Полімерний композиційний матеріал

Реферат: Винахід належить до полімерного композиційного матеріалу, що використовується як конструкційний матеріал для виготовлення підшипників ковзання, ущільнювальних кілець, втулок та інших виробів, що працюють у високонавантажених вузлах тертя у агресивних середовищах при високих температурах. Полімерний композиційний матеріал містить водорозчинну дифенілолпропанформальдегідну смолу зі зниженою токсичністю, тому що вона UA 114554 C2 (12) UA 114554 C2 не містить вільного фенолу, та як наповнювач - дискретний волокнистий базальтовий наповнювач і антифрикційну добавку - графіт. UA 114554 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Пропонований винахід стосується полімерних композиційних матеріалів (ПКМ), зокрема ПКМ на основі дифенілолпропанформальдегідного зв'язуючого (ДФПФАЗ), які можуть бути використані як конструкційний матеріал для виготовлення підшипників ковзання, втулок, ущільнювальних кілець та інших виробів, здатних працювати у важконавантажених вузлах тертя при підвищених температурах, вологих та інших агресивних середовищах. Відомий антифрикційний ПКМ [А.И. Буря, Н.Г. Черкасова, О.П. Червинцева, М.В. Бурмистр, В.В. Ильюшонок Исследование свойств фенопластиков на основе измельченных отходов химических волокон // Вопросы химии и хим. технологии. - 2004. - №1, - С.121-124], що включає фенолоформальдегідне зв'язуюче на основі промислового лаку ЛБС-1 та волокнистий наповнювач з хаотичною схемою армування, який являє собою вуглецеві, поліоксадіазольні волокна та їх суміш. До недоліків відомого винаходу належать низькі ударна в'язкість, межа міцності при вигину, теплостійкість та екологічність, оскільки вміст вільного фенолу складає до 10 мас. % у складі лаку ЛБС-1 та при виготовленні препрегів ПКМ застосовуються органічні розчинники. Також відомий ПКМ [Пат. 103286 Україна, МПК (2006.01) C08L 61/10, F16C 33/12, С08К 3/10, С08К 7/04 Полімерний композиційний матеріал / Ліпко О.О. та інш. - № а201213363; заявл. 23.11.12; опубл. 25.09.13, Бюл. № 18], що включає зв'язуюче на основі модифікованої Nзаміщеним полі-ε-капролактамом резольної фенолоформальдегідної смоли (ФФС) і дискретного базальтового волокнистого наповнювача. До недоліків даного винаходу треба віднести складність процесу попереднього отримання Nзаміщеного полі-ε-капролактаму та застосовування у складі зв'язуючого промислового лаку ЛБС-1, який містить до 10 мас. % вільного фенолу. Більш близьким за складом фенолоформальдегідного зв'язуючого(ФФЗ) є відомий ПКМ [Научно-технический сб. "Коммунальное хозяйство городов", вып. 22,2000 р., Киев, "Техніка", с. 103-104, авторов Р.Л. Мокиенко, Е.А. Липко], що включає водорозчинний фенолоформальдегідний зв'язувач та волокнистий наповнювач органічного та вуглецевого походження. До недоліків відомого винаходу належать невисокі ударна в'язкість, теплостійкість і високе водопоглинання, високий коефіцієнт тертя та вміст вільного фенолу у зв'язуюче до 1 мас. %. Найбільш близьким за технічною суттю та результату, що досягається, до винаходу, є полімерний композиційний матеріал [Пат. 99778 Україна, МПК (2006.01) C08L 61/10, F16C 33/12 Антифрикційний полімерний композиційний матеріал / Ліпко О.О. та інш. - № а 201102347; заявл. 28.02.11; опубл. 