Антифрикционная композиция

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Адериха Владимир Николаевич Плескачевский Юрий Михайлович Шаповалов Виталий Андреевич Коноплева Ирина Ивановна Гракович Петр Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Антифрикционная композиция на основе политетрафторэтилена и наполнителя, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя содержит измельченные полиоксадиазольные волокна или отходы их производства, обработанные, при необходимости, силаном общей формулы (25)3, где- углеводородный радикал,- группа 2 или 23, либо перфторированным соединением общей формулы-или- 2,где- фторированный алкил, при следующем соотношении компонентов, мас.наполнитель 1,0-30,0 политетрафторэтилен остальное. 2. Антифрикционная композиция на основе политетрафторэтилена и наполнителей,отличающаяся тем, что в качестве дисперсного наполнителя содержит графит, а в качестве волокнистого наполнителя - смесь резаных и измельченных до 50-3500 мкм полиоксадиазольных и углеродных волокон, взятых в массовом соотношении (101)-(110), при следующем соотношении компонентов, мас.смесь полиоксадиазольных и углеродных волокон 1,0-30,0 графит 0,2-1,0 политетрафторэтилен остальное. 6410 1 Изобретение относится к области создания композиционных материалов на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), предназначенных для использования в узлах трения скольжения, эксплуатируемых без внешней смазки и при граничной смазке. Известен материал на основе политетрафторэтилена, выпускаемый промышленностью России под торговой маркой Ф 4 К 20, который содержит в качестве наполнителя кокс . Недостатками данного материала являются высокая скорость изнашивания на этапах приработки и установившегося трения, а также повышенная абразивная способность, обусловленная большой твердостью используемого наполнителя. Эксплуатация узла трения,содержащего элементы из Ф 4 К 20, приводит к повышенной скорости изнашивания сопряженной металлической поверхности, а также к увеличению степени ее шероховатости. Весомым недостатком материала является присущий ему сравнительно высокий коэффициент трения, что приводит к повышенному фрикционному разогреву узла трения. При температурах трения выше 200 скорость изнашивания заметно увеличивается, что ограничивает нагрузочную способность материала Ф 4 К 20 величиной 1 МПам/с и диапазон температур эксплуатации 1. Известен также материал под торговой маркой Флубон на основе ПТФЭ и углеродных наполнителей, включающих углеродные волокна и графит 2 (прототип). Этот материал является наиболее износостойким из промышленных фторопластовых композитов как производимых в СНГ, так и в сравнении с зарубежными аналогами. Недостатком материала является сравнительно высокое трение и невысокая износостойкость на этапе приработки. К числу других недостатков следует отнести его высокую стоимость, обусловленную высокой стоимостью применяемого наполнителя, доходящей до 5070 /кг. Задачей изобретения является снижение коэффициента трения и повышение износостойкости композиционного материала при трении без смазки и при граничной смазке минеральными маслами на этапе приработки и при установившемся трении. Поставленная задача решается тем, что антифрикционная композиция на основе политетрафторэтилена и наполнителей дополнительно содержит измельченные полиоксадиазольные волокна или отходы их производства, обработанные полифункциональным соединением класса силанов общей формулы (2)3, где- углеводородный радикал,- функциональная группа типа , С 2 Нз, либо перфторированным соединением общей формулы , 2, где- алкильный фторуглеродный радикал при следующем общем соотношении компонентов (мас. ) полиоксадиазольное волокно 1,0-30,0 политетрафторэтилен остальное. По второму варианту антифрикционная композиция в качестве дисперсного наполнителя содержит графит, а в качестве волокнистого наполнителя - смесь резаных и измельченных до размера 50-3500 мкм