Состав композиционного герметизирующего материала

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СОСТАВ КОМПОЗИЦИОННОГО ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Открытое акционерное общество Белкард(72) Авторы Струк Василий Александрович Костюкович Геннадий Александрович Кравченко Виктор Иванович Овчинников Евгений Витальевич Авдейчик Сергей Валентинович(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество Белкард(56) Сиренко Г.А. Антифрикционные карбопластики. - Киев Технка, 1985. С. 172-174. Малевич А.М. и др. // Трение и износ. 1998. - Т. 19. -3. - С. 366-369. Горбацевич Г.Н. Структура и технология углеродных герметизирующих материалов для статических и подвижных уплотнений Автореф. дис.канд. техн. наук. - Новополоцк, 2002. - С. 3.2064614 1, 1996.60065049 , 1985.04236299 , 1992.1812190 1, 1993.(57) Состав композиционного герметизирующего материала, содержащий политетрафторэтилен и металлосодержащий углеродный наполнитель, отличающийся тем, что включает металлосодержащий углеродный наполнитель с содержанием металла 0,1-80,0 от массы наполнителя и дополнительно фторсодержащий олигомермолекулярной массой 2000-5000 общей структурной формулы-1,где- перфторированный алкильный радикал, возможно содержащий атомы кислорода,1 - концевая группа -, -, -2 или -С 3,при следующем соотношении компонентов, мас.металлосодержащий углеродный наполнитель 1,0-40,0 фторсодержащий олигомер 0,1-1,0 политетрафторэтилен остальное. 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 9819 1 2007.10.30 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 состав композиционного герметизирующего материала содержит политетрафторэтилен и металлосодержащий углеродный наполнитель с содержанием металла 0,1-80,0 от массы наполнителя и дополнительно фторсодержащий олигомер с молекулярной массой 2000-5000 общей структурной формулы- 1 ,где- перфторированный алкильный радикал, возможно содержащий атомы кислорода,1 - концевая группа -СООН, -ОН, - 2 или -3,при следующем соотношении компонентов, мас.металлосодержащий углеродный наполнитель 1,0-40 фторсодержащий олигомер 0,1-1,0 политетрафторэтилен остальное. Вариантом исполнения композиционного герметизирующего материала является использование смеси металлосодержащих наполнителей и смеси фторсодержащих олигомеров. Сущность изобретения состоит в том, что применение металлосодержащего углеродного наполнителя в сочетании с фторсодержащим олигомером позволяет реализовать синергический эффект, заключающийся в одновременном повышении прочностных характеристик. Этот эффект обусловлен, с одной стороны, образованием прочной адгезионной связи на границе раздела матрица-наполнитель за счет пластифицирования расплава политетрафторэтилена. Тождественность фторсодержащего олигомера и матрицы политетрафторэтилена обусловливает термомеханическую совместимость и пластифицирование матрицы, находящейся в высокоэластическом состоянии. Наличие нанодисперсных частиц металла в углеродном компоненте увеличивает прочность армирующих агрегатов. С другой стороны, в результате физико-механических превращений происходит образование соединений, по составу и свойствам близких к солям фторкислот, которые обладают хорошими противоизносными свойствами. Примеры составов композиционных герметизирующих материалов конкретного выполнения приведены в табл. 1. 9819 1 2007.10.30 Таблица 1 Составы композиционных герметизирующих материалов Содержание, мас.Прототип Компонент Заявляемые составы 2- углеграфитовое волокно Урал с содержа 0,5 0,75 19,5 39 44 нием меди 0,01 мас.-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 . 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 материл перерабатывают в изделия по двухстадийной технологии. На первой стадии осуществляют холодное прессование заготовок при 20 С и давлении 3 9819 1 2007.10.30 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 . Технология изготовления и переработки данного композиционного материала аналогичны вышеописанным. В качестве наполнителя использовали углеграфитовое волокно марки Вискум производства ПО Химволокно г. Светлогорск. Заявляемые составы -. Технология изготовления и переработки композиционных материалов заявляемых составов аналогичны описанным. Металлосодержащий углеродный наполнитель получали по двум технологиям. По первой технологии. Углеродный наполнитель высушивали до удаления низкомолекулярных компонентов при температуре 1005 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 (оксалиты) соли меди, свинца, цинка, никеля и др. металлов. При превышении некоторой температуры, превышающей температуру разложения, эти соединения разлагаются по следующим схемам( )2 - для оксалатов. Образующийся металл, находящийся в высокодисперсном состоянии взаимодействует с углеродным носителем и образует металлосодержащий углеродный наполнитель. Содержание металла в наполнителе регулируется изменением концентрации раствора или увеличением числа обработок. Размеры единичных частиц металла 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. Металлсодержащий наполнитель измельчают на дисмембраторной мельнице в течение 30 мин. Далее смешивают наполнитель и матрицу в лопастном смесителе до получения однородного состава. По второй технологии металлосодержащий 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 металл 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 металлосодержащего углеродного наполнителя смешивают с полимерной матрицей в смесителе до получения однородной композиции. Прессование изделий осуществляется по вышеописанной технологии. Физико-механические и триботехнические характеристики композиционных материалов приведены в табл. 2. 9819 1 2007.10.30 Таблица 2 Физико-механические и триботехнические характеристики Показатель для материала Характеристика Прототип Заявляемый состав 1. Разрушающее 18,0 17, 0 19,0 25,0 30,1 23,0 18,0 32 31,5 напряжение при растяжении, МПа 2. Твердость по 53 53 38 52 60 65 60 63 64 Бринеллю, МПа 3. Коэффициент трения без смазки- 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,107- при нагрузке 15 МПа 5,8 5,5 2,4 1,5 1,53 1,4 1,6 1,53 1,45 5. Нагрузочноскоростной диапазон применения ,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, предоставленных в табл. 2, заявляемые составы в заявленном соотношении компонентов (-) превосходят прототип по износостойкости,прочности и имеют более высокий показатель . Уменьшение содержания компонентов (металлсодержащего углеродного наполнителя и фторсодержащего олигомера) ниже заявленных пределов (состав ) приводит к снижению показателей физико-механических и прочностных характеристик. Превышение содержания компонентов (состав ) 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 и герметизирующий материал может быть использован для изготовления деталей статических и динамических (триботехнических) уплотнительных устройств различных машин, механизмов и технологического оборудования. Источники информации 1. Охлопкова А.А. Физико-химические принципы создания триботехнических материалов на основе полимеров и ультрадисперсных керамик Автореф. дисдокт. техн. наук. Гомель, 1999. - С.25. 2. Сиренко Г.А. Антифрикционные карбопластики. - Киев Технка, 1995. - С. 195. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5