25.09.12, Бюл. № 18] (прототип), що включає модифіковану фенілтриетоксисиланом водорозчинну ФФС, волокнистий комбінований наповнювач, який являє собою суміш рубаних мінеральних базальтових і хімічних поліамідних волокон, графіт і нітрит бору при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: водорозчинна ФФС модифікована 20,0-40,0 фенілтриетоксисиланом рубані базальтові волокна 68,0-33,0 рубані аліфатичні поліамідні 10,0-20,0 волокна графіт 1,0-6,0 нітрит бору 1,0-6,0. До недоліків прототипу належать низькі фізико-механічні характеристики ПКМ, теплостійкість за Мартенсом та низька екологічність, оскільки його зв'язуюче містить вільний фенол до 1 %. Задачею пропонованого винаходу є створення конструкційного ПКМ з високими фізикомеханічними, теплофізичними, триботехнічними, екологічними властивостями на основі дифенілолпропанформальдегідної смоли (ДФПФАС) і базальтового волокнистого наповнювача. Поставлена задача вирішується тим, що відомий ПКМ, що включає зв'язуюче на основі модифікованої резольної водорозчинної ФФС, та рубане базальтове волокно, відповідно до винаходу, як зв'язуюче містить резольну водорозчинну ДФПФАС, при цьому довжина волокон складає 12-50 мм при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: водорозчинна ДФПФАС 20,0-30,0 базальтові волокна 63,0-77,0 графіт 3,0-7,0. Для одержання ПКМ були використані: Ровінг базальтовий рубаний ТУ У В.2.7. - 26.8-34323267-002:2009, марка РБР-18Т9. Препарат колоїдно-графітовий сухий з природного графіту ТУ 113-08-48-63-90, марка „С-1". 1 UA 114554 C2 5 10 15 20 25 30 Зв'язуюче для композиції отримували на основі водорозчинної ДФПФАС за допрацьованою методикою, наведеною в [Кобельчук Ю.М., Кучерук Ю.Н. Исследование влияния состава реакционной смеси на свойства водорастворимых фенолформальдегидных смол и использование их в качестве связующего для древесных пластиков // Вопросы химии и хим. технологии. 2000. № 1. - С. 148-152], за якою дифенілолпропанформальдегідну смолу отримували конденсацією дифенілолпропану (ДФП) з формальдегідом двостадійним способом: на першій, новолачній стадії на три активні атоми водню було взято 0,87 моля формальдегіду у вигляді 37,3 %-ного розчину формаліну і 0,125 мл концентрованої соляної кислоти, додатково вводили 50 мл води на 0,5 моля ДФП. Суміш нагрівали до кипіння, витримували 30 хвилин і охолоджували до 80 °C. На другій стадії додавали у вигляді 45 %-ного розчину 8 г гідроксиду натрію на 1 еквівалент гідроксильних груп, підтримуючи температуру реакційного середовища в інтервалі 75-80 °C, коли реакційна маса переходила в однофазний стан, додавали другу частину формальдегіду у вигляді 37,3 %-ного розчину у кількості 1,03 моля на 3 еквіваленти активних атомів водню. Реакційну суміш витримували при температурі 70 °C 3 години. Отримували світло-жовтого кольору смолу з сухим залишком ~ 45 мас. %. Запропонований склад ПКМ дозволяє підвищити фізико-механічні властивості, теплостійкість та знизити водопоглинання за рахунок дифенілолформальдегідної матриці у складі ПКМ, а також значно підвищити екологічну безпеку за рахунок використання у синтезі ФФС як фенольної складової замість фенолу (II клас токсичності) дифенілолпропану (III клас токсичності). ПКМ одержують наступним способом: Базальтові нитки ріжуть на відрізки необхідної довжини, просочують розчином зв'язуючого, що являє собою водний розчин дифенілолпропанформальдегідної смоли, змішаний з необхідною кількістю антифрикційної добавки - графіту. Отриманий прес-матеріал висушують до вмісту леткої фракції - 3-3,5 мас. %. Висушений прес-матеріал пресували при температурі 170±5 °C, витримці - 2 хвилини на 1 мм товщини зразка і питомому тиску 25 МПа. Приводимо приклади конкретного виготовлення пропонованого винаходу: Приклад 1. ПКМ включає 20 мас. % дифенілолпропанформальдегідного зв'язуючого і 77 мас. % хаотично розташованого в ньому дискретного базальтового волокнистого наповнювача з довжиною волокон 12 мм і 3 мас. % графіту. Приклад 2, 3. ПКМ включає зв'язуюче, хаотично розташований у ньому волокнистий наповнювач і антифрикційну добавку відповідно до складів ПКМ, наведених в таблиці 1. Таблиця 1 Склад пропонованого ПКМ № зразка 1 2 3 Прототип 35 40 45 Вміст смоли