композитный наполнитель в виде порошка и способ его получения

Формула изобретения

1. Композитный наполнитель в виде порошка, частицы которого содержат, по меньшей мере, одно ядро из керамического материала и оболочку из полимера, отличающийся тем, что в качестве керамического материала он содержит карбид металла, а в качестве полимера оболочки он содержит политетрафторэтилен, причем объемная доля ядер в частице наполнителя составляет от 1 до 10%.

2. Композитный наполнитель в виде порошка по п.1, отличающийся тем, что в качестве карбида металла он содержит карбид, выбранный из ряда: карбид титана, карбид кремния, карбид вольфрама, карбид тантала, карбид ниобия.

3. Композитный наполнитель в виде порошка по п.1 или 2, отличающийся тем, что размер частиц наполнителя составляет не более 50 мкм.

4. Способ получения композитного наполнителя в виде порошка, частицы которого содержат, по меньшей мере, одно ядро из керамического материала и оболочку из полимера, заключающийся во взаимодействии частиц керамического материала и полимера, отличающийся тем, что частицы керамического материала в виде карбида металла активируют в механохимическом активаторе с интенсивностью подвода механической энергии от 1 до 5 кВт/кг и дозой от 30 до 1000 кДж/кг в среде, выбранной из ряда: воздух, азот, аргон, вакуум с давлением от 10^-2 до 1 атм, до получения частиц со средним размером не более 15 мкм, после чего в активатор вводят полимер в виде политетрафторэтилена и модифицируют частицы карбида металла с интенсивностью подвода механической энергии от 0,05 до 0,5 кВт/кг и дозой от 3 до 100 кДж/кг в среде, выбранной из ряда: воздух, азот, аргон, вакуум с давлением от 10^-2 до 1 атм.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области наполнителей для эластомерных материалов, работающих в условиях повышенного износа или сухого трения.

Известно использование наполнителей в виде порошка из керамических материалов, а именно из карбидов металлов: карбида титана, карбида хрома, карбида вольфрама, в резиновых смесях для получения износостойких изделий (RU 2230077, С08J 7/12, 2002 г.). В связи со слабым сцеплением карбидов металлов с полимерной матрицей карбид металла в резиновой смеси применяется совместно с дисперсией политетрафторэтилена в минеральном масле.

Такой способ введения наполнителя, требующий наличия жидкой фазы, не пригоден для создания многих композиций, желательно износостойкий наполнитель вводить в композиции в виде порошка, обладающего адгезионными свойствами к полимерной матрице.

Известно использование наполнителя в виде порошка из карбида титана в композициях на основе политетрафторэтилена, полиуретана, нитрильного каучука, фторэластомеров, полифениленсульфидов в виде дисперсии в никель-хромовой матрице (US 3713788, С10М 7/28, 1973 г.), в никель-хромовой с добавками молибдена и углерода матрице (US 4432883, С10М 7/28, 1984 г.).

Недостатком известного наполнителя является недостаточно высокое сцепление наполнителя с полимерной матрицей.

Известно использование в эластомерной матрице карбидов металлов в виде частиц с размером 0,1-10 мкм в оболочке из поликарбоксильной или полисилановой композиций или их комбинации. Порошок наполнителя получают путем взаимодействия частиц карбида металла с поликарбоксильными или полисилановыми компонентами в жидкой фазе и последующей сушкой при температуре 80-100°С (US 5527849, С08К 3/14, 1996 г., US 5665807, С08К 3/14, 1997 г.).

В качестве прототипа выбран композитный наполнитель в виде порошка и способ его получения, раскрытые в описании к патенту GB 2244489, С08К 9/06, 1991 г. Наполнитель содержит в одной частице, по меньшей мере, одно ядро из неорганического материала, например из керамического материала, и оболочку из силиконового эластомера, который является продуктом реакции монофункционального силоксана и вторичного мультифункционального силана. Связь ядра с оболочкой - химическая.

Способ получения указанного наполнителя включает приведение во взаимодействие частиц неорганического материала и жидких полисилоксановых и силановых компонентов, нанесение полученной реакционно-способной жидкости на поверхность частиц неорганического материала путем перемешивания в мешалке - смесителе барабанного типа с добавлением растворителя.

Указанный наполнитель хорошо распределяется в полимерной матрице, позволяет получать качественные изделия, но в качестве оболочки содержит оболочку, изготовленную только из полимера, полученного на основе силиконового каучука, и не предполагает изготовления оболочки из других полимерных материалов. Указанный способ предусматривает получение композитного наполнителя в виде порошка в оболочке только из жидкой фазы и не позволяет получать наполнитель в оболочке из твердой фазы.

Задачами настоящего изобретения являются расширение ассортимента наполнителей, обладающих повышенной адгезией к эластомерной матрице, с оболочкой не только из полимеров на основе силиконового каучука, а также способ получения композитного порошкового наполнителя в виде карбида металла в оболочке, которая выполнена из твердой фазы.

