных материалов согласно изобретению приведены в таблице 1.

Пример получения заявленного композиционного материала конкретного состава (Таблица 1, состав 1). Навеску природного углеродсодержащего материала - карбосила в количестве 4% от массы СВМПЭ с размером фракции не более 0,1 мкм совместно с СВМПЭ помещали в барабан смесителя ударного типа и перемешивали при скорости вращения барабанов 450 об/мин в течение 10 мин. Подготавливали навески ингредиентов композиционного материала по весу, согласно рецепту. Прессование лабораторных образцов проводили на вулканизационном прессе 250×250 мм при температуре 200°С в течение 10 минут при удельном давлении 60 кгс/см².

Испытания проводили следующим образом:

- истираемость определяли по ГОСТ 426-77. Метод определения сопротивления истираемости при скольжении. Испытания проводили на приборе типа МИ-2 (шлифовальная шкурка № 16Н 14А СФЖ У1С ГОСТ 13344-79, количество оборотов диска - n=600, постоянный груз = 3,6 кг);

- прочность при разрыве, относительное удлинение при разрыве и предел текучести при растяжении определяли по ГОСТ 11262-80. Испытания проводили на машине итальянского производства TKFD/5;

- ударную вязкость определяли по ГОСТ 19109-84. Метод определения ударной вязкости по Изоду. Испытания проводили на маятниковом копре.

Результаты испытаний полученных композиционных материалов и сравнение их свойств с прототипом приведены в таблице 2.

Как следует из данных таблицы 2, все заявляемые композиционные материалы превосходят прототип по показателю истираемости и относительному удлинению при разрыве, не ухудшая, а даже несколько улучшая остальные характеристики (предел текучести при растяжении и прочность при разрыве). Наиболее важным показателем для материала, из которого изготавливаются износостойкие изделия конструкционного назначения, является показатель истираемости. Как видно из табл.2, составы 1, 2, 4 превосходят прототип по этому показателю в 3-6 раз, а состав № 3 почти в 150 раз. По относительному удлинению при разрыве все заявляемые материалы имеют лучшие показатели, чем у прототипа, в 1,4-1,5 раза. Эффект достигается при введении в композиционный материал модификатора в количестве 4 мас.%. Увеличение содержания модификаторов выше заявленных пределов снижает совокупный эффект, а уменьшение не обеспечивает дополнительный эффект. Особенностью полученного композиционного материала состава № 3 (модификатор - карбид кремния) является уникальная стойкость к истиранию.

Таким образом, все заявленные материалы в заявленном соотношении превосходят прототип по совокупности характеристик.

Сущность изобретения состоит в следующем: в чистый СВМПЭ вводится добавка модификатора в количестве 4 мас.%. В качестве модификатора используется или карбосил, или оксид вольфрама WO₃, или карбид кремния SiC, или оксид алюминия Al₂O₃, при этом наблюдается значительное повышение износостойкости материала (показатель истираемости падает в 3-150 раз, в зависимости от природы модификатора). Введение модификатора позволило получить износостойкий материал без потери технических характеристик прототипа.

Разработанный материал применим для изготовления износостойких футеровок, используемых для облицовки горно-обогатительного и горнодобывающего оборудования; защиты поверхностей при транспортировке сыпучих, кусковых и штучных грузов, работающих в условиях интенсивного изнашивания; для изготовления пластин, обеспечивающих снижение налипания и намерзания грунта или горных пород в процессе добычи горнотехнического сырья, а также других конструкционных изделий различного функционального назначения, работающих в режиме абразивного изнашивания в среде нефти, масел, смазок, топлива, кислот и щелочей.

Таблица 1 Составы износостойких композиционных материалов
Состав	Модифицирующая добавка	СВМПЭ, мас.%	Добавка, мас.%
1	Карбосил	96	4
2	WO3	96	4
3	SiC	96	4
4	Al2O3	96	4

Таблица 2 Характеристики износостойких композиционных материалов по прототипу
Наименование показателя	Прототип	Состав № 1	Состав № 2	Состав № 3	Состав № 4
По ТУ 2211-001-98386801-2007	Фактич.
Истираемость, мг	Не норм.	297	88	61	2	45
Предел текучести при растяжении, МПа, не менее	17	19	20	19	21	20
Прочность при разрыве, МПа, не менее	30	30	32	33	30	31
Относительное удлинение при разрыве, %, не менее	300	318	450	425	422	428