у перерахунку на сухий залишок, мас. % 20 25 30 20-40 Вміст наповнювача, мас. % Довжина волокон наповнювача, мм Вміст графіту, мас. % 77 70 63 53-78 12-15 20-30 30-50 10-50 3 5 7 1-6 Експериментальні дослідження пропонованого ПКМ як антифрикційного конструкційного матеріалу із підвищеними фізико-механічними властивостями, високими теплостійкістю і водостійкістю і достатніми антифрикційними властивостями показали, що при вмісті в ПКМ дифенілолпропанформальдегідної смоли менше 20 мас. % і більше 30 мас. %, базальтового рубаного волокна менше 63 мас. % і більше 77 мас. %, графіту менше 3 мас. % і більше 5 мас. % і також довжини рубаних базальтових волокон менше 10 мм і більше 50 мм не вдається досягти поставленої задачі. За результатом проведених досліджень встановлено, що збільшення довжини відрізків волокон в пропонованому ПКМ веде до підвищення фізико-механічних властивостей, але текучість пресматеріалу при цьому знижується. Рекомендується застосування наповнювача з довжиною 10-15 мм для невеликих деталей зі складною конфігурацією і з довжиною 20-25 мм і 30-50 мм для виробів, які мають просту геометричну форму та працюють в дуже складних умовах навантаження. Дослідження фізико-механічних, теплофізичних властивостей і водопоглинання ПКМ проводили згідно ДСТів для пластмас: ударна в'язкість за Шарпі - ДСТ 4647-80, межа міцності при 2 UA 114554 C2 5 статичному вигині - ДСТ 4648-81, межа міцності при стисненні - ДСТ 4651-82, водопоглинання ДСТ 4650-80, теплостійкість за Мартенсом - ДСТ 21341-75, щільність - ДСТ 15139-69. Дослідження з визначення коефіцієнта тертя проводились на машині тертя СМТ-2 (ТУ 25.06.813) при швидкості ковзання 0,3 м/с, тиску 2,5 МПа. Представлені в таблиці 2 дані показують, що запропонований ПКМ має в порівнянні з матеріалом прототипу в залежності від довжини волокон наповнювача підвищену ударну в'язкість у 1,2-1,3 разу, межу міцності при вигині у 1,2-1,6 разу, межу міцності при стисненні у 1,2-1,7 разу, теплостійкість за Мартенсом на 45-50 °C, зниження водопоглинання у 1,2-1,3 разу, коефіцієнта тертя у 1,3-1,4 разу. 10 Таблиця 2 Властивості пропонованого ПКМ Межа міцності, МПа, при Ударна № зразка в'язкість, статичному стисненні 2 кДж/м вигині 1 165 160 135 2 197 190 211 3 225 240 235 Прототип 140-170 128-153 112-130 15 Теплостійкість за Водопоглинання, Коефіцієнт Мартенсом, °C % тертя 295 >300 >300 230-250 0,34 0,33 0,30 0,35-0,40 0,160 0,146 0,137 0,18-0,23 Такі властивості досягаються застосуванням як фенольної складової замість фенолу дифенілолпропану у фенолоформальдегідній матриці ПКМ. Високі фізико-механічні властивості та низьке водопоглинання пояснюються присутністю ізопропільних груп у структурі полімерної сітки, що робить її менш крихкою та більш еластичною. Відсутність вільного фенолу у дифенілолпропанформальдегідному зв'язуючому, як на стадії виготовлення препрегів ПКМ, так і при подальшій їх переробці та експлуатації дозволяє рекомендувати застосування нового ПКМ, наприклад, при виготовленні роликів транспортерів, елементів конструкції підлог у промислових приміщеннях та інших виробів у харчовій та легкій промисловостях. 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 Полімерний композиційний матеріал, що містить зв'язуюче на основі резольної термореактивної смоли та рубане базальтове волокно, який відрізняється тим, що як зв'язуюче містить водорозчинну дифенілолпропанформальдегідну смолу, антифрикційну добавку графіт, при цьому довжина базальтових волокон складає 12-50 мм, при такому співвідношенні компонентів, мас. %: водорозчинна дифенілолпропанформальдегідна 20,0-30,0 смола базальтові волокна 63,0-77,0 графіт 3,0-7,0. Комп’ютерна верстка О. Рябко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3