Результат интеллектуальной деятельности: ПОЛИМЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА

Изобретение относится к полимерному материаловедению, представляет собой полимерную композицию на основе политетрафторэтилена, модифицированную углеродным волокнистым активированным материалом марки УВИС-АК-П, и может быть использовано в машиностроении для изготовления деталей узлов трения.

Уровень техники

В связи с возрастающими требованиями к показателям прочности, износостойкости и надежности деталей и конструкций различного назначения необходимы новые технологические способы создания полимерных композиционных материалов (ПКМ). Одними из наполнителей, оказывающих модифицирующее воздействие на структуру ПТФЭ и существенно повышающих прочность и износостойкость композитов на основе ПТФЭ, являются углеродные наполнители-модификаторы различной дисперсности и формы частиц. Полимерные материалы, содержащие различные углеродные волокна, являются сравнительно новым классом ПКМ, и эти композиты, несмотря на высокую стоимость, получили в последние годы наиболее интенсивное развитие благодаря своим уникальным свойствам, а именно: высоким значениям прочности и жесткости; низкой плотности; химической инертности; тепло- и электропроводности и многофункциональностью назначения.

Известны антифрикционные полимерные материалы на основе политетрафторэтилена [1. Машков Ю.К., Полещенко К.Н., Поворознюк С.Н., Орлов П.В. Трение и модифицирование материалов трибосистем. - М.: Наука, 2000. - 280 с.], содержащие в качестве компонентов порошки кокса (Ф-4К20), дисульфида молибдена (Ф-4М15), стекловолокно (Ф-4С15), кокс и дисульфид молибдена (Ф-4К15М5). Известным материалам присущи недостатки недостаточная прочность и износостойкость, предел прочности этих композитов находится в пределах 11-16 МПа.

Известен антифрикционный композиционный материал [2. Машков Ю.К., Сухарина Н.Н., Зябликов B.C., Гадиева Л.М. А.С. №1812190. Антифрикционный композиционный материал], который содержит, мас. %: политетрафторэтилен 80-82; дисульфид молибдена 1-3; порошок оловянно-свинцовистой бронзы 5-12 и углеродный наполнитель 5-12. Углеродный наполнитель представляет собой углеродное волокно длиной 0,05-0,50 мм, полученное из выдержанного в течение не менее 48 часов в жидком фреоне карбонизированного углеволокнистого материала, высушенного и измельченного в присутствии порошка политетрафторэтилена до волокон указанной длины. Предел прочности материала при растяжении 22-24 МПа, скорость изнашивания при трении по стальному контртелу без смазки составляет 0,065-0,068 мг/ч при скорости скольжения 1 м/с, контактном давлении 3 МПа. Несмотря на полученные результаты недостатками данного полимерного композита являются также многокомпонентность, сложность и многостадийность получения композитов, заключающийся в необходимости проведения дополнительных операций как предварительная выдержка в течение не менее 48 часов в жидком фреоне карбонизированного углеволокнистого материала, затем их сушка и измельчение в присутствии политетрафторэтилена.

Известен антифрикционный полимерный материал на основе политетрафторэтилена [3. Машков Ю.К., Мамаев О.А., Овчар З.Н., Зябликов B.C. Патент РФ №2307130 Полимерный антифрикционный композиционный материал], содержащий дисульфид молибдена, скрытокристаллический графит с удельной поверхностью 50-75 м /г, углеродный наполнитель с длиной волокна 0,05-0,5 мм. Углеродное волокно с указанной длиной получают, например, из карбонизированного углеволокнистого материала марок УРАЛ Т-10 или других марок, при этом его разрезают на небольшие кусочки и измельчают в мельнице в присутствии порошка фторопласта-4 (ПТФЭ) в течение 3-9 мин при частоте вращения 7000 мин^-1, затем добавляют остальные компоненты и смешивают все в смесителе с частотой вращения ротора 2800-3000 мин^-1. Несмотря на относительную простоту получения и высокие показатели предела прочности, износостойкости и низкий коэффициент трения данного полимерного материала основным недостатком является все-таки недостаточная износостойкость и многокомпонентность.

Известно изобретение [4. Амиров P.P., Неклюдов С.А., Амирова Л.М. Способ получения композиций на основе углеродных нанотрубок и полиолефинов. Патент РФ №2490204]. Достижение технического результата данного изобретения заключается в диспергировании углеродных нанотрубок путем ультразвуковой обработки: углеродные нанотрубки в течение 0,5-1 ч механически растирают в воде с добавлением водорастворимого полимера с концентрацией 0,01-0,1 мас. %, после чего полученную суспензию диспергируют ультразвуком в течение 30 мин при максимальной температуре среды не выше 70°С с последующим нанесением ее на поверхность гранул полиолефина и сушкой полученных гранул нанокомпозита, содержащих до 0,5 мас. % углеродных трубок. При этом, полученные нанокомпозитные материалы обладают высокой объемной и поверхностной электропроводностью, теплопроводностью и высокой жесткостью, при одновременном увеличении модуля упругости при растяжении до 50%, и предела прочности на разрыв до 30%. Несмотря на полученные результаты недостатками данного способа являются сложность и многостадийность получения нанокомпозитов, заключающийся в необходимости проведения дополнительных операций как предварительная механическая обработка углеродных нанотрубок (УН) в жидкой среде, затем их ультразвуковое диспергирование с последующим нанесением суспензии УН на поверхность полимерных гранул, далее следует операция сушки гранул.

