композиционный полимерно-волокнистый материал с антифрикционными свойствами (его варианты)

Формула изобретения

1. Композиционный полимерно-волокнистый материал с антифрикционными свойствами, включающий хлопчатобумажное волокно, фенолоформальдегидную или крезолоформальдегидную смолу; полиоксадиазольное, или полипарафенилентерефталамидное, или полиамидобензимидазольное волокно и графит, отличающийся тем, что в композиционном материале компоненты взяты при следующем количественном содержании, мас.%:

Хлопчатобумажное волокно	42,5-63
Фенолоформальдегидная или
крезолоформальдегидная смола	18-43
Полиоксадиазольное, или
полипарафенилентерефталамидное, или
полиамидобензимидазольное волокно	3-24,9
Графит	0,5-6,0

2. Композиционный полимерно-волокнистый материал с антифрикционными свойствами, включающий хлопчатобумажное волокно, полиоксадиазольное, или полипарафенилентерефталамидное, или полиамидобензимидазольное волокно и графит, отличающийся тем, что он дополнительно содержит лак бакелитовый при следующем количественном содержании компонентов, мас.%:

Хлопчатобумажное волокно	42,5-63
Лак бакелитовый	18-43
Полиоксадиазольное,
или полипарафенилентерефталамидное,
или полиамидобензимидазольное волокно	3-24,9
Графит	0,5-6

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к составам композиционного полимерно-волокнистого материала с антифрикционными свойствами, используемым в качестве материалов для изготовления деталей для пассажирских и грузовых вагонов железнодорожного транспорта, в частности деталей для тормозной рычажной передачи, а также для изготовления подшипников скольжения, узлов трения машин и механизмов в машиностроении, судостроении и авиастроении.

Известен композиционный полимерный материал, используемый в качестве антифрикционного материала, содержащий углеродный наполнитель на основе сырого нефтяного кокса, твердую фенолформальдегидную смолу, графит, щавелевокислый кадмий и порошковую смесь, при этом основным наполнителем в материале является нефтяной кокс, который содержится в количестве 40-60 мас.% (авторское свидетельство СССР №887589, С 08 J 5/16, 1980 г.).

Недостатком указанного полимерного материала является то, что основной компонент - сырой (непрокаленый) нефтяной кокс - имеет низкие показатели теплопроводности и микро-твердости и сравнительно низкие прочностные свойства, что обусловлено происхождением этого компонента: его получают из остатков переработки нефти при температуре до 550°С.

Известен антифрикционный полимерный материал, включающий твердую фенолоформальдегидную смолу, графит и термообработанный (прокаленный при средней температуре 1250°С) нефтяной кокс с определенной микроструктурной характеристикой (патент РФ №1790201 С1, С 08 J 5/16, C 08 L 61/10, 1989 г.).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению, принятому за прототип, для двух вариантов заявленного решения является антифрикционный композиционный полимерно-волокнистый материал, описанный в патенте РФ №2137790 С1, C 08 L 61/10, 1998 г.

Согласно описанию этот композиционный полимерный материал содержит следующие компоненты мас.%: полиоксадиазольное, или полипарафенилентерефталамидное, или полиамидобензимидазольное волокно (25-57), фенолоформальдегидную или крезолоформальдегидную смолу (18-43), хлопчатобумажное волокно (6-42), графит (1,5-16), оксид алюминия и глинозем (0,3-9).

Недостатком ближайшего аналога (прототипа) является сравнительно низкие его физико-технические показатели, такие как: коэффициент трения, предел прочности, ударная вязкость и твердость. Изделия, получаемые из этого полимерно-волокнистого материала, имеют сравнительно низкие технические показатели, что не позволяет широко использовать их в различных отраслях промышленности.

Задачей заявленного изобретения является получение такого композиционного полимерно-волокнистого материала, который имел бы высокие показатели по прочности, ударной вязкости, твердости при сохранении заданных показателей коэффициента трения и высокого показателя устойчивости к расслоению в процессе эксплуатации. Кроме того, задачей изобретения является возможность получения изделий (деталей) из полимерно-волокнистого материала с заданными техническими характеристиками, отвечающими требованиям при их эксплуатации, и тем самым расширить диапазон их использования в разных отраслях промышленности.

Для решения поставленной задачи предлагаются два варианта композиционного материала.

