композиционный резинополимерный износостойкий материал для гидравлических устройств

Классы МПК:C08L9/00 Композиции гомополимеров или сополимеров диеновых углеводородов с сопряженными двойными связями
C08L23/06 полиэтен
C08L79/04 поликонденсаты, содержащие гетероциклические кольца с атомами азота в качестве гетероатомов в основной цепи; полигидразиды; полиамидокислоты или аналогичные предшественники полиимидов
C08J5/06 с использованием предварительно обработанных волокнистых материалов
C08K3/04 углерод
C08K3/06 сера
C08K3/22 металлов
C08K5/18 с ароматически связанными аминогруппами
C08K7/02 волокна или нитевидные кристаллы
Автор(ы):, , , , ,
Патентообладатель(и):Институт химии и химической технологии СО РАН (RU),
Министерство промышленности и торговли РФ (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2009-05-04
публикация патента:

Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в машиностроении для изготовления износостойких уплотнений штоков и цилиндров гидравлических устройств вместо шевронных резинотканевых манжет, а также для изделий конструкционного назначения в горнодобывающей, нефтегазодобывающей и химической промышленности. В резиновую смесь на основе цис-изопренового каучука СКИ-3 - 100 мас.ч. вводят, мас.ч.: сверхвысокомолекулярный полиэтилен, модифицированный 7 мас.% углеродсодержащего материала, - карбосила - 170, вискозный волокнистый наполнитель, пропитанный латексно-резорцин-формальдегидным составом - банавис - 80, активный технический углерод П-234 - 30, нефтяное масло-мягчитель - нетоксол - 5, окись цинка - 5, стеариновую кислоту - 1,серу - 3, сульфенамид Ц - 1,6, противостаритель - диафен ФП-1, антиозонант - ацетонанил Н - 1. Полученные из резинополимерного материала изделия обладают чрезвычайной жесткостью, каркасностью, стойкостью к действию фрикционных сил, слабых растворов кислот и щелочей, частично сохраняя при этом эластичность, повышенной твердостью в режиме интенсивного износа. 1 табл.

Формула изобретения

Композиционный резинополимерный износостойкий материал для уплотнений гидравлических устройств, характеризующийся тем, что он изготавливается на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, модифицированного 7 мас.% углеродсодержащего материала - карбосила, с размером фракции не более 50 мкм в смесителе ударного действия и содержит цис-изопреновый каучук СКИ-3, вискозный волокнистый наполнитель - вискозную некрученую нить длиной 2-6 мм, пропитанную латексно-резорцин-формальдегидным составом - банавис, активный технический углерод П-234, высокоочищенное депарафинизированное нефтяное масло-мягчитель для резиновой технической промышленности - нетоксол, неорганический ускоритель вулканизации - окись цинка (цинковые белила),органический активатор вулканизации -стеариновую кислоту, основное вулканизующее вещество - серу, ускоритель вулканизации циклогексил-2-бензтиазолилсульфенамид-сульфенамид Ц, противостаритель - N-фенил-N'-изопропил-парафенилендиамин - диафен ФП, антиозонант - полимеризованный 2,2,4'-триметил-1,2-дигидрохинолин - ацетонанил Н при следующем соотношении компонентов, мас.ч./мас.%:

сверхвысокомолекулярный полиэтилен, модифицированный 7 мас.% композиционный резинополимерный износостойкий материал для гидравлических   устройств, патент № 2425850
углеродсодержащего материала - карбосила, с размером фракции не более композиционный резинополимерный износостойкий материал для гидравлических   устройств, патент № 2425850
50 мкм в смесителе ударного действия 170/42,6
цис-изопреновый каучук СКИ-3 100/25,15
вискозный волокнистый наполнитель - композиционный резинополимерный износостойкий материал для гидравлических   устройств, патент № 2425850
вискозная некрученая нить длиной 2-6 мм, композиционный резинополимерный износостойкий материал для гидравлических   устройств, патент № 2425850
пропитанная латексно-резорцин-формальдегидным составом - банавис 80/20,12
активный технический углерод П-234 30/7,55
высокоочищенное депарафинизированное нефтяное композиционный резинополимерный износостойкий материал для гидравлических   устройств, патент № 2425850
масло-мягчитель для резиновой технической промышленности - нетоксол 5/1,26
неорганический ускоритель вулканизации - окись цинка (цинковые белила) 5/1,26
основное вулканизующее вещество - сера 3/0,75
ускоритель вулканизации - композиционный резинополимерный износостойкий материал для гидравлических   устройств, патент № 2425850
циклогексил-2-бензтиазолилсульфенамид-сульфенамид Ц1,6/0,4
противостаритель - N-фенил-N'-изопропил-парафенилендиамин - диафен ФП1/0,25
антиозонант - полимеризованный 2,2,4'-триметил-1,2-дигидрохинолин - ацетонанил Н1/0,25