Известны составы для получения композиционного материала, включающие политетрафторэтилен, медьсодержащий углеродный наполнитель и дополнительно фторсодержащий олигомер марок «Эпилам» или «Фолекокс» [5. Струк В.А., Костюкович Г.А., Кравченко В.И., Авдейчик С.В., Овчинников Е.В. Патент РФ №2278875. Состав для получения композиционного материала], а также содержащий политетрафторэтилен, углеродный наполнитель, фторсодержащий олигомер марок «Эпилам» или «Фолекокс» и дополнительно нанодисперсный модификатор [6. Струк В.А., Костюкович Г.А., Кравченко В.И., Овчинников Е.В., Горбацевич Г.Н. Патент РФ №2269550. Состав для получения композиционного герметизирующего материала]. В первом случае [5] для получения композитов сначала получают медьсодержащий углеродный наполнитель по двум технологиям, заключающихся в обработке углеграфитового волокна водным или спиртовым раствором солей меди, что является трудоемкой и длительной операцией. Затем полученный углеродный наполнитель обрабатывают раствором олигомера, после чего высушивают до полного удаления растворителя, что также существенно увеличивает продолжительность получения композиционного материала. Во втором случае [6] в отличие от состава, заявленного в патенте РФ №2278875, исключается стадия обработки углеграфитового волокна водным или спиртовым раствором солей меди, и дополнительно содержит нанодисперсный наномодификатор. В обоих случаях использование растворов олигомеров во фреоне и наномодификаторов (патент РФ №2269550) приводит к удорожанию процесса получения композиционных материалов.

Известны материалы на основе ПТФЭ с содержанием углеродных волокон в количестве 15-20 мас. % с торговой маркой «Флувис» и «Флубон», которые применяются для изготовления деталей подвижных и неподвижных сопряжений в различных герметизирующих системах, композит «Флувис» применяется в особо ответственных узлах трения, где ресурс работы и надежность оборудования оправдывают использование достаточно дорогого материала [7. Г.А. Сиренко. Антифрикционные карбопластики.-Киев: Техника, 1995.-С. 195; 8. www.mpri.org.bv]. Данные композиты относятся к высоконаполненным и дорогостоящим материалам.

Известен способ получения антифрикционного композита на основе политетрафторэтилена и углеродного волокнистого наполнителя с длиной 0,5-10 мм [8. Будник А.Ф., Сиренко Г.А., Колесников С.И. А.с. №1723084 Способ «БУСИКО» изготовления антифрикционного материала], заключающийся в смешении политетрафторэтилена и 5-50% измельченного углеродного волокна при числе оборотов рабочих органов n, равном 5000-22500 об/мин в смесителе, спекании смеси при 360-390°С в течение 30 мин, затем измельчении спекшейся массы при n=5000-22500 об/мин и классификации этой массы по размерам 50-300 мкм, в количестве 5-95%, которые смешивают с политетрафторэтиленом при n=5000-22500 об/мин. Недостатком данных композитов являются многостадийность и продолжительность времени их получения из-за повторной операции спекания композитной массы с последующим измельчением и классификацией их по размерам. Этот материал по составу наиболее близок по своей физической сущности к предлагаемому композитному материалу, однако триботехнические испытания проведены в различных условиях по сравнению с заявляемым композитом (скорость скольжения, температура испытания, нагрузка на образец при трении, путь трения), что затрудняет корректное сравнение результатов испытаний.

Известны полимерные материалы на основе политетрафторэтилена, содержащий углеродный наполнитель терморасширенный графит в количестве 5-15 мас. % [9. Охлопкова А.А., Слепцова С.А., Стручкова Т.С Патент РФ №2454439 Полимерный материал триботехнического назначения]. Полимерный композиционный материал получают путем смешения компонентов в лопастном смесителе с предварительной термообработкой графита. Несмотря на низкий коэффициент трения и высокую износостойкость, сравнимая с заявляемой композицией, данные композиты обладают низкими значениями относительного удлинения при разрыве, что ограничивает его области применения.

