состав для получения композиционного материала

Формула изобретения

Состав для получения композиционного материала, включающий политетрафторэтилен, углеродный модификатор, отличающийся тем, что в качестве углеродного модификатора он содержит медьсодержащий углеродный наполнитель с содержанием меди 0,1-80 мас.% и дополнительно фторсодержащий олигомер с молекулярной массой 2000-5000 ед. марок «Эпилам» или «Фолеокс» при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Медьсодержащий углеродный наполнитель
с содержанием меди 0,1-80 мас.%	0,1-40
Фторсодержащий олигомер
с молекулярной массой 2000-5000 ед.
марок «Эпилам» или «Фолеокс»	0,1-1,0
Политетрафторэтилен	Остальное до 100

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в машиностроении для изготовления узлов трения машин и механизмов различного назначения.

Известны композиционные герметизирующие материалы на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), в состав которых введены различные функциональные добавки - сиалоны, графит, дисульфид молибдена и порошки оксидов, металлов, силикатов [1]. Дисперсность применяемых модификаторов составляет от 50-100 нм до 100-200 мкм. Введение модификаторов в количестве от 5 до 40 мас.% позволяет существенно повысить износостойкость ПТФЭ и его нагрузочную способность. Вместе с тем, существенно снижается ударная вязкость материала и прочность при растяжении, что обусловлено высокой вязкостью расплава ПТФЭ и его плохой смачивающей способностью по отношению к частицам наполнителя.

Прототипом изобретения является состав композиционного материала на основе ПТФЭ, содержащий в качестве функционального наполнителя углеграфитовое волокно в сочетании с сухими смазками - графитом, дисульфидом молибдена и т.п. Такой материал выпускают под торговой маркой «Флубон» [2]. Материал «Флубон» или его аналог «Флувис» применяют для изготовления деталей подвижных и неподвижных сопряжений в различных герметизирующих системах.

Недостатками прототипа являются невысокие прочностные характеристики, прежде всего показатели прочности при растяжении, ударной вязкости, и относительная невысокая износостойкость при эксплуатации узла трения без подвода внешней смазки.

Задачей изобретения является повышение износостойкости композиционного герметизирующего материала, в том числе при эксплуатации без смазки, и увеличение прочностных характеристик материалов, в т.ч. показателя прочности при растяжении и твердость.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом составе для получения композиционного материала, включающем политетрафторэтилен, углеродный модификатор, в качестве углеродного модификатора содержится медьсодержащий углеродный наполнитель с содержанием меди 0,01-80 мас.% и дополнительно фторсодержащий олигомер с молекулярной массой 2000-5000 ед. марок «Эпилам» или «Фолеокс» при следующем соотношении компонентов в мас.%:

медьсодержащий углеродный наполнитель
с содержанием меди 0,01-80 мас.%	1,0-40
фторсодержащий олигомер с молекулярной
массой 2000-5000 ед. марок «Эпилам» или «Фолеокс»	0,1-1,0
политетрафторэтилен	остальное до 100

Вариантом исполнения композиционного герметизирующего материала является использование смеси медьсодержащих наполнителей и смеси фторсодержащих олигомеров.

Сущность изобретения состоит в том, что применение медьсодержащего углеродного наполнителя в сочетании с фторсодержащим олигомером позволяет реализовать синергический эффект, заключающийся в одновременном повышении прочностных и триботехнических характеристик. Этот эффект обусловлен, с одной стороны, образованием прочной адгезионной связи на границе раздела «матрица - наполнитель» за счет пластифицирования частицы политетрафторэтилена. Тождественность фторсодержащего олигомера и матрицы политетрафторэтилена обуславливает термомеханическую совместимость и пластифицирование матрицы, находящейся в высокоэластическом состоянии. Наличие нанодисперсных частиц меди в углеродном компоненте увеличивает прочность армирующих агрегатов. С другой стороны, в результате физико-химических превращений происходит образование соединений, по составу и свойствам близких к солям фторкислот, которые обладают хорошими противоизносными свойствами.

Примеры составов для получения композиционных материалов конкретного выполнения приведены в табл.1.