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в машиностроении для изготовления износостойких уплотнений штоков и цилиндров гидравлических устройств вместо шевронных резинотканевых манжет, а также для изделий конструкционного назначения в горнодобывающей, нефтегазодобывающей и химической промышленности для изготовления подшипников, шестерней, дисков, скользящих пластин, рычагов, работающих в широком температурном интервале в условиях интенсивного изнашивания, в среде воздуха, минеральных масел, водных эмульсий, слабых растворов 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. К числу таких компонентов относится сверхвысокомолекулярный полиэтилен.

Известна термопластическая самосмазывающаяся полимерная композиция с улучшенной износостойкостью, включающая смесь в виде расплава из термопластичного полимера полиолефинов ультравысокого молекулярного веса (Патент РФ 97115931 C08L 23/02). Материал предназначен для изготовления формованных изделий - подшипников, шестерней, дисков, скользящих пластин, рычагов. Однако этот материал обладает недостаточной жесткостью и каркасностью, что не позволяет использовать его в машиностроении для изготовления ответственных конструкционных изделий.

Известна полимерная антифрикционная композиция, содержащая полиформальдегид, модифицированный сернокислым барием, тальком и нитридом бора, и сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) (Авторское свидетельство СССР 1670911 C08L 59/02). Материал имеет высокие физико-механические свойства и эффективен при использовании в качестве конструкционного материала для машиностроения, в частности станкостроения, при изготовлении деталей копировальных устройств отделочно-обточных станков. Однако материал характеризуется низкими морозоустойчивостью и показателем истираемости.

Известен композиционный материал на основе переработанных полимерных материалов или резины и скелетного корпуса для шестиугольных панелей для дорожного покрытия площадок, дорог, пешеходных дорожек (Патент РФ 2310032). Материал может нести существенные нагрузки в диапазоне температур от минус 30°С до плюс 60°С. Недостатком материала является низкая морозостойкость и стойкость к истиранию, которые являются определяющими для изделий подобного типа.

Известен износостойкий, кислотощелочностойкий, маслобензостойкий композиционный материал на основе полиуретанов, из которого на предприятии ООО «Уралполимеркомплект» изготавливается широкий ассортимент изделий для горнодобывающей, нефтегазодобывающей и химической промышленности, в том числе манжеты полиуретановые шевронные по ГОСТ 22704. Материал обладает достаточно высокой стойкостью к действию масел, смазок, нефти, топлива, имеет высокие упругопрочностные свойства и повышенную твердость. Однако композиционный материал на основе полиуретанов имеет склонность к гидролизу, разрушению под действием водяного пара и горячей воды, повышенное теплообразование при многократных деформациях, невысокую теплостойкость и очень высокую стоимость.

Исходя из результатов патентного поиска, предлагаемый материал не имеет прототипа, поскольку не описан композиционный материал на основе СВМПЭ, в состав которого входят ингредиенты, характерные для резиновых смесей (каучук, вулканизующая группа, противостарители и т.д.), с применением в качестве наполнителя вискозного тканевого волокна.

Задача изобретения состоит в разработке дешевого износостойкого конструкционного резинополимерного материала с физико-механическими характеристиками, отвечающими требованиям материалов, применяемых для изготовления деталей для горнодобывающей, нефтегазодобывающей и химической промышленности, а именно уплотнений штоков и цилиндров гидравлических устройств, вместо шевронных резинотканевых манжет, для подшипников, шестерней, дисков, скользящих пластин, рычагов, работающих в среде воздуха, воды, слабых растворов кислот и щелочей в условиях интенсивного изнашивания при температуре от минус 50 до плюс 80°С.

