Результат интеллектуальной деятельности: Композиционный конструкционный материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, оксида цинка, 2-меркаптобензотиазола и серы

Изобретение относится к области полимерного материаловедения и может быть использовано в качестве конструкционного композитного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) для изготовления изделий конструкционного назначения, эксплуатирующихся в условиях воздействия агрессивных сред (нефти, масел, смазок, топлива, кислот и щелочей и др.), а также, в качестве футеровочного материала, применяемого для облицовки горно-обогатительного и горнодобывающего оборудования.

К большинству современных функциональных и конструкционных материалов на основе полимерных матриц, кроме стандартных физико-механических, износостойких, теплофизических характеристик, предъявляют комплекс требований и по стойкости к действию агрессивных сред, в частности, масел.

Известен полимерный композит конструкционного назначения на основе СВМПЭ с молекулярной массой 4⋅10⁶ г/моль (см. RU №2674019, кл. C08J 5/16, C08L 23/06, C08L 51/06, C08K 3/04, C08K 7/06, опубл. 04.12.2018), содержащий сополимер этилена высокой плотности с привитым винилтриметоксисиланом (HDPE-g-VTMS) или сополимер этилена высокой плотности с привитым малеиновым ангидридом (HDPE-g-SMA) в виде молотого гранулята с размером частиц 160-250 мкм и армирующие углеродные волокна, имеющие диаметр 7,5-15,0 мкм и длину 75-200 мкм. Материал предназначен для получения антифрикционных изделий в узлах трения в машиностроении и медицине с применением аддитивных технологий.

При этом, полученный композит характеризуется относительно низкими прочностью при растяжении и модулю упругости, а материал отличается высокой стоимостью.

Известен полимерный композит (см. RU №2625454, кл. C08L 23/06, C08K 3/04, C08K 7/04, C08J 5/16, B82Y 30/00, опубл. 14.07.2017), состоящий из СВМПЭ с молекулярной массой 5⋅10⁶ г/моль и наполнителя, в качестве которого используют многостенные углеродные нанотрубки длиной не менее 2 мкм, представленные разными диаметрами (4-15 нм). Полученный материал отличается равномерным распределением наполнителя в объеме полимерной матрицы и ориентированной структурой полимерной матрицы и предназначен для изготовления триботехнических изделий, таких как подшипники скольжения, втулки, применяемые в слабо- и средненагруженных узлах трения, в том числе в эндопротезах коленных и тазобедренных суставов в качестве полимерного вкладыша.

Однако, известные материалы характерны невысокой устойчивостью к ударным нагрузкам, а также, относительно низкими прочностью, модулю упругости и отличаются высокой стоимостью.

В композиции по патенту RU №2476461 (кл. C08L 23/06, C08K 3/22, B82B 1/00, опубл. 27.02.2013) в механоактивированный СВМПЭ добавляют модификатор оксид алюминия, представленный в виде модификации корунд двух фракций - размером 0,1 мм и размером 0,3 мм в соотношении 1:2 и в общем количестве 18% от массы СВМПЭ. Аналог выбран в качестве прототипа.

К недостаткам материала следует отнести высокую стоимость наполнителя (Аl₂О₃) и сложный технологический процесс изготовления.

Задача, на решение которой направлено заявленное решение, заключается в разработке конструкционного композиционного материала для изготовления деталей, использующихся в условиях влияния химически агрессивных сред (нефти, масел, смазок, топлива, кислот и щелочей и др.) и защиты от ударных, истирающих и налипающих воздействий.

Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в расширении ассортимента полимерных композиционных материалов конструкционного назначения на основе СВМПЭ за счет повышения прочности и надежности деталей, уменьшении интенсивности массового изнашивания материала.

Для решения поставленной задачи композиционный конструкционный материал на основе СВМПЭ, содержащий модификатор, отличается тем, что в качестве модификаторов содержит оксид цинка, 2-меркаптобензотиазол и серу при следующем соотношении компонентов, мас. %: СВМПЭ - 91,0-98,5; оксид цинка - 0,5-2,0; 2-меркаптобензотиазол - 0,5-2,0; сера - 0,5-5,0.