полиоксадиазольных и углеродных волокон, взятых в массовом соотношении (101)-(110), при следующем соотношении компонентов (мас. ) смесь полиоксадиазольных и 1,0-30,0 углеродных волокон графит 0,2-1,0 политетрафторэтилен остальное. Для улучшения совмещения наполнителей с матрицей, повышения физико-механических свойств и износостойкости материала полиоксадиазольные волокна могут быть дополнительно обработаны силановыми аппретами общей формулы (25)3, гдеуглеводородный радикал,- функциональная группа типа 2, С 2 Н 3, , гдегалоген, либо перфторированными соединениями общей формулы- ,- 2. В качестве дисперсного углеродного наполнителя используют графит. Для определения количественного компонентного состава композиционного материала проводились сравнительные фрикционные испытания составов материала, отличающиеся содержанием наполнителей и добавок. 2 6410 1 Поверхностное модифицирование дисперсного наполнителя проводили обработкой свежеприготовленным 1,0 раствором силанового аппрета в воде с последующей сушкой в термошкафу. Обработку перфторированными соединениями также осуществляли 0,5 растворами в смеси галогенированных растворителей (Хладон 113). Изготовление образцов композиций для проведения испытаний проводили по традиционно применяемой в производстве фторопластовых материалов двухстадийной технологии, включающей холодное таблетирование заготовок с последующим спеканием при температуре выше температуры плавления ПТФЭ. Пример 1. Готовят исходный волокнистый наполнитель полиоксадиазольные волокна, в качестве которых применяют оксалоновые нити, жгуты, ткань или отходы оксалонового производства (ТУ РБ 00204056.056-92) в виде резаных нити, жгутов, которые охлаждают в жидком азоте и измельчают 2 мин в мельнице типа МРП-1 при 7000 об/мин. В результате получают волокна с набором длин от 100 до 3500 мкм. 4 г волокон полиоксадиазола (оксалона) смешивают с 96 г порошка фторопласта-4(ГОСТ 10007-80) на мельнице типа МРП-1 при 5000 об/мин в течение 7 мин. Полученную смесь размещают равномерно на противне слоем до 11,5 см и сушат в термостате при 150 С в течение 2-3 ч. Полученную композицию таблетируют на гидравлическом прессе при скорости подъема давления 10-20 МПа/мин и выдержкой при максимальном давлении(50 МПа) в течение 2-3 мин. Таблетированную композицию спекают в свободном состоянии в термошкафу по следующей технологии нагрев до 3805 С со скоростью 50 С/мин, выдержка при 3805 С в течение 3-4 ч, охлаждение до 150 С со скоростью 50 С/мин. Пример 2. Исходный волокнистый наполнитель (отходы оксалонового производства) погружают на 2-3 мин в 0,5 растворе перфторполикислоты Ф 1 в Хладоне 113 (препарат Эпилам 6 СФК-180-05 (ТУ-6-02-1229-82. Эпилам сливают, отжимают сорбированный растворитель, после чего волокна сушат под вытяжкой при температуре 40-50 С до полного удаления растворителя. Затем модифицированный волокнистый наполнитель измельчают аналогично примеру 1. 4 г модифицированного измельченного волокнистого наполнителя смешивают с 96 г порошка фторопласта-4 и перерабатывают в образцы аналогично примеру 1. Пример 3. Отходы оксалона заливают на 2-3 мин свежеприготовленным 1 водным раствором АГМ-9. Затем раствор сливают, отжимают его остатки и сушат волокна в термошкафу при температуре 1405 в течение 1 часа. После чего модифицированный волокнистый наполнитель измельчают аналогично примеру 1. 4 г модифицированного измельченного волокнистого наполнителя смешивают с 96 г порошка фторопласта-4 и перерабатывают в образцы аналогично примеру 1. Пример 4. Отходы оксалона заливают на 2-3 мин свежеприготовленным 1 водным раствором винилтриэтоксисилана (ВТЭС). Раствор сливают, волокна отжимают и сушат в термошкафу при температуре 1405 С в течение 1 ч. Модифицированный волокнистый наполнитель измельчают аналогично примеру 1. 