Для решения поставленной задачи разработан резинополимерный композиционный материал на основе моифицированного СВМПЭ и доступного и недорогого синтетического цис-изопренового каучука СКИ-3 отечественного производства с введением в него вискозного волокнистого наполнителя - банависа. За счет этого повышается твердость, жесткость и каркасность полученных изделий при сохранении некоторой эластичности. Одновременно на поверхности изделий формируется износостойкий слой, способный выдержать действие интенсивного изнашивания в среде воздуха, минеральных масел, воды, водных эмульсий, слабых растворов кислот и щелочей.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, состоит в получении резинополимерного композиционного материала, имеющего высокие триботехнические характеристики, стойкого к воздействию воды, слабых растворов кислот и щелочей, минеральных масел, водных эмульсий, способного также заменить промазанную резиновой смесью ткань при изготовлении шевронных манжет; при этом значительно сокращаются трудозатраты.

Поставленная задача решается тем, что композиционный материал содержит модифицированный сверхвысокомолекулярный полиэтилен, цис-изопреновый каучук СКИ-3, вискозный волокнистый наполнитель - банавис, активный технический углерод П-234, масло-мягчитель для резиновой технической промышленности - нетоксол, неорганический ускоритель вулканизации - окись цинка (цинковые белила), органический активатор вулканизации - стеариновую кислоту, основное вулканизующее вещество - серу, ускоритель вулканизации N-циклогексил-2-бензтиазолилсульфенамид (Сульфенамид Ц), противостарители - N-фенил-N' -изопропилпарафенилендиамин (диафен ФП) и полимеризованный 2,2,4 '-триметил-1,2-дигидрохинолин (ацетонанил Н).

Использовали модифицированный сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), который относится к классу полиэтиленов низкого давления (ПЭПД); благодаря своей уникальной структуре, гигантской молекулярной массе СВМПЭ имеет более высокие физико-механические характеристики, стойкость к агрессивным средам, улучшенные триботехнические и морозоустойчивые свойства, чем остальные полиэтилены класса ПЭПД. СВМПЭ модифицировали нанодисперсным модификатором - углеродсодержащим материалом - карбосилом в количестве 7%. Это - природный материал, насыщенный углеродным веществом в некристаллизующемся состоянии, содержащий большое количество метаморфизованного органического вещества. Он обладает повышенной химической стойкостью, достаточно высоким сопротивлением истиранию и морозостойкостью. В качестве эластической составляющей применяли цис-изопреновый каучук СКИ-3, представляющий собой стереорегулярный цис-1,4-полиизопрен с содержанием звеньев цис-1,4 не менее 96%.

В качестве наполнителей композиционного материала применяли активный технический углерод П-234 и вискозный волокнистый наполнитель - банавис, который представляет собой вискозную некрученую нить длиной 4±2 мм, пропитанную латексно-резорцин-формальдегидным составом (ТУ 6-06-11-129-87) Поскольку банавис является тканевым наполнителем, он придает готовым изделиям особую жесткость и каркасность.

Пластификатором служит высокоочищенное депарафинизированное нефтяное масло-мягчитель для резиновой технической промышленности - нетоксол (ТУ 38.101999-84).

Вулканизующая группа для СКИ-3 содержит неорганический ускоритель вулканизации - окись цинка (цинковые белила), органический активатор вулканизации - стеариновую кислоту, основное вулканизующее вещество - серу, ускоритель вулканизации N-циклогексил-2-бензтиазолилсульфенамид (Сульфенамид Ц), противостаритель - N-фенил-N' -изопропилпарафенилендиамин ((диафен ФП) и антиозонант- полимеризованный 2,2,4'-триметил-1,2-дигидрохинолин (ацетонанил Н).

