антифрикционная полимерная композиция

Формула изобретения

Антифрикционная полимерная композиция, содержащая политетрафторэтилен и наноразмерный наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя содержит оксид алюминия с размерами частиц 9-11 нм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Наноразмерный оксид алюминия	0,1-2,0
Политетрафторэтилен	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к полимерным композитным материалам антифрикционного назначения, которые могут быть использованы для изготовления деталей узлов трения машин и техники: подшипников скольжения, уплотнительных элементов пар вращательного и возвратно-поступательного перемещения и других элементов узлов трения.

Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцовых уплотнений и других элементов узлов трения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и неорганических наполнителей различной химической природы [Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторопластов. - М.: Наука, 1987. - 147 с.]. Однако эти материалы не обладают достаточной износостойкостью и характеризуются низкими прочностными характеристиками.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является малонаполненный композит на основе ПТФЭ и синтетического оксида алюминия марки 124127, проактивированного в планетарной мельнице АГО-2 в течение 2 мин (прототип) [патент 2177962, МКИ С08J 5/14, С08L 27/18, 2002. Антифрикционная полимерная композиция герметизирующего назначения / Слепцова С.А., Виноградов А.В., Попов С.Н. и др. - №2000110098/04. Заявл. 19.04.2000. Опубл. 10.01.2002. Бюл. №1].

Обладая высокими деформационно-прочностными свойствами, материал характеризуется недостаточной износостойкостью и несущей способностью, а также высоким коэффициентом трения, вследствие чего может эксплуатироваться только при невысоких нагрузках.

Технической задачей изобретения является повышение износостойкости, несущей способности, уменьшение коэффициента трения при сохранении деформационно-прочностных свойств композиционного материала на основе ПТФЭ.

Достижение положительного эффекта обеспечивается введением в ПТФЭ нанонаполнителя оксида алюминия при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Оксид алюминия - 0,1-2,0

ПТФЭ - остальное.

ПТФЭ - промышленный порошкообразный продукт марки ПН, ГОСТ 10007-80. Средние размеры частиц порошка - 50-500 мкм, молекулярная масса - 100-500 тыс., степень кристалличности до спекания - 95-98%, после спекания - 50-70%, плотность 2150-2260 кг/м³, температура плавления кристаллов 327°С, температура стеклования аморфных участков - 120°С.

Наполнитель, наноразмерный оксид алюминия - продукт, полученный синтетическим путем в Институте неорганической химии НАН Беларуси [Ульянова Т.М., Крутько Н.П., Витязь П.А., Титова Л.В., Медиченко С.В. Особенности формирования структуры тугоплавких соединений на основе ZrO₂, Al₂ О₃ / Доклады НАН Беларуси. - 2004. - Т.48, №2. - С.103-108]. Наноразмерный оксид алюминия получают термическим окислением солесодержащих продуктов при 800°С. Физические параметры наноразмерного оксида алюминия: размеры частиц - 9-11 нм; удельная поверхность - 119 м²/г, пикнометрическая плотность - 3096 кг/см³, насыпная плотность - 418 кг/см³.

Совмещение ПТФЭ с наноразмерным оксидом алюминия проводят в лопастном смесителе со скоростью 3000 об/мин. Помещают расчетную массу полимера и наноразмерного оксида алюминия в высокооборотный смеситель, смешивают до получения однородной массы. Затем из композиции делают заготовки требуемой формы по технологии холодного прессования с последующим свободным спеканием при температуре 375-380°С (время выдержки 0,3 ч на 10^-3 м толщины образца). Полученные изделия охлаждают в печи до 200°С со скоростью 0,03°/с с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры.

Введение наноразмерного оксида алюминия позволяет получить композиционный материал, обладающий высокими износостойкостью, несущей способностью, пониженным коэффициентом трения при сохранении деформационно-прочностных свойств.

Подобные свойства композиционного материала заявляемого состава обусловлены влиянием наноразмерного наполнителя на процессы формирования структуры композита и определяются высокой дисперсностью и структурной активностью. Введение наноразмерного оксида алюминия в ПТФЭ приводит к формированию более упорядоченной структуры композита с плотной упаковкой структурных элементов, что подтверждено результатами электронно-микроскопических исследований.

Пример. 98,0 г ПТФЭ и 2,0 г наноразмерного оксида алюминия смешивают в лопастном смесителе до получения однородной массы. Затем композицию помещают в пресс-форму и прессуют изделия требуемой формы, затем спекают при 375-380°С (время выдержки 0,3 ч на 10^-3 м толщины образца). Полученные изделия охлаждают в печи до 200°С со скоростью 0,03°/с с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры. Охлаждение спеченных изделий проводят непосредственно в печи.

Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице.

Методики определения свойств композита.

Физико-механические свойства заявляемого антифрикционного материала определяли на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Относительное удлинение ( _р) и прочность при растяжении ( _р) определяли на испытательной машине "UTS-2" (Германия) при комнатной температуре и скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин на лопатках (количество образцов на одно испытание - 10).

Массовый износ и коэффициент трения определяли на машине трения СМЦ-2, схема «вал-втулка» (образец - втулка с внешним и внутренним диаметром 34 и 26 мм соответственно, высотой 22 мм, контртело - стальной вал из стали 45 с твердостью 45-50 HRC и шероховатостью 0,06-0,07 мкм, нагрузка - 375-1000 Н, скорость скольжения - 0,39 м/с) согласно ГОСТ 11629.

Технико-экономическая эффективность.

Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет повысить износостойкость в 50-70 раз по сравнению с прототипом и в 500-700 по сравнению с ПТФЭ, несущую способность композиционного материала в 2 раза, уменьшить коэффициент трения в 5-6 раз по сравнению с прототипом, в 1,3 раза по сравнению с ПТФЭ. Как видно из приведенных данных, оптимальное содержание нанонаполнителя оксида алюминия - 0,1-2,0 мас.%. Дальнейшее увеличение содержания наноразмерного наполнителя приводит к снижению деформационно-прочностных и триботехнических характеристик, повышению коэффициента трения.

Применение антифрикционной композиции заявляемого состава позволит повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования, в том числе при повышенных нагрузках.

Таблица примеров
Состав	Содержание нанонаполнителя, мас. %	Физико-механические характеристики		Износ (мг) при нагрузке Р(Н)			Коэффициент трения по стали
		р, МПа	р, %	375	750	1000
ПТФЭ	0	20-21	300-320	730-750	1060-1070	1440-1490	0,04
ПТФЭ+Al2 О3	0,1	26-27	470-480	60-70	70-80	120-130	0,03
	0,5	23-24	360-370	55-65	65-70	115-120	0,03
	1,0	21-22	310-315	4,0-4,5	5-6	9-10	0,03
	2,0	21-22	300-310	1,0-1,5	1,8-2,0	2-3	0,03
	3,0	17-18	270-280	30-35	45-50	60-65	0,08
ПТФЭ+Al2О3 активированный (аналог)	1	24-25	350-370	78-82	148-152	218-224	0,15-0,17
	2	22-24	340-360	40-44	70-74	120-140