Наиболее близким по технической сущности и условиям проведения физико-механических и триботехнических испытаний материалов является композит на основе ПТФЭ и углеродных волокон марки «Белум» [10. А.П. Васильев, А.А. Охлопкова, Т.С. Стручкова и др. Эксплуатационные характеристики политетрафторэтилена разных марок, модифицированных углеродными волокнами //Вестник СВФУ.- Якутск, 2017.- С. 34-46]. В данной работе проведены исследования и сравнения эксплуатационных свойств ПКМ на основе ПТФЭ марок ПН и ТМ наполненных модифицированными углеродными волокнами (УВ) марки «Белум». Данная композиция взята как прототип.

Задачей изобретения является получение композиционного материала с повышенной износостойкостью, характеризующегося достаточно высокими деформационно-прочностными показателями на основе ПТФЭ и углеродного волокнистого активированного материала марки УВИС-АК-П.

Осуществление изобретения

Поставленная задача решается за счет наполнения политетрафторэтилена (ГОСТ 10007-80) порошком углеродного волокнистого активированного материала марки УВИС-АК-П. При этом наполнитель на первой стадии смешивается с частью полимера на планетарной мельнице, затем в полученную порошковую композицию добавляется остальная часть полимера и смешивается в лопастном смесителе.

ПТФЭ (фторопласт-4) - промышленный продукт ГОСТ 10007-80 марки ПН, представляющий собой белый, рыхлый порошок со степенью кристалличности до спекания 95-98%, после спекания 50-70% и плотностью 2,17 - 2,19 г/см³, Т_пл 327°С.

Используемый в качестве наполнителя углеродный волокнистый активированный материал марки УВИС-АК-П на основе гидратцеллюлозного углеродного волокна производства ООО НПЦ «УВИКОМ» (Россия), представляет собой материал в виде порошка с диаметр частиц 5,5-7,5 мкм и длиной до 100 мкм. Углеродный волокнистый активированный материал имеет большие сорбционные способности: удельная поверхность до 2000 м²/г; суммарная пористость 0,3-0,8 см³/г; адсобрционная активность по индикатору метилену голубому не менее 100-300 мг/г; воздухопроницаемость 100-200 дм³ /м² ×сек [11. www.uvicom.com].

Сущность изобретения заключается в следующем. Предварительное диспергирование и смешение части полимера с порошками углеродного волокнистого активированного материала марки УВИС-АК-П в планетарной мельнице в течение 2 минут при скорости вращения барабанов 400 об/мин, и последующее смешение полученной смеси с остальной частью полимера в лопастном смесителе при скорости вращения 3000 об/мин. В результате такого поэтапного смешения компонентов с использованием технологии механической активации в планетарной мельнице достигается комплексное улучшение технических свойств полимерного композита.

Технология получения композиционных материалов заявляемого состава заключается в следующем.

Пример. 47,5 г политетрафторэтилена и 5 г углеродных волокон марки УВИС-АК-П смешивают и подвергают механической активации в планетарной мельнице с скоростью вращения барабанов 400 об/мин в течение 2 мин, затем полученную смесь смешивают с оставшейся частью политетрафторэтилена в лопастном смесителе со скоростью 3000 об/мин до однородной массы. Затем композицию помещают в холодную пресс-форму и прессуют изделие при удельном давлении 50 МПа. Спекание изделий производят в электрической печи при температуре 370±5°С. Охлаждение спеченных изделий проводят непосредственно в печи.

Физико-механические свойства - предел прочности при растяжении, относительное удлинение при разрыве и прочность при сжатии определяли на испытательной машине «UTS-2» при комнатной температуре и скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин. Скорость изнашивания полимерных композитов определяли на машине трения UMT-2 (CETR, США), схема «палец-диск» (образец - цилиндр диаметром 10 мм, выстой 20 мм, контртело - стальной диск из стали 40Х с твердостью 48-52 HRC и шероховатостью 0,06-0,07 мкм, нагрузка 160 Н, скорость скольжения - 0,2 м/с).

Физико-механические и триботехнические характеристики полученных композитов приведены в табл. 1.

Примечание: σ_р - прочность при растяжении, МПа; ε_р - относительное удлинение при разрыве, %.

Как видно из табл. 1, оптимальные свойства наблюдаются у композита с содержанием углеродного волокна 5 мас. % полученные с использованием совместной механоактивации полимера с УВ при скорости вращения барабанов планетарной мельницы 400 об/мин. Как следует из данных таблицы 1 заявленный состав при одинаковом значении прочности при растяжении превосходит прототип по износостойкости в 6,25 раза и по значению относительного удлинения при разрыве на 13-23,5%. По сравнению с исходным полимером повышение износостойкости у этого композита составляет в 2024 раза при некотором улучшении деформационных характеристик.

Таким образом, разработанная технология введения УВ в полимерную матрицу с использованием технологии механоактивации является эффективным решением, позволяющим получить материалы, триботехнического назначение с улучшенными эксплуатационными свойствами с сохранением и в некоторой степени улучшением физико-механических характеристик. Применение полимерного композита заявленного состава позволит повысить ресурс работы изделий в технике и оборудованиях и расширить их область применения.