Состав резинополимерного композиционного материала согласно изобретению, следующий, мас.ч. / мас.%:

- сверхвысокомолекулярный полиэтилен, модифицированный в смесителе ударного действия 7 мас.% углеродсодержащего материала - карбосила с размером фракции не более 50 мкм - 170,0/42,76;

- цис-изопреновый каучук СКИ-3 -100,0 / 25,15;

- вискозная некрученая нить длиной 4±2 мм, пропитанная латексно-резорцин-формальдегидным составом (банавис) - 80,0 /20,12;

- активный технический углерод П-234 -30,0 / 7,55;

- высокоочищенное депарафинизированное нефтяное масло-мягчитель для резиновой технической промышленности - нетоксол - 5,0 /1,26;

- неорганический ускоритель вулканизации - окись цинка (цинковые белила) - 5,0 / 1,26;

- органический активатор вулканизации - стеариновая кислота - 1,0/0,25;

- основное вулканизующее вещество - сера - 3,0 / 0,75;

- ускоритель вулканизации М-циклогексил-2-бензотиазолил сульфенамид (Сульфенамид Ц) -1,6 / 0,40;

- противостаритель - N-фенил-N' -изопропилпарафенилендиамин (диафен ФП) - 1,0 /0,25;

антиозонант - полимеризованный 2,2,4'-триметил-1,2-дигидрохинолин (ацетонанил Н)-1,0 / 0,25.

Пример получения заявленного композиционного материала

Модификацию СВМПЭ производили в смесителе ударного действия. Такой способ модификации обеспечивает максимально равномерное распределение модификатора в СВМПЭ. Навеску природного углеродсодержащего материала - карбосила с размером фракции не более 50 мкм в количестве 7% от массы СВМПЭ совместно с СВМПЭ помещали в барабан смесителя ударного типа и перемешивали при скорости вращения барабанов 450 об/мин в течение 5-7 мин.

Смешение резинополимерного материала производили в две стадии:

1-я стадия смешения. Подготавливали навески каучука и ингредиентов композиционного материала по весу согласно рецепту. Смешение композиционного материала производили на вальцах ПД 320160/160 при начальной температуре поверхности валков 30±5°С. Последовательность ввода ингредиентов: вальцевали каучук СКИ-3 при зазоре между валками 1±0,5 мм, затем вводили стеариновую кислоту, сульфенамид Ц, цинковые белила, диафен ФП, ацетонанил Н; регулировали величину зазора вальцев так, чтобы между валками находился хорошо обрабатываемый запас смеси, вводили модифицированный СВМПЭ, вводили технический углерод П-234 совместно с нетоксолом, перемешивали не менее 15 мин, доводя при этом температуру валков вальцев до 80-90°С. Снимали смесь с вальцев охлаждали в воде до полного охлаждения и складывали на стеллажи для «вылежки» не менее чем на 24 часа.

2-я стадия смешения. Загружали смесь 1-й стадии на вальцы ПД 320 160/160 при начальной температуре поверхности валков 30±5°С и вводили серу. Регулировали величину зазора вальцев до минимального и вводили банавис при постоянном охлаждении валков, при этом температура валков не должна превышать 55°С. Общее время смешения 45-55 мин. Вулканизацию лабораторных образцов проводили на вулканизационном прессе 800×800 при температуре 165°С в течение 10 мин при удельном давлении не менее 70 МПа.

Характеристики износостойкого резинополимерного композиционного материала приведены в таблице 1.

Как следует из данных таблицы 1, материал обладает очень низкой, уникальной для резинополимерных композиций истираемостью, а изделия из него чрезвычайно жесткостные, каркасные и сохраняют некоторую эластичность. Эффект жесткости и каркасности достигается за счет модифицированного СВМПЭ в количестве 42,76% и банависа в количестве 20,12%, а эффект эластичности - за счет циc-изопренового каучука СКИ-3 с соответствующей вулканизующей и защитной группой. Увеличение содержания модифицированного СВМПЭ и банависа выше заявленного снижает совокупный эффект, а уменьшение не обеспечивает дополнительный эффект.Особенностью заявленного резинополимерного композиционного материала является повышенная каркасность, жесткость полученных из него изделий, их высокие триботехнические свойства за счет применения модифицированного СВМПЭ и тканевого наполнителя.

