Результат интеллектуальной деятельности: Полимерная композиция триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и 2-меркаптобензотиазола

Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в качестве износостойкого полимерного композита на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) для изготовления подшипников скольжения в узлах трения машин, механизмов и 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 функциональных и конструкционных материалов на основе полимерных матриц предъявляют комплекс требований по стойкости к действию масел, физико-механическим, износостойким, теплофизическим и другим характеристикам. В связи с этим при создании полимерных композитов необходимо подобрать компоненты, которые оказывают комплексное воздействие на полимерную матрицу, обеспечивая синергический эффект.

Известна полимерная композиция конструкционного назначения на основе СВМПЭ и волокнистых наполнителей (см. RU №2346963, кл. C08L 23/06, С08К 13/04, С08К 7/02, опубл. 20.02.2009), предлагаемая для изготовления подшипников скольжения, уплотнений, зубчатых колес и других деталей конструкционного назначения. Композиция состоит из СВМПЭ и содержит в количестве от 5 до 25 мас. % волокнистый наполнитель. В качестве волокнистого наполнителя используют смесь волокон длиной 2-3 мм, состав которой состоит из 70 мас. % полиоксадиазольного волокна и 30 мас. % волокон из хлопчатобумажной пряжи.

Недостатками известной композиции является невысокая стойкость к истиранию частицами повышенной твердости.

Полимерный композит (см. RU №2087490, кл. C08F 292/00, опубл. 20.08.1997), предназначенный для получения пленок, протезов, цилиндрических стержней, листовых материалов, панелей и включает, в 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.

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

Известна полимерная композиция на основе СВМПЭ и порошка оксида алюминия Al₂O₃ (см. RU №2381242, кл. C08L 23/06, В82В 1/00, опубл. 10.02.2010), предназначенная для защиты поверхностей ковшей экскаваторов, бункеров, кузовов самосвалов и других механизмов от абразивного износа в режиме ударных нагрузок. В качестве наполнителя использован оксид алюминия Al₂O₃ модификации корунд двух фракций с размером 0,1 мм и размером 0,3 мм при соотношении 1:2 и в общем количестве 18 мас. %. В качестве полимерной матрицы применяется предварительно механоактивированный СВМПЭ в планетарной мельнице АГО-2С.

Недостатками известной композиции являются низкая прочность, невысокая стойкость к истиранию частицами повышенной твердости, высокая стоимость производства.

Известно изобретение способа получения устойчивого к окислению материала СВМПЭ (см. RU №2495054, кл. C08F 8/00, A61F 2/30, опубл. 13.05.2008). Способ включает формование СВМПЭ с добавкой и обработку гамма-лучами или электронным пучком. Облучение проводят на воздухе при обычных атмосферных условиях дозой от 2 до 20 Мрад. Облученная заготовка имеет окислительный индекс после искусственного старения такой же или ниже, чем стандартный материал СВМПЭ.

Однако технологический процесс его изготовления требует специального дорогостоящего оборудования, в частности, гамма излучателя. Недостатками композиции являются невысокая стойкость к истиранию частицами повышенной твердости, высокая стоимость производства.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому материалу является композиция на основе СВМПЭ с терморасширенным графитом в качестве модификатора (см. RU №2535216, кл. C08J 5/16, C08L 23/06, С08К 3/04, опубл. 10.12.2014). Для получения композиции в СВМПЭ вводили измельченный терморасширенный графит. Помещая расчетную массу полимера и наполнителя в высокооборотный смеситель, смешивали до получения однородной массы. Из полученной смеси композиции прессуют образцы для испытания. Образцы получали горячим прессованием при давлении 10 МПа и температуре 180°С. Введение в исходный материал неорганического модификатора терморасширенного графита при следующем соотношении компонентов (мас. %): терморасширенный графит - 2,0; СВМПЭ - остальное, позволяет получить композиционный материал, обладающий износостойкостью, несущей способностью, стабильным коэффициентом трения и повышенными деформационно-прочностными показателями.

К недостаткам материала следует отнести высокую стоимость терморасширенного графита, недостаточную износостойкость и прочность.

Задача, на решение которой направлено заявленное решение, заключается в разработке износостойкого композиционного материала для изготовления деталей в узлах трения, машин и других механизмов, эксплуатирующихся в условиях абразивного изнашивания в агрессивных средах.

Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении прочности, износостойкости и надежности узлов, уменьшении интенсивности массового изнашивания материала.