Эти задачи решаются путем создания композитного наполнителя в виде порошка, частицы которого содержат, по меньшей мере, одно ядро из керамического материала и оболочку из полимера, в котором в качестве керамического материала он содержит карбид металла, а в качестве полимера оболочки он содержит политетрафторэтилен, причем объемная доля ядер в частице композитного наполнителя составляет от 0,1 до 10%. В качестве карбида металла он может содержать карбид, выбранный из ряда: карбид титана, карбид кремния, карбид вольфрама, карбид тантала, карбид ниобия. Размер частиц композитного наполнителя составляет не более 50 мкм.

Способ получения предлагаемого композитного наполнителя в виде порошка заключается во взаимодействии частиц керамического материала и полимера, в котором частицы керамического материала в виде карбида металла активируют в механохимическом активаторе с интенсивностью подвода механической энергии от 1 до 5 кВт/кг и дозой от 30 до 1000 кДж/кг в среде, выбранной из ряда: воздух, азот, аргон, вакуум с давлением от 10^-2 до 1 атм, до получения частиц со средним размером не более 15 мкм. После чего в активатор вводят полимер в виде политетрафторэтилена и модифицируют частицы карбида металла с интенсивностью подвода механической энергии от 0,05 до 0,5 кВт/кг и дозой от 3 до 100 кДж/кг в среде, выбранной из ряда: воздух, азот, аргон, вакуум с давлением от 10^-2 до 1 атм.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен композитный наполнитель в виде порошка с одним ядром в оболочке, на фиг.2 - композитный наполнитель в виде порошка с несколькими ядрами в оболочке.

Композитный наполнитель в своем составе содержит, по меньшей мере, одно ядро 1 и оболочку 2. Ядро 1 выполнено из карбида металла, оболочка 2 - из политетрафторэтилена. В качестве карбида металла могут быть использованы карбиды титана, кремния, вольфрама, тантала, ниобия. Объемная доля ядер в частице композитного наполнителя составляет от 0,1 до 10%.

Способ получения предлагаемого наполнителя реализуют следующим образом.

Частицы карбида металла помещают в рабочую камеру механохимического активатора совместно с мелющими телами. Объем камеры, объем мелющих тел, динамические характеристики механохимического активатора подбираются с таким расчетом, чтобы обеспечить интенсивность подвода механической энергии к обрабатываемому материалу. Сам процесс активации проводят при комнатной температуре с интенсивностью подвода механической энергии от 1 до 5 кВт/кг в среде, выбранной из ряда: воздух, азот, аргон, вакуум с давлением от 10^-2 до 1 атм. Требуемая доза подведенной механической энергии в пределах от 30 до 1000 кДж/кг достигается длительностью обработки при заданной интенсивности. В результате активации получают частицы карбида металла со средним размером не более 15 мкм.

Затем через загрузочное устройство в рабочую камеру механохимического активатора вводят гранулы политетрафторэтилена со средним размером частиц до 100 мкм. Количество вводимого политетрафторэтилена должно соответствовать объемной доле полимера в конечном продукте. Динамические параметры механохимического активатора (частота и амплитуда) изменяют таким образом, чтобы обеспечить интенсивность подвода механической энергии к обрабатываемому материалу в пределах от 0,05 до 0,5 кВт/кг. Требуемая доза подведенной механической энергии в пределах от 3 до 100 кДж/кг достигается достаточной длительностью обработки при заданной интенсивности. Среда, в которой производится обработка карбида металла, выбирается из ряда: воздух, азот, аргон, вакуум с давлением от 10 ^-2 до 1 атм.

В результате обработки частиц карбида металла получают композитный наполнитель в виде порошка, частицы которого содержат карбид металла в оболочке из политетрафторэтилена.

В качестве матрицы используют композиции на основе бутадиеннитрильного, этиленпропиленового каучуков, бутилкаучука, фторкаучука.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Частицы карбида металла с размером частиц от 10 до 80 мкм и средним размером частиц до 50 мкм помещают в рабочую камеру механохимического активатора совместно с мелющими телами - набором металлических и/или агатовых шаров размером от 3 до 15 мм в диаметре и активируют по режимам (интенсивность подвода механической энергии, состав среды обработки), которые приведены в табл.1. В результате активации получают частицы карбида металла со средним размером, который приведен в табл.1. Через загрузочное устройство в рабочую камеру механохимического активатора дополнительно вводят гранулы политетрафторэтилена, со средним размером частиц до 100 мкм. Характеристики процесса модификации карбида металла (интенсивность, доза подвода механической энергии к обрабатываемому материалу), а также состав среды обработки приведены в табл.1. Размер полученных после обработки частиц и объемная доля ядер в частице наполнителя приведены в табл.1. Размер частиц определяли с помощью седиметрического анализа.