Использование данного изобретения позволит существенно повысить рабочий ресурс уплотнительных устройств гидравлических манжет за счет высокой износостойкости, жесткости и каркасности композиционного материала.

Разработанный материал может быть использован для изготовления подшипников, шестерней, дисков, скользящих пластин, рычагов, работающих в широком температурном интервале в условиях интенсивного изнашивания, в среде воздуха, минеральных масел, водных эмульсий, слабых растворов кислот и щелочей, а также для уплотнений штоков и цилиндров гидравлических устройств вместо шевронных резинотканевых манжет.

Таблица 1
Характеристика резинополмерного композиционного материала
Наименование показателейкомпозиционный резинополимерный износостойкий материал для гидравлических   устройств, патент № 2425850
Условная прочность при растяжении, МПа 10.3
Относительное удлинение при разрыве, % 66
Остаточное удлинение, %18
Относительная остаточная деформация сжатия в воздухе, 30% при 70°C за 22 час, %40
Истираемость, см 3/кВт·час 32.28
Коэффициент старения по относительному удлинению, при 70°C за 144 час в воздухе, %-6,13
Твердость, усл.ед. 89
Плотность, г/см3 1,00

Класс C08L9/00 Композиции гомополимеров или сополимеров диеновых углеводородов с сопряженными двойными связями

антикоррозионная композиция и способ получения покрытий на ее основе -  патент 2529545 (27.09.2014)
сополимер, каучуковая композиция, сшитая каучуковая композиция и покрышка -  патент 2528410 (20.09.2014)
способ получения полимерной основы пропиточного состава для шинного корда -  патент 2527855 (10.09.2014)
шина, содержащая слой-хранилище антиоксиданта -  патент 2525596 (20.08.2014)
огнестойкая резиновая смесь -  патент 2522627 (20.07.2014)
морозостойкая резиновая смесь -  патент 2522610 (20.07.2014)
резиновые композиции, содержащие полимерный компонент с мультимодальным молекулярно-массовым распределением -  патент 2522568 (20.07.2014)
резиновая смесь для усиливающего слоя боковины или для боковины и шина -  патент 2520491 (27.06.2014)
полимерная композиция -  патент 2519402 (10.06.2014)
резиновая смесь для шин с улучшенным вулканизующим агентом -  патент 2518600 (10.06.2014)

Класс C08L23/06 полиэтен

способ изготовления изделий из гранулированных полимерных материалов (варианты) -  патент 2527049 (27.08.2014)
напольное или настенное покрытие -  патент 2524310 (27.07.2014)
огнестойкая резиновая смесь -  патент 2522627 (20.07.2014)
полимерная композиция и способ получения пластмассовых бутылок в двухстадийном процессе инжекционно-раздувного формования -  патент 2520564 (27.06.2014)
ударопрочная композиция полиэтилена низкой плотности (lldpe) и изготовленные из нее пленки -  патент 2517166 (27.05.2014)
полимерная композиция, стойкая к воздействию ионизирующего излучения. -  патент 2515616 (20.05.2014)
полимерная композиция, стойкая к воздействию ионизирующего излучения. -  патент 2515558 (10.05.2014)
полимерная композиция, стойкая к воздействию ионизирующего излучения. -  патент 2515135 (10.05.2014)
способ изготовления резинополимерных изделий -  патент 2513855 (20.04.2014)
полиэтилен, имеющий повышенную скорость кристаллизации и улучшенное сопротивление растрескиванию под действием окружающей среды -  патент 2513703 (20.04.2014)

Класс C08L79/04 поликонденсаты, содержащие гетероциклические кольца с атомами азота в качестве гетероатомов в основной цепи; полигидразиды; полиамидокислоты или аналогичные предшественники полиимидов

Класс C08J5/06 с использованием предварительно обработанных волокнистых материалов