Таблица 1 Составы для получения композиционных материалов
Компонент	Содержание, мас.%
	Прототип		Заявляемые составы
	I	II	I	II	III	IV	V	VI	VII
1. Углеродный наполнитель:
углеродное волокно «Урал»,	19,5	-	-	-	-	-	-	-	-
- углеграфитовое волокно «Вискум»,	-	19,5	-	-	-	-	-	-	-
- углеграфитовое волокно «Урал» с содержанием меди 0,01 мас.%,	-	-	0,5	0,75	19,5	39	44	-	-
- углеграфитовое волокно «Вискум» с содержанием меди 0,01 мас.%,	-	-	-	-	-	-	-	19,5	-
- углеграфитовое волокно «Вискум» с содержанием меди 0,1 мас.%	-	-	-	-	-	-	-	-	19,5
- графит	0,5	0,5	-	-	-	-	-	-	-
- графит металлизированный
с содержанием меди:	-	-	0,25	0,25	0,5	1	1	-	0,25
- 5 мас.%,	-	-	-	-	-	-	-	0,5	-
- 40 мас.%	-	-	-	-	-	-	-	-	0,25
- 80 мас.%
Фторсодержащий олигомер:
- «Эпилам»	-	-	-	-	-	-	-	-	0,75
- «Фолеокс» Ф-1	-	-	0,05	0,1	0,5	1,0	1,5	-	-
- «Фолеокс» Ф-14	-	-	-	-	-	-	-	0,5	0,25
- политетрафторэтилен	80	80	99,2	98,9	79,5	59	53,5	79,5	79,5

Примеры изготовления композиционных герметизирующих материалов в соответствии с прототипом и заявленными составами представлены ниже. Прототип [состав I]. 200 г углеграфитового волокна «Урал» измельчают на дисмембраторном измельчителе в течение 30 мин. Полученный наполнитель в необходимом соотношении смешивают с графитом коллоидным марки С-1 и порошкообразным политетрафторэтиленом марки Ф-4 в быстроходном лопастном смесителе в течение 30 мин до получения однородной композиции. Полученный материал перерабатывают в изделия по двухстадийной технологии. На первой стадии осуществляют холодное прессование заготовок при 20°С и давлении 50 МПа. Затем полученные заготовки спекают при температуре 270-350°С в течение 10 часов в атмосфере воздуха. Из полученных заготовок методом фрезерования и точения изготавливали образцы для проведения сравнительных испытаний по общепринятой методике. Триботехнические испытания проводили по схеме «пальчик - диск» при скорости 1 м/с и удельной нагрузке 10 МПа при трении без смазки и со смазкой маслом марки МС-20.

Прототип [состав II]. Технология изготовления и переработки данного композиционного материала аналогичны вышеописанным. В качестве наполнителя использовали углеграфитовое волокно марки «Вискум» производства ПО «Химволокно» г.Светлогорск.

Заявляемые составы [I-VII]. Технология изготовления и переработки композиционных материалов заявляемых составов аналогичны описанным. Медьсодержащий углеродный наполнитель получали по двум технологиям.

По первой технологии. Углеродный наполнитель высушивали до удаления низкомолекулярных компонентов при температуре 100±5°С в течение 5-6 часов в слое толщиной не более 1 см. После этого его обрабатывали водным или спиртовым раствором соли - источника металла. В качестве такой соли использовали муравьинокислые (формиаты) и щавелевокислые (оксалаты) соли меди. При достижении некоторой температуры, превышающей температуру разложения, эти соединения разлагаются по следующим схемам:

- для формиатов

- для оксалатов

Образующийся металл, находящийся в высокодисперсном состоянии, взаимодействует с углеродным носителем и образует медьсодержащий углеродный наполнитель. Содержание металла в наполнителе регулируется изменением концентрации раствора или увеличением числа обработок. Размеры единичных частиц меди соответствуют размерам дефектов и не превышают 3-10 нм. Термообработку модифицированного солью наполнителя проводят в безокислительной среде во избежание окисления образующегося металла. Для этого наполнитель обрабатывают 1-2 мас.% раствором фторсодержащего олигомера. Медьсодержащий наполнитель измельчают на дисмембраторной мельнице в течение 30 мин. Далее смешивают наполнитель и матрицу в лопастном смесителе до получения однородного состава.

По второй технологии медьсодержащий наполнитель получают осаждением частиц металла на углеродную подложку в процессе химического восстановления из соответствующей соли. Для получения, например, медьсодержащих наполнителей используют соли меди - сульфат, нитрат, формиат и т.п. Содержание металла в наполнителе в этом случае регулируется временем химического восстановления. При такой технологии медь осаждается главным образом в дефектах поверхностного слоя и имеет размеры моночастиц не более 30 нм. Отдельные моночастицы образуют более крупные конгломераты со слабыми физическими связями. Такие конгломераты при сравнительно небольших механических воздействиях разрушаются с образованием моночастиц, пластически деформирующихся под воздействием контактного давления и напряжений сдвига. Частицы медьсодержащего углеродного наполнителя смешивают с полимерной матрицей в смесителе до получения однородной композиции. Прессование изделий осуществляется по вышеописанной технологии.

