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 неорганического материала и оболочку из полимера, отличающийся тем, что в качестве неорганического материала он содержит квазикристаллический сплав Al-Cu-Fe или квазикристаллический сплав Al-Cu-Cr, а в качестве полимера оболочки он содержит термопласт с модулем упругости от 1, 5 до 5,0 ГПа, причем объемная доля ядер в частице наполнителя составляет от 1 до 10%.

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

3. Способ получения композитного наполнителя в виде порошка, частицы которого содержат, по меньшей мере, одно ядро из неорганического материала и оболочку из полимера, заключающийся во взаимодействии частиц неорганического материала и полимера, отличающийся тем, что частицы неорганического материала в виде квазикристаллического сплава Al-Cu-Fe или квазикристаллического сплава Al-Cu-Cr 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 термопласта с модулем упругости от 1,5 до 5,0 ГПа и модифицируют частицы квазикристаллического сплава Al-Cu-Fe или квазикристаллического сплава Al-Cu-Cr 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 сухого трения или повышенного износа и применяемых в двигателе-, компрессоро-, насосо-строении и других отраслях промышленности.

Известно использование порошков металлов и сплавов в качестве наполнителя в полимерных композициях для получения износостойких изделий. (Г.С.Кац, Д.В.Милевски. Наполнители для полимерных композиционных материалов. М.: Химия, 1981 г., с. 234, 245). Однако металлические порошки обладают низким сцеплением с эластомерной матрицей, что не дает возможности получать качественные изделия из эластомерных материалов.

Известно использование квазикристалла Al-Cu-Fe в композите Al-Cu-Fe квазикристалл/полиэтилен высокого давления для изготовления биоматериала для протеза тазобедренного сустава. (Anderson, B., Bloom, P.D., Al-Cu-Fe Quasicrystal/Ultra High Molecular Weight Polyethylene Composites as Biomaterials for Acetabular Cup Prosthetics, Biomateriaals 2002, 23, 1761).

Известно использование квазикристалла Al-Cu-Fe в композите Al-Cu-Fe квазикристалл/эпоксидный материал (Bloom, P.D., Baikeraker, K.G., Fabrication and weer resistance of Al-Cu-Fe Quasicrystal-epoxy composite materials, Materials Science and Engineering A, 2003, 360 (1-2), 46.

Известно использование квазикристаллов в полимер/квазикристал композитах. (Bloom, P.D., Baikeraker, K.G.,Development of Novel Polymer/Quasicrystal Composite Materials, Materials Science and Engineering A, 2000 294-296,156). Использование наполнителей из квазикристаллов в полимерной матрице придает изделиям противоизносные свойства, но в связи с плохим сцеплением частиц квазикристалла с эластомерной матрицей невозможно получение качественных изделий с их использованием из эластомерных материалов.

В качестве прототипа для композитного наполнителя в виде порошка и способа его получения выбран композитный наполнитель в виде порошка и способ его получения, раскрытые в описании к патенту US 5182173, В32В 25/20, 1993 г. Наполнитель содержит в одной частице, по меньшей мере, одно ядро из неорганического материала, например из металла, 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 жидких полисилоксановых и силановых компонентов, нанесение полученной реакпионноспособной жидкости на поверхность неорганических частиц 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, полученных на основе силиконового каучука, а также способ получения композитного наполнителя в виде порошка, частицы которого содержат квазикристаллический сплав в оболочке, в котором оболочка выполнена из твердой фазы.

Эти задачи решаются путем создания композитного наполнителя в виде порошка, частицы которого содержат, по меньшей мере, одно ядро из неорганического материала и оболочку из полимера, в котором в качестве неорганического материала он содержит квазикристаллический сплав Al-Cu-Fe или квазикристаллический сплав Al-Cu-Cr, а в качестве полимера оболочки он содержит термопласт с модулем упругости от 1,5 до 5,0 ГПа, причем объемная доля ядер в частице композитного наполнителя составляет от 0,1 до 10,0%. Размер частиц композитного наполнителя составляет не более 50 мкм.

Способ получения указанного композитного наполнителя в виде порошка заключается во взаимодействии частиц неорганического материала и полимера, в котором частицы неорганического материала в виде квазикристаллического сплава Al-Cu-Fe или квазикристаллического сплава Al-Cu-Cr 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 термопласта с модулем упругости от 1,5 до 5,0 ГПа и модифицируют частицы квазикристаллического сплава Al-Cu-Fe или квазикристаллического сплава Al-Cu-Cr 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 квазикристаллического сплава Al-Cu-Fe или из квазикристаллического сплава Al-Cu-Cr, оболочка 2 из полимера. В качестве полимера содержит термопласт с модулем упругости от 1,5 до 5 ГПа, например полиэтилен высокого давления (модуль упругости 1,9-2,2 ГПа), политетрафторэтилен (модуль упругости 1,5-1,6 ГПа), полифениленсульфид (модуль упругости 4,9-5,0 ГПа). Модуль упругости измеряется при комнатной температуре. (Для справки: модуль упругости полимера на основе силиконового каучука - прототип - составляет 0,02-1,0 ГПа). Объемная доля ядер в частице композитного порошкового наполнителя составляет от 0, 1 до 10,0%.

