Антифрикційний полімерний композиційний матеріал

Реферат: Винахід належить до полімерного композиційного матеріалу (ПКМ), що використовується в металургійному, хімічному обладнанні і машинобудуванні, а саме для виготовлення підшипників ковзання. Описується антифрикційний ПКМ на основі резольної фенолоформальдегідної смоли, модифікованої фенілтриетоксисиланом, зі зниженою токсичністю (вміст залишкового фенолу до 1 %) і базальтових та поліамідних дискретних волокон як комбінованого наповнювача з антифрикційними добавками. Створений ПКМ має високі фізико-механічні властивості, гарну водостійкість, низький коефіцієнт тертя та знижену токсичність. Пропонований ПКМ може застосовуватися для виготовлення підшипників ковзання, що працюють у високонавантажених вузлах в умовах сухого тертя у вологих та агресивних середовищах і при високих температурах (до 200 °С). UA 99778 C2 (12) UA 99778 C2 UA 99778 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Пропонований винахід належить до полімерних композиційних матеріалів (ПКМ), зокрема, до ПКМ на основі фенолоформальдегідного зв'язуючого, які можуть бути використані як антифрикційний конструкційний матеріал для виготовлення підшипників ковзання, ущільнювальних кілець, втулок та інших виробів, здатних працювати в важконавантажених вузлах в умовах сухого тертя, при підвищених температурах і в вологих та інших агресивних середовищах. 7 Відомий антифрикційний ПКМ [Пат. 60619А Україна, МПК С08L 61/10, С08К 13/00, F16С 33/12. Антифрикційний композиційний матеріал / Мокієнко Р.Л. та інш. - № 200310336; заявл. 14.01.03; опубл. 15.10.03, Бюл. № 10], що включає фенольне зв'язуюче та поліоксадіазольні чи вуглецеві рубані волокна. До недоліків відомого винаходу необхідно віднести низькі фізико-механічні властивості, такі як ударна в'язкість (46 МПа) та межа міцності при вигині (145 МПа) при використанні поліоксадіазольних волокон, і високу вартість обох наповнювачів. Сьогодні велику цікавість викликають ПКМ, які армовані волокнами з мінеральних гірських порід - базальтопластики. Великою перевагою цих матеріалів є значні запаси сировини для їх виробництва. Найбільш близьким по технічній суті і результату, що досягається, до винаходу є композиційний матеріал [Пат. 51290А Україна, МПК C08L 61/70, С08К 5/16, С08І 5/14, С08І 5/16. Композиційний матеріал / Третьяков А.О. та інш. - № 2002021272; заявл. 15.02.02; опубл. 15.11.02, Бюл. № 11] (прототип), що включає фенолоформальдегідну смолу СФ-010, уротропін, оксид магнію, рубане базальтове волокно довжиною 8-10 мм, оброблене поліетиленгліколевмісним поліпероксидом, олеїнову кислоту при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: фенолоформальдегідна смола СФ-010 26,8-27,2 уротропін 9,7-9,9 оксид магнію 1,1-1,3 рубане базальтове волокно 58,5-59,3 поліетиленгліколевмісний поліпероксид 1,1-2,5 олеїнова кислота 1,2-1,4. До недоліків прототипу варто віднести низькі фізико-механічні характеристики ПКМ (ударна в'язкість складає 130 МПа, межа міцності при вигині - 61,5 МПа, теплостійкість по Мартенсу до 220 °C) та подорожчання наповнювача шляхом додаткової технологічної операції - модифікації хімічною речовиною і високу екологічну небезпеку у зв'язку з високим вмістом залишкового фенолу та технологічною необхідністю використання хімічних розчинників. Задачею пропонованого винаходу є створення конструкційного антифрикційного ПКМ з високими фізико-механічними, теплофізичними, триботехнічними властивостями на основі модифікованої фенілтриетоксисиланом (ФТЕС) водорозчинної фенолоформальдегідної смоли (ВФФС) зі зниженим вмістом фенолу (до 1 %) і волокнистого комбінованого наповнювача, який являє собою суміш рубаних мінеральних базальтових