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, увеличение прочности исходного материала новой полимерной композиции в 1,5 раза, повышение надежности деталей машин, в частности, футеровок для облицовки горно-обогатительного и горнодобывающего оборудования, изделий конструкционного назначения, работающих в среде нефти, масел, смазок, топлива, кислот и щелочей.

Из уровня техники также известны исследования взаимодействия каучука с меркаптобензотиазолом (ускоритель вулканизации) и серой (вулканизующий агент) и оксидом цинка, способствующего интенсификации взаимодействия серы с макромолекулами каучука (см. Корнев А.Е. Технология эластомерных материалов / А.Е. Корнев, А.М. Буканов, О.Н. Шевердяев. - Истек, 2009. - 472 с.), влияния 2-меркаптобензотиазола и тетраметилтиурамдисульфида на взаимодействие серы с полиэтиленом (см. Догадкин Б.А. Взаимодействие полиэтилена с серой в присутствии меркаптобензотиазола и тетраметилтиурамдисульфида / Б.А. Догадкин, А.А. Донцов // Высокомолекулярные соединения. - 1963. - №. 1. - С. 1107-1117). При этом было установлено, что 2-меркаптобензотиазол вступает в реакцию с серой с образованием большого количества серосодержащих радикалов, а добавление оксида цинка совместно с серой и 2-меркаптобензотиазола приводит к увеличению степени сшивания и общей скорости реакций между макромолекулами каучука с серой.

Заявляемая композиция состоит из полимерной матрицы на основе СВМПЭ и наполнителей - оксида цинка, 2-меркаптобензотиазола (2-МБТ) и серы, добавляемых в качестве модификаторов.

Сущность изобретения состоит в следующем: в СВМПЭ вводятся оксид цинка, 2-МБТ, сера в количестве от 0,5 до 5 мас. %. При этом наблюдается повышение прочности материала в 1,5 раза в зависимости от концентрации наполнителей. Введение модификаторов в СВМПЭ позволяет увеличить прочность материала.

Разработанный композиционный материал применим для изготовления конструкционных изделий, работающих в среде нефти, масел, смазок, топлива, кислот и щелочей; в качестве футеровочного материала, применяемых для облицовки горно-обогатительного и горнодобывающего оборудования.

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

В рамках исследования использовались следующие соотношения компонентов (см. таблицу 1): оксид цинка - 0,5; 1; 2; 5 мас. %, 2-МБТ - 0,5;1; 2; 5 мас. %, сера - 0,5; 1; 2; 5 мас. %, СВМПЭ - 85; 88; 91; 94; 97; 98,5 мас. %.

Изготовление композитов из СВМПЭ проводят 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 смешивают в лопастном смесителе в сухом виде со скоростью вращения перемешивающих устройств 1200 об/мин.

Использование оксида цинка, серы, 2-МБТ позволяет без усложнения технологических операций получать полимерные композиционные материалы на основе СВМПЭ с повышенными прочностными свойствами.

Физико-механические свойства композитов исследовали на разрывной машине AGS-J (Shimadzu, Япония) согласно ГОСТ 11262-80 при скорости движения подвижных захватов 50 мм/мин. Модуль упругости при растяжении определяли согласно ГОСТ 9550-2014, триботехнические характеристики - на трибомашине UMT-3 (CETR, США).

Коэффициент трения определяли согласно ГОСТ 11629-2017. Схема трения «палец - диск». Образцы с диаметром 10,00±0,02 мм. Контртело - стальной диск из стали 45 с твердостью 45-50 HRC, шероховатость R_а = 0,06-0,08 мкм. Удельная нагрузка - 1,9 МПа, линейная скорость скольжения - 0,5 м/с. Время испытания 3 ч.

В таблице 2 приведены полученные значения физико-механических и триботехнических характеристик заявляемой композиции.

Полученные результаты исследования показывают, что наилучшими прочностными свойствами при растяжении обладает композиция СВМПЭ с содержанием серы в количестве 1 мас. %, оксида цинка - 1 мас. % и 2-МБТ - 1 мас. %: у заявляемой композиции прочность при растяжении на 25% больше, чем у ближайшего аналога, а по сравнению с исходным СВМПЭ прочность при растяжении увеличилось на 53%.