4 г измельченных волокон полиоксадиазола (оксалона) смешивают с 1 г измельченного на экструзионном оборудовании и классифицированного до размеров 200-1500 мкм углеродного волокна марки Урал (ТУ 6-12-02-04056-35-90) или Вискум (ТУ 6-12-0204056-91),а также 0,2 г графита коллоидного С-1 (ГОСТ 18191-78) и 94,8 г порошка фторопласта-4(ГОСТ 10007-80) на мельнице типа МРП-1 при 5000 об/мин в течение 7 мин. Полученную композицию перерабатывают в образцы аналогично примеру 1. 3 6410 1 Пример 5. Отходы оксалонового производства обрабатывают в 0,5 растворе перфторполикислоты Ф 8 в Хладоне-113 по режимам, приведенным в примере 2, и смешивают с углеродным волокном марки Урал (ТУ 6-12-02-04056-35-90) или Вискум (ТУ 6-12-0204056-91) в соотношении по массе 110, после чего измельчают аналогично примеру 1. 11 г смеси измельченных углеволокон и оксалона смешивают с 0,5 г графита С-1 и 88,5 г порошка фторопласта-4 и перерабатывают в образцы аналогично примеру 1. Пример 6. Отходы оксалонового производства обрабатывают в 0,5 растворе перфторполикислоты Ф 8 в Хладоне-113 по режимам, приведенным в примере 2, и смешивают с углеродным волокном марки Урал (ТУ 6-12-02-04056-35-90) или Вискум (ТУ 6-12-0204056-91) в соотношении по массе 101, после чего измельчают аналогично примеру 1. 11 г смеси измельченных углеволокон и оксалона смешивают с 0,5 г графита С-1 и 88,5 г порошка фторопласта-4 и перерабатывают в образцы аналогично примеру 1. Пример 7. Отходы оксалонового производства обрабатывают в 0,5 растворе амида перфторполикислоты ФЗ по режимам, приведенным в примере 2, и измельчают аналогично примеру 1,3 г модифицированного измельченного волокнистого наполнителя, смешивают с 2 г измельченного на экструзионном оборудовании и классифицированного до размеров 2001500 мкм углеродного волокна марки Урал или Вискум и 95 г порошка фторопласта-4 и перерабатывают в образцы аналогично примеру 1. Примеры составов 8-13 композиционного материала, аналогов и прототипа даны в таб. 1. Таблица 1 Состав композиционных материалов, в мас.ПОД волокно МодифицимодифицироФтороУглеродное Не моди- рованноеп/п Кокс ванное крем- Графит пласт-4 волокно фициро- перфториронийорганичесванное ванными соким аппретом единениями 1 96 4 2 96 4 3 96 4 4 94,8 4 0,2 1 5 88,5 1 0,5 10 6 88,5 10 0,5 1 7 95 3 2 8 79,5 10 0,5 10 9 85 15 10 90 10 11 85 10 5 12 80 14 1 5 13 70 30 14 99 1 15 70 20 1 9 16 69 10 1 20 17 аналог 80 20 18 прототип 80 0,5 19,5 4 6410 1 Фрикционные испытания проводили по схеме вал-частичный вкладыш на машине трения типа 2070 СМТ-1. Образцы композиционного материала имели вид секторов кольца 4060 толщиной 12 мм и длиной рабочей части 20 мм контртело представляло собой ролик 40 мм, изготовленный из стали 60 ХГ, закаленный до 47-52 НСЭ с шероховатостью поверхности после шлифования 0,8 мкм. Скорость скольжения составляла 1 м/с, удельная нагрузка 1 МПа. В качестве критериев работоспособности, по которым проводили сравнение эффективности разработанных материалов, были приняты следующие коэффициент трения (тр),интенсивность линейного изнашивания композиции в период приработкии при установившемся трении , температура поверхности контртела (Т). Результаты испытаний приведены в табл. 2. Таблица 2 п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 (аналог) 18 (прототип) По результатам испытаний установлено, что разработанные материалы по большинству показателей превосходят промышленно выпускаемые фторопластовые композиты. Результаты испытаний позволяют утверждать, что разработанные материалы могут быть использованы в качестве элементов скольжения узлов трения, эксплуатируемых без смазки или при граничной смазке минеральными маслами, в том числе для изготовления неподвижных и подвижных уплотнений гидравлических устройств, напр. гидроцилиндров, насосов и т.п. Источники информации 1. Пугачев А.К. Переработка фторопласта в изделия. Технология и оборудование. - Л-д. Химия, 1987. 2. Сиренко Г.А., Свидерский В.П., Герасимов В.Д., Никонов В.З. Антифрикционные термостойкие полимеры. - Киев Техника, 1978. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.