По первому варианту композиционный полимерно-волокнистый материал содержит: хлопчатобумажное волокно, фенолоформальдегидную или крезолоформальдегидную смолу, полиоксадиазольное, или полипарафенилентерефталамидное, или полиамидобензимидазольное волокно и графит при этом указанные компоненты взяты при следующем соотношении, мас.%:

хлопчатобумажное волокно	42,5-63
фенолоформальдегидная или
крезолоформальдегидная смола	18-43
полиоксадиазольное, или полипарафенилен-
терефталамидное, или полиамидобензимидазольное
волокно	3-24,9
графит	0,5-6

По второму варианту композиционный полимерно-волокнистый материал содержит хлопчатобумажное волокно, лак, полиоксадиазольное, или полипарафенилентерефталамидное, или полиамидобензимидазольное волокно и графит при следующем соотношении указанных компонентов, мас.%:

хлопчатобумажное волокно	42,5-63
лак бакелитовый	18-43
полиоксадиазольное, или полипарафенилен-
терефталамидное, или полиамидобензимидазольное
волокно	3-24,9
графит	0,5-6

В двух вариантах предложенного композиционного полимерно-волокнистого материала хлопчатобумажное волокно и полиоксадиазольное, или полипарафенилентерефталамидное или полиамидобензимидазольное волокно используются в качестве наполнителей. По первому варианту фенолоформальдегидная или крезолоформальдегидная смола композиционного материала, а по второму варианту лак бакелитовый используются в качестве связующего компонента, а графит в двух вариантах - в качестве пластификатора.

По первому варианту общими признаками предложенного композиционного полимерно-волокнистого материала и известного (прототип) является наличие в составе композиционного материала хлопчатобумажного волокна; фенолоформальдегидной или крезолоформальдегидной смолы; полиоксадиазольного, или полипарафенилентерефталамидного, или полиамидобензимидазольного волокна и графита, а отличительными признаками является то, что в композиционном материале компоненты взяты при следующем количественном содержании, мас.%:

хлопчатобумажное волокно	42,5-63
фенолоформальдегидная или
крезолоформальдегидная смола	18-43
полиоксадиазольное, или полипарафенилен-
терефталамидное, или полиамидобензимида
зольное волокно	3-24,9
графит	0,5-6

По второму варианту общими признаками предложенного материала и известного (прототип) является наличие в составе композиционного материала хлопчатобумажного волокна; полиоксадиазольного, или полипарафенилентерефталамидного, или полиамидобензимидазольного волокна и графита, а отличительными признаками является то, что он дополнительно содержит лак бакелитовый при следующем количественном содержании компонентов, мас.%:

хлопчатобумажное волокно	42,5-63
лак бакелитовый	18-43
полиоксадиазольное, или полипарафенилен-
терефталамидное, или полиамидобензимида-
зольное волокно	3-24,9
графит	0,5-6

Технология получения композиционного полимерно-волокнистого материала с антифрикционными свойствами по двум вариантам не требует специального дорогостоящего оборудования и включает следующие стадии: хлопчатобумажное и синтетическое волокна соединяют в заданных соотношениях (и в заданных пределах) и путем ткачества получают из него ткань с полотняным или с саржевым переплетением. Далее ткань по первому варианту пропитывают смесью (в виде однородной массы) из фенолоформальдегидной или крезолоформальдегидной смолы и графита, а по второму варианту - смесью из лака бакелитового и графита. При этом в двух вариантах каждый компонент полимерно-волокнистого материала берут в количествах в заданных указанных пределах. В обоих вариантах ткань пропускают через смесь со скоростью 0,6-2 м/мин. Пропитанную ткань отжимают, сушат при 80-100°С и режут на заготовки необходимой конфигурации. Из материала получают изделия методом прессования. В зависимости от изготовления того или иного изделия из полученного материала входящие ингредиенты в материал берут в заявленных их пределах и количественных соотношениях между собой.

Композицию с антифрикционными свойствами по двум вариантам можно получить и в виде сухой массы «волокнит». Для чего хлопчатобумажное и синтетическое волокна режут на куски (стренги) длиной 1-10 см, смешивают их в заданном количественном соотношении в мас.%, и далее пропитку заданной смесью и при заданном соотношении компонентов смеси и сушку повторяют, как описано выше. Из сухой массы методом прессования (трансфертного или литьевого) получают необходимые изделия.

Из материала, полученного по двум заявленным вариантам, причем как в виде ткани, так и в виде сухой массы, можно изготавливать изделия (детали) как простых, так и сложных геометрических форм.