і хімічних поліамідних волокон. Поставлена задача досягається тим, що відомий антифрикційний ПКМ, що включає зв'язуюче на основі фенолоформальдегідної смоли та рубане базальтове волокно, відповідно до винаходу, він як зв'язуюче містить резольну водорозчинну фенолоформальдегідну смолу, модифіковану фенілтриетоксисиланом, та додатково містить аліфатичні поліамідні волокна довжиною 10-50 мм, графіт і нітрид бору при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: водорозчинна фенолоформальдегідна смола, модифікована фенілтриетоксисиланом 20,0-40,0 рубані базальтові волокна 68,0-33,0 рубані аліфатичні поліамідні волокна 10,0-20,0 графіт 1,0-6,0 нітрид бору 1,0-6,0. Для одержання композиційного матеріалу були використані: ровінг базальтовий рубаний ТУ У В.2.7.-26.8-34323267-002:2009, марка РБТ-18Т9; нитка анідна комплексна ТУ У 24.7-00204048-179:2007; препарат колоїдно-графітовий сухий з природного графіту ТУ 113-08-48-63-90, марка "С-1"; нітрид бору гексагональний ТУ 26.8-00-22222-6-00-2003. Зв'язуюче для композиції готують на основі водорозчинної фенолформальдегідної смоли, що являє собою продукт конденсації фенолу з формальдегідом, двостадійним способом. На першій стадії при мольному співвідношенні фенол:формальдегід 1:0,87 у присутності кислого каталізатора - соляної кислоти - конденсацію проводять при температурі кипіння реакційної 1 UA 99778 C2 5 10 15 20 25 30 маси протягом 30 хвилин. На другій стадії при загальному мольному співвідношенні фенол:формальдегід 1:1,19 у присутності лужного каталізатора - гідроксиду натрію конденсацію проводять при температурі 70 С протягом 3 годин. Отримана смола являє собою лужний розчин суміші олігомерних продуктів із ступенем полімеризації 3-5, сухим залишком 50-52 мас. %, в'язкістю за ВЗ-4 30-40 с, часом желатинізації при 150 С 60-68 с і вмістом вільного фенолу менше 1 мас. %. [Кобельчук Ю.М. Исследование вляния состава реакционной смеси на свойства водорастворимых фенолоформальдегидных смол и использование их в качестве связующего для древесных пластиков / Ю.М. Кобельчук, Ю.Н. Кучерук // Вопросы химии и химической технологии.-2000, №1. - С. 148-151]. Модифікація водорозчинної фенолформальдегідної смоли фенілтриетоксисиланом проводилась додаванням перед приготуванням зв'язуючого для композиції до необхідної кількості смоли 10 мас. % ФТЕС від маси сухої смоли з подальшим ретельним перемішуванням. Запропонований склад ПКМ дозволяє значно підвищити фізико-механічні властивості та водопоглинання за рахунок застосування модифікованого кремнійорганічною речовиною ФТЕС фенолоформальдегідного зв'язуючого, застосування більшого діапазону довжин рубаних волокон, а також підвищити триботехнічні характеристики за результатом введення антифрикційних добавок - графіту і нітриду бору. ПКМ одержують наступним способом: Базальтові і поліамідні нитки ріжуть на відрізки необхідної довжини, просочують розчином зв'язуючого, що являє собою водний розчин фенолоформальдегідної смоли, змішаний з необхідною кількістю ФТЕС та антифрикційних добавок - графіту і нітриду бору. Отриманий пресматеріал висушують до вмісту летких ~ 6 %. Висушений пресматеріал пресують при температурі 170±10 °C і питомому тиску 25 МПа. Приводимо приклади конкретного готування пропонованого винаходу: Приклад 1 ПКМ включає 20 мас. % модифікованої ФТЕС ВФФС і хаотично в ній розташований наповнювач, що включає суміш 68 мас. % базальтового і 10 мас. % поліамідного дискретних волокон довжиною 10-15 мм, 1 мас. % графіту і 1 мас. % нітриду бору. Приклади 2-3 ПКМ включає зв'язуюче і хаотично розташований у ньому комбінований волокнистий наповнювач та антифрикційні добавки відповідно до складів ПКМ, наведених в таблиці 