В качестве фторсодержащих олигомеров использовали продукты, выпускаемые в Российской Федерации под торговыми марками «Эпилам» и «Фолеокс». Олигомер «Эпилам» представляет собой перфторированную карбоновую кислоту со структурной формулой:

«Эпиламы» марок 6СФК-180-05 и СФК-180-20 представляют собой 0,5 и 2,0 мас.% растворы перфторкислоты в хладоне 113 (ГОСТ 23844-79). Их выпускают по ТУ6-02-2-610-80. Олигомеры «Фолеокс» являются аналогами олигомеров «Эпилам». Их выпускают по ТУ 38.03.1.013. «Фолеокс» марки Ф-1 имеет структурную формулу:

Олигомеры марки Ф-14 вместо функциональной карбоксильной группы содержат группу CF₃.

Молекулярная масса олигомеров зависит от степени полимеризации п и составляет от 2000 до 5000 ед.

Растворитель активного вещества (фреон или хладон) улетучивается в процессе приготовления материала и влияния на его свойства в дальнейшем не оказывает.

Физико-механические и триботехнические характеристики композиционных материалов приведены в табл.2.

Таблица 2. Физико-механические и триботехнические характеристики
Характеристика	Показатель для материала
	Прототип		Заявляемый состав
	I	II	I	II	III	IV	V	VI	VII
1. Разрушающее напряжение при растяжении, МПа	18,0	17,0	19,0	25,0	30,1	23,0	18,0	32	31,5
2. Твердость по Бринеллю, МПа	53	53	38	52	60	65	60	63	64
3. Коэффициент трения без смазки:
- при нагрузке 5 МПа	0,22	0,20	0,20	0,22	0,22	0,23	0,25	0,22	0,22
- при нагрузке 10 МПа	0,15	0,13	0,13	0,13	0,14	0,13	0,20	0,15	0,17
- при нагрузке 15 МПа	0,25	0,25	0,10	0,08	0,07	0,08	0,10	0,10	0,10
- трение со смазкой и при нагрузке 15 МПа	0,10	0,10	0,08	0,05	0,05	0,06	0,08	0,05	0,05
4. Интенсивность изнашивания, J×10 7:
- при нагрузке 5 МПа	3,5	3,2	2,8	1,8	1,7	1,75	1,9	1,65	1,63
- при нагрузке 10 МПа	3,2	3,0	2,6	1,7	1,6	1,7	1,8	1,70	1,71
- при нагрузке 15 МПа	5,8	5,5	2,4	1,5	1,53	1,4	1,6	1,53	1,45
5. Нагрузочно-скоростной диапазон применения [PV], 1 МПа, м/с:
- при трении без смазки	8	8	10	12	14	14	14	15	15
- при трении со смазкой	10	10	12	15	18	20	20	21	22

Как следует из данных, представленных в табл. 2, заявляемые составы в заявленном соотношении компонентов (II-IV, VI, VII) превосходят прототип по износостойкости, прочности и имеют более высокий показатель [PV]. Уменьшение содержания компонентов (металлсодержащего углеродного наполнителя и фторсодержащего олигомера) ниже заявленных пределов (состав I) приводит к снижению показателей физико-механических и прочностных характеристик. Превышение содержания компонентов (состав IV) не дает дополнительного эффекта. Замена марки фторсодержащего олигомера не снижает достигаемого эффекта, а увеличение содержания металла в металлсодержащем углеродном наполнителе обеспечивают увеличение триботехнических характеристик.

Разработанный композиционный герметизирующий материал может быть использован для изготовления деталей статических и динамических (триботехнических) уплотнительных устройств различных машин, механизмов и технологического оборудования.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. А.А.Охлопкова. Физико-химические принципы создания триботехнических материалов на основе полимеров и ультрадисперсных керамик: Автореф. дис. ...докт. техн. наук: - Гомель, 1999. - С.25.

2. Г.А.Сиренко. Антифрикционные карбопластики. - Киев: Технiка, 1995. - С.195.