В заявленном изобретении, как и в прототипе, используют фенольную смолу марок СФЖ 301, 304, а лак бакелитовый - ЛБС-1, ЛБС-16 и ЛБС-29 (лак на спиртовой основе).

В таблице представлены экспериментальные составы композиционного полимерно-волокнистого материала и его свойства. Данные таблицы показывают, что предложенный материал обладает сравнительно высокими техническими показателями по сравнению с известным решением (см. таблицу 4 прототипа), в частности, по показателям:

- «предел прочности», МН/кв.м: 73-120, в то время как по известному: 54-75 МН/кв.м.

- «ударная вязкость», кДж/кв.м: 30-102, в то время как по известному: 20-27 кДж/кв.м.

Показатель «твердость по Бринелю» по таблице составляет 220-290 МПа. Заявитель сопоставил этот показатель с показателем «износ за 30 дней испытания» и определил, что, например, для подшипников этот показатель составляет 0,7-1,0 мм, а по известному - 0,9-1,26 мм. При этом такие показатели, как «коэффициент трения» и «устойчивость к расслоению», сохраняются в нужных пределах.

Из данных таблицы также следует, что предложенный материал, включающий смолу (фенолоформальдегидную или крезолоформальдегидную) по первому варианту и включающий лак бакелитовый по второму варианту, имеют одинаковые высокие показатели по пределу прочности, ударной вязкости и твердости по Бринелю при одновременном сохранении высоких значений показателей коэффициента трения и устойчивости к расслоению.

Экспериментальные исследования показали, что только при содержании в композиционном материале предложенных ингредиентов, взятых в заданных их пределах и в заданных их количественном содержании в мас.%, удалось добиться решения поставленной задачи в части достижения заданных показателей как материала с антифрикционными свойствами, так и высоких показателей получаемых из этого материала изделий.

Из полученного композиционного полимерно-волокнистого материала с антифрикционными свойствами получают изделия с заданными техническими характеристиками, которые требуются при их эксплуатации, например, для деталей тормозной рычажной передачи, а также для изготовления подшипников скольжения, узлов трения машин и механизмов в машиностроении, судостроении и в авиастроении.

Изделия из предложенного материала «КПМ» обладают комплексом повышенных свойств, не являются токсичными в процессе эксплуатации, сохраняют высокую стойкость к падению тормозной эффективности при повышенных температурах и быстро восстанавливаются после охлаждения. Кроме того, они обладают повышенной долговечностью и надежностью в широком интервале рабочих температур.

Использование композиционного материала по изобретению для деталей тормозной рычажной передачи позволяет расширить область применения по сравнению с прототипом. В этой области применения реализуется свойство, заключающееся в повышении ударной вязкости.

В промышленных условиях доказано, что втулка, изготовленная из композиционного полимерного материала («КПМ») по двум вариантам, сохраняет свою работоспособность при температурных условиях от минус 55 до плюс 55°С и кратковременно от минус 60 до плюс 80°С. Поверхность изготовленных втулок гладкая, блестящая, с проглядыванием структуры ткани. Экспериментально доказано, что если пробег вагона, например, со втулкой из металла не превышает 250 тыс. км, то со втулкой, полученной из предложенного композиционного полимерно-волокнистого материала по двум вариантам, - до 900 тыс.км. Втулки из материала «КПМ» превосходят втулки, выполненные из металла как по степени надежности, так и по возможности использования их в самых разных отраслях промышленности.

Экспериментальные составы композиционного полимерно-волокнистого материала (КПМ) и их свойства.
Составы «КПМ»					Свойства композиционного полимерно-волокнистого материала
Содержание компонентов, в мас.%					К-нт трения, f	Предел прочности, В, МН/кв.м	Ударная вязкость, Н, кДж/кв.м	Твердость по Бринелю, МПа	Устойчивость к расслоению
	Волокнистые материалы		смола, лак бакел.	графит
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	Полиоксадиазольное	х/б
1	3	60	33	4	0,29	73	30	220	высокая
2	15	50	32	3	0,25	85	52	240	высокая
3	24	42	33	1	0,21	94	93	270	высокая
	Полипарафенилен-терефталамидное	х/б
1	3	60	33	4	0,31	78	38	235	высокая
2	15	50	32	3	0,26	92	68	255	высокая
3	24	42	33	1	0,23	120	102	290	высокая
	Полиамидобенз-имидазольное	х/б
1	3	60	33	4	0,31	75	32	225	высокая
2	15	50	32	3	0,26	88	57	250	высокая
3	24	42	33	1	0,22	99	98	280	высокая