способ получения препрега для композиционных материалов -  патент 2516526 (20.05.2014)
способ получения композиционных материалов на полимерной основе, армированных углеродными волокнами -  патент 2500697 (10.12.2013)
багассовый композит, способ его приготовления и материал для внутреннего применения, использующий его -  патент 2493180 (20.09.2013)
клеевая композиция и способ обработки армирующих вкладышей -  патент 2487144 (10.07.2013)
арамидные частицы, содержащие пероксидный инициатор радикало-цепной полимеризации -  патент 2476467 (27.02.2013)
антифрикционный композитный материал для изготовления элементов уплотнений судовой арматуры -  патент 2463321 (10.10.2012)
частица, содержащая матрицу и радикальный инициатор -  патент 2458081 (10.08.2012)
впитывающие прокладки, включающие пероксисоединение и органическую соль цинка -  патент 2432369 (27.10.2011)
способ получения фрикционных полимерных материалов -  патент 2419639 (27.05.2011)
клеевая композиция, способ обработки армирующих слоев и способ производства армированных полимерных продуктов с ее использованием -  патент 2409601 (20.01.2011)

Класс C08K3/04 углерод

лист, характеризующийся высокой проницаемостью по водяному пару -  патент 2526617 (27.08.2014)
композиция на основе вспениваемых винилароматических полимеров с улучшенной теплоизоляционной способностью, способы ее получения и вспененное изделие, полученное из этой композиции -  патент 2526549 (27.08.2014)
шина, содержащая слой-хранилище антиоксиданта -  патент 2525596 (20.08.2014)
антифрикционный полимерный композиционный материал -  патент 2525492 (20.08.2014)
содержащий древесный уголь пластмассовый упаковочный материал и способ его изготовления -  патент 2525173 (10.08.2014)
способ получения наномодифицированного связующего -  патент 2522884 (20.07.2014)
огнестойкая резиновая смесь -  патент 2522627 (20.07.2014)
композиции гбнк с очень высокими уровнями содержания наполнителей, имеющие превосходную обрабатываемость и устойчивость к агрессивным жидкостям -  патент 2522622 (20.07.2014)
морозостойкая резиновая смесь -  патент 2522610 (20.07.2014)
полимерная композиция для радиаторов охлаждения светоизлучающих диодов (сид) и способ ее получения -  патент 2522573 (20.07.2014)

Класс C08K3/06 сера

Класс C08K3/22 металлов

композиция на основе жидкого низкомолекулярного силоксанового каучука для покрытия огнестойкого защитного материала -  патент 2529227 (27.09.2014)
тонкодисперсная органическая суспензия металл/углеродного нанокомопозита и способ ее изготовления -  патент 2527218 (27.08.2014)
морозостойкая резиновая смесь -  патент 2522610 (20.07.2014)
технологическая добавка для термопластичных полиуретанов -  патент 2520441 (27.06.2014)
полимерная композиция -  патент 2519402 (10.06.2014)
способ получения термопластичной эластомерной композиции -  патент 2519401 (10.06.2014)
керамообразующая резиновая смесь (варианты) -  патент 2519379 (10.06.2014)
формованные абразивные частицы с низким коэффициентом округлости -  патент 2517526 (27.05.2014)
резиновая смесь на основе бутадиен-метилстирольного каучука -  патент 2516644 (20.05.2014)
красящее многофункциональное защитное покрытие -  патент 2514940 (10.05.2014)

Класс C08K5/18 с ароматически связанными аминогруппами

Класс C08K7/02 волокна или нитевидные кристаллы

композиционный полимерный антифрикционный материал на основе полиамида -  патент 2522106 (10.07.2014)
резиновая смесь для усиливающего слоя боковины или для боковины и шина -  патент 2520491 (27.06.2014)
способ производства композитного формованного изделия -  патент 2515522 (10.05.2014)
способ получения наполненного бутадиен-стирольного каучука -  патент 2515431 (10.05.2014)
полимерное связующее и препрег на его основе -  патент 2510408 (27.03.2014)
способ получения полимерной композиции для труб -  патент 2509786 (20.03.2014)
полимерный композиционный материал и способ его получения -  патент 2509064 (10.03.2014)
теплоотражающий огнестойкий слоистый резинотканевый защитный материал с барьерным слоем -  патент 2492055 (10.09.2013)
теплоотражающий огнестойкий слоистый резинотканевый защитный материал на основе хлоропренового каучука с барьерным слоем -  патент 2489265 (10.08.2013)
термореактивные полисахариды -  патент 2488606 (27.07.2013)
Наверх