Поставленная задача достигается за счет того, что полимерная композиция триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), содержащая модификатор, отличается тем, что в качестве модификатора содержит 2-меркаптобензотиазол при следующем соотношении компонентов, мас. %: СВМПЭ - 90,0-99,5; 2-меркаптобензотиазол - 0,5-10,0.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с известными признаками свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Совокупность признаков изобретения обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, повышение надежности деталей узлов, в частности, подшипников скольжения в узлах трения, машин, механизмов и 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.

Заявляемая композиция состоит из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и 2-меркаптобензотиазола (2-МБТ).

Сущность изобретения состоит в следующем: в СВМПЭ вводится добавка модификатора в количестве 0,5-10 мас. %. В качестве модификатора используется 2-МБТ, при этом наблюдается значительное повышение износостойкости материала в 2-3 раза, в зависимости от концентрации наполнителя. Введение модификатора позволило увеличить износостойкость и прочность материала.

Разработанный материал применим для изготовления подшипников скольжения в узлах трения, машин, механизмов и для изготовления износостойких футеровок, применяемых для облицовки горнообогатительного и горнодобывающего оборудования, износостойких изделий конструкционного назначения, работающих в режиме абразивного изнашивания в среде нефти, масел, смазок, топлива, кислот и щелочей, а также других конструкционных изделий различного функционального назначения, работающих в режиме абразивного изнашивания в среде нефти, масел, смазок, топлива.

Для изготовления композитов используют СВМПЭ, например, марки Ticona GUR-4022 (Celanese, Китай), с молекулярной массой 5,3×10⁶ г/моль, со средним размером частиц 145 мкм и плотностью 0,93 г/см³, физико-механические свойства которого указаны в таблице.

В качестве модификатора СВМПЭ используют 2-МБТ (см. ТУ 6-09-4012-75), который применяется в качестве кислотного ускорителя вулканизации, придающий резинам стойкость к старению.

В рамках исследования использовались следующие соотношения компонентов: 2-МБТ - 0,5; 1; 2; 5; 10; 15; 20 мас. %, СВМПЭ - 80; 85; 90; 95; 98; 99; 99,5 мас. %.

Изготовление композитов из СВМПЭ проводилось методом горячего прессования по стандартной технологии, а именно, прессованием при температуре 175°С, давлении 10 МПа и выдержке 20 мин с последующим охлаждением до комнатной температуры. Порошки СВМПЭ и 2-МБТ смешивали в лопастном смесителе в сухом виде со скоростью вращения перемешивающих устройств 1200 об/мин.

Использование 2-МБТ позволяет без усложнения технологических операций получать полимерные композиционные материалы на основе СВМПЭ с повышенными прочностными и износостойкими свойствами. Физико-механические свойства композитов исследовали на разрывной машине AGS-J (Shimadzu, Япония) по методике ГОСТ 11262-80 при скорости движения подвижных захватов 50 мм/мин. Модуль упругости при растяжении определяли по методике ГОСТ 9550-2014. Триботехнические характеристики определяли на трибомашине UMT-3 (CETR, США). Коэффициент трения определяли по методике ГОСТ 11629-75. Схема трения «палец-диск». Образцы с диаметром 10,00±0,02 мм. Контртело - стальной диск из стали 45 с твердостью 45-50 HRC, шероховатость Ra=0,06-0,08 мкм. Удельная нагрузка - 1,9 МПа, линейная скорость скольжения - 0,5 м/с. Время испытания 3 ч.

Для определения массового износа образцы обрабатывали этиловым спиртом и взвешивали на аналитических весах до и после трения. После обработки этиловым спиртом образцы оставляли на сутки для того, чтобы испарился спирт.

В таблице приведены значения физико-механических и триботехнических характеристик заявляемой композиции. Полученные результаты показывают, что наилучшей износостойкостью обладает композиция СВМПЭ с 1% содержанием 2-МБТ: у заявляемой композиции интенсивность весового изнашивания при нагрузке 150 Н в 5,7 раз меньше, чем у прототипа, а по сравнению с исходным СВМПЭ в 3 раза. При этом достигнуто увеличение прочности при растяжении у заявляемой композиции на 23% по сравнению с прототипом, а по сравнению с исходным СВМПЭ - на 34%.

δ - Предел прочности при растяжении, МПа; ε - относительное удлинение при разрыве, %; Е_р - модуль упругости при растяжении, МПа; Н - твердость при сжатии, Н/мм²; f - Коэффициент трения; J - Скорость массового изнашивания, мг/ч; δ_сд2,5 - деформация при 2,5%, МПа; δ_cд10 - деформация при 10%, МПа; δ_сд25 - деформация при 25%, МПа.