Способ получения предлагаемого наполнителя реализуют следующим образом.

Частицы квазикристаллического сплава Al-Cu-Fe или квазикристаллического сплава Al-Cu-Cr 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 обрабатываему 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 квазикристаллического сплава Al-Cu-Fe или квазикристаллического сплава Al-Cu-Cr со средним размером частиц не более 15 мкм.

Через загрузочное устройство в рабочую камеру механохимического активатора дополнительно вводят порошок термопласта с модулем упругости от 1,5 до 5,0 ГПа со средним размером частиц до 100 мкм. Количество вводимого термопласта должно соответствовать объемной доле термопласта 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, выбирается из ряда: воздух, азот, аргон, вакуум с давлением от 10^-2 до 1 атм.

В результате обработки частиц квазикристаллического сплава Al-Cu-Fe или квазикристаллического сплава Al-Cu-Cr получают композитный наполнитель в виде порошка, частицы которого содержат квазикристаллический сплав в оболочке из полимера.

В качестве матрицы используют композиции на основе бутадиен-нитрильного, этилен-пропиленового каучуков, бутилкаучука, фторкаучука.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Частицы квазикристаллического сплава Al-Cu-Fe или квазикристаллического сплава Al-Cu-Cr 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 квазикристаллического сплава со средним размером частиц, который приведен в табл.1. Через загрузочное устройство в рабочую камеру механохимического активатора дополнительно вводят гранулы полиэтилена высокого давления (ПЭВД), имеющего модуль упругости 1,9-2,2 ГПа, или гранулы политетрафторэтилена (ПТФЭ), имеющего модуль упругости 1,5-1,6 ГПа, или гранулы полифениленсульфида (ПФС), имеющего модуль упругости 4,9-5,0 ГПа, со средним размером частиц до 100 мкм. Характеристики процесса активации квазикристаллических сплавов (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 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 квазикристалла в оболочке, которая обладает адгезией к полимерной матрице, при этом расширяется ассортимент наполнителей в виде порошка за счет увеличения классов полимеров, используемых в качестве оболочки, обладающей адгезией к полимерной матрице, и предлагается способ изготовления композитного наполнителя в виде порошка путем обработки квазикристаллического сплава Al-Cu-Fe или квазикристаллического сплава Al-Cu-Cr твердым термопластом.

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 расширяет ассортимент наполнителей, обладающих адгезией 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 квазикристалла и оболочку из полимера, изготовленную из твердой фазы.

Таблица 1
Характеристики способа получения композитного наполнителя в виде порошка
№ примера	Квазикристалл	Полимер	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
			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	15
1	Al-Cu-Fe	ПЭВД	2	0,15	1000	100	Вакуум	10-2	10-2	15	40	2,0	Композитный наполнитель в оболочке из ПЭВД
2	Al-Cu-Fe	ПТФЭ	4	0,25	100	30	Азот	1	1	5	40	6,0	Композитный наполнитель в оболочке из ПТФЭ
3	Al-Cu-Cr	ПЭВД	1	0,05	30	3	Воздух	1	1	10	50	9,6	Композитный наполнитель в оболочке из ПЭВД
4	Al-Cu-Cr	ПТФЭ	5	0,5	500	50	Аргон	1	1	5	40	1,2	Композитный наполнитель в оболочке из ПТФЭ
5	Al-Cu-Fe	ПФС	3	0,2	500	100	Воздух	1	1	10	40	9,6	Композитный наполнитель в оболочке из ПФС

Таблица 2
Коэффициент трения в условиях сухого трения
№ примера	Нагрузка	Коэффициент трения
		Без наполнителя			Содержание наполнителя
					10 мас.ч.		20 мас.ч.
Контрольный	16	0,25
	19,2	0,28
1	16				0,09		0,11
	19,2				0,13		0,145
2	16				0,07		0,08
	19,2				0,12		0,125
3	16				0,08		0,09
	19,2				0,12		0,125
4	16				0,065		0,085
	19.2				0,11		0,10
Таблица 3
Фрикционные свойства в условиях гидроабразивного износа
Показатели			Контрольный пример	Пример 4 по изобретению
				Содержание наполнителя
				10 мас.ч.		20 мас.ч.		30 мас.ч.
Средняя скорость изнашивания НШРК, мкм/ч			3,14	0,37		0,28		0,27
Стандартное отклонение скорости изнашивания НШРК, мкм/ч			3,26	0,14		0,07		0,12
Средняя скорость изнашивания БНА, мкм/ч			17,1	15,3		14,7		18,3
Стандартное отклонение скорости изнашивания БНА, мкм/ч			32,4	5,6		4,1		7,4
Суммарная скорость изнашивания пары НШРК-БНА, мкм/ч			20,24	15,67		14,98		18,57