Полученный композитный материал вводили в резиновую смесь на основе бутадиен-нитрильного каучука СКН-26, наполненного техническим углеродом (120 мас.ч.), из нее формовали заготовки и вулканизовали изделия. Образцы, полученные из указанной резиновой смеси, содержащие заявляемый композитный наполнитель и без него (контрольный пример), были исследованы на машине торцевого трения МТТ-2 при скорости скольжения 4,4 м/с, при нормальной нагрузке в 16 и 19,2 Н без смазки (сухое трение) и на установке, имитирующей пару трения осевой опоры ступени погружного насоса ЭЦН. Испытания нижней шайбы рабочего колеса (НШРК) проводили на стенде для ускоренных триботехнических испытаний эластомерных подшипников ступеней с вертикальным расположением сборки насоса. Экспериментальный насос состоял из 5 ступеней ЭЦН 5-50, изготовленных методом порошковой металлургии. Материал ответной НШРК детали - бурта направляющего аппарата (БНА)- порошковая сталь ЖГр1Д15. Концентрация абразива в объеме перекачиваемой жидкости составляла 0,2% (2 г/л). Сравнительные значения скоростей изнашивания испытываемых образцов НШРК получены в режиме подачи 50 м³/сут. Продолжительность испытаний каждой группы образцов НШРК составляла 6 час. Коэффициенты трения в условиях сухого трения приведены в табл.2. Фрикционные свойства образцов в условиях гидроабразивного износа приведены в табл.3.

Из данных, представленных в табл.1, видно, что настоящее изобретение позволяет получить композитный наполнитель в виде порошка, частицы которого содержат, по меньшей мере, одно ядро из карбида металла в оболочке из политетрафторэтилена, которая обладает адгезией к полимерной матрице, предлагаемым способом изготовления композитного порошкового наполнителя путем обработки карбида металла твердым полимером - политетрафторэтиленом.

Из данных, представленных в табл.2 и 3, видно, что введение композитного наполнителя в виде порошка в резиновую смесь приводит к снижению коэффициента трения в условиях сухого трения и существенному снижению суммарной скорости изнашивания пары трения в условиях гидроабразивного износа.

Предлагаемый по настоящему изобретению композитный наполнитель в виде порошка расширяет ассортимент наполнителей, обладающих адгезиеи к полимерной матрице, которые позволяют изготавливать с их использованием износостойкие в условиях сухого трения и абразивного износа изделия из эластомерных материалов, а предлагаемый способ получения указанного наполнителя позволяет получить композитный наполнитель в виде порошка, частицы которого содержат, по меньшей мере, одно ядро из карбида металла и оболочку из полимера, изготовленную из твердой фазы.

Табл.1. Характеристики способа получения композитного порошкового наполнителя.
		Интенсивность подвода механической энергии, кВт/кг		Доза механической энергии, кДж/кг			Давление среды, атм.		Средний размер частиц, мкм		Объемная доля ядер в частице наполнителя, %	Достигаемая структура наполнителя
№ примера	Карбид металла	При активации	При модификации	При активации	При модификации	Среда	При активации	При модификации	После активации	После модификации
1	2	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
1	TiC	2	0,05	300	100	Вакуум	10 -2	10-2	15	40	2,0	Порошковый наполнитель в оболочке из ПТФЭ
2	TiC	2	0,2	1000	30	Азот	1	1	5	40	8,0	Порошковый наполнитель в оболочке из ПТФЭ
3	SiC	1	0,5	30	3	Воздух	1	1	10	50	9,6	Порошковый наполнитель в оболочке из ПТФЭ
4	WC	5	0,05	1000	100	Аргон	1	1	5	40	1,6	Порошковый наполнитель в оболочке из ПТФЭ
5	TaC	5	0,05	1000	100	Вакуум	10-2	10-2	5	40	0,2	Порошковый наполнитель в оболочке из ПТФЭ
6	NbC	4	0,05	500	50	Аргон	1	1	5	40	0,2	Порошковый наполнитель в оболочке из ПТФЭ

Табл.2
Коэффициент трения в условиях сухого трения.
№ примера	Нагрузка	Коэффициент трения
		Без наполнителя	Содержание наполнителя
			10 мас.ч.	20 мас.ч.
Контроль	16	0,25
ный	19,2	0,28
2	16		0,08	0,11
	19,2		0,12	0,135
3	16		0,14	0,155
	19,2		0,16	0,175
4	16		0,11	0,12
	19,2		0,125	0,13

Табл.3
Фрикционные свойства в условиях гидроабразивного износа
Показатели	Контрольный пример	Пример 2 по изобретению
		Содержание наполнителя
		10 мас.ч.	20 мас.ч.	30 мас.ч.
Средняя скорость изнашивания НШРК, мкм/ч.	3,14	0,25	0,18	0,17
Стандартное отклонение скорости изнашивания НШРК,мкм/ч.	3,26	0,1	0,08	0,11
Средняя скорость изнашивания БНА, мкм/ч.	17,1	16,7	14,3	19,4
Стандартное отклонение скорости изнашивания БНА, мкм/ч.	32,4	15,6	12,1	5,4
Суммарная скорость изнашивания пары НШРК-БНА, мкм/ч.	20.24	16,95	14,48	19,57