1. Таблиця 1 Склад пропонованого полімерного композиційного матеріалу № зразка 1 2 3 Прототип 35 40 45 Склад наповнювача, мас. % Вміст зв'язуючого, Базальтове Поліамідне Довжина Графіт мас. % волокно, мас. % волокно, мас. % волокна, мм 20 68 10 10-15 1 30 51 15 20-25 2 40 33 20 30-50 4 46 58,5-59,3 8-10 Нітрид бору 1 2 3 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 модифікованої фенолоформальдегідної смоли менше 20 мас. % і більше 40 мас. %, базальтового рубаного волокна менше 33 мас. % і більше 68 мас. %, рубаного поліамідного волокна менше 10 мас. % і більше 20 мас. %, графіту менше 1 мас. % і більше 6 мас. %, нітриду бору менше 1 мас. % і більше 6 мас. % і також при довжині рубаних 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 ударної в'язкості та межі міцності при вигині, але текучість пресматеріалу при цьому знижується. Рекомендується застосування наповнювача з довжиною 10-15 мм для невеликих деталей зі складною конфігурацією, а 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 властивостей і водопоглинання ПКМ проводили відповідно до ДСТ для пластмас: ударна в'язкість по Шарпі - ДСТ 4647-80, межа міцності при вигині - ДСТ 4648-81, межа міцності при стиску - ДСТ 4651-82, водопоглинання - ДСТ 4650-80. 2 UA 99778 C2 5 Дослідження з визначення коефіцієнта тертя проводилися на машині СМТ-2 (ТУ 25.06.813) при швидкості ковзання 0,3 м/с, тиску 0,5 МПа і 2,5 МПа. Представлені в таблиці 2 дані показують, що запропонований антифрикційний ПКМ має в порівнянні з матеріалом прототипу в залежності від складу підвищені ударну в'язкість у 1,1-1,3 рази, межу міцності при вигині у 1,1-1,3 разу, межу міцності при стиску у 1,8-2,1 разу; теплостійкість по Мартенсу на 10-30 °C. Такі властивості досягаються застосуванням модифікованого кремнійорганічною речовиною ФТЕС фенолоформальдегідного зв'язуючого, застосуванням комбінованого наповнювача та антифрикційних добавок. 10 Таблиця 2 Фізико-механічні, теплофізичні, трибологічні властивості, водостійкість пропонованого ПКМ № зразка Ударна кДж Межа міцності, МПа, при Коефіцієнт тертя при Теплостійкість Водопоглинання, тиску по % Мартенсу, °C 0,5 2,5 МПа* МПа** 230 0,40 0,11 0,23 245 0,37 0,08 0,19 250 0,35 0,07 0,18 220 0,45 0,07 статичному стисненні вигині 1 140 128 112 2 148 148 119 3 170 153 130 Прототип 128-130 116-119 61,5 * Тиск відповідно ДСТ для звичайних пластмас; ** Тиск для ПКМ, які працюють в важконавантажених умовах тертя. 15 2 в'язкість, м З пропонованого антифрикційного ПКМ виготовлялися промислові зразки (деталі), що пройшли випробування в умовах працюючого обладнання металургійного заводу замість деталей, які виготовлялись з текстоліту, і по зносостійкості перевершили базові деталі в 2,5 рази, отримано рекомендації до впровадження пропонованого ПКМ замість базових деталей, оскільки вони мають значно більшу зносостійкість, нижчу собівартість та виготовляються з вітчизняної сировини. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 Антифрикційний полімерний композиційний матеріал, що містить зв'язуюче на основі фенолоформальдегідної смоли та рубане базальтове волокно, який відрізняється тим, що як зв'язуюче він містить резольну водорозчинну смолу, модифіковану фенілтриетоксисиланом, та додатково містить поліамідні аліфатичні волокна, при цьому довжина базальтових і поліамідних волокон складає 10-50 мм, графіт і нітрид бору при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: водорозчинна фенолоформальдегідна модифікована фенілтриетоксисиланом смола, 20,0-40,0 68,0-33,0 10,0-20,0 1,0-6,0 1,0-6,0. рубані базальтові волокна рубані аліфатичні поліамідні волокна графіт нітрид бору Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3