RU2329279C1 - Anti-friction polymer composition - Google Patents

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention pertains to polymer composite materials for anti-frictional purposes, which can be used for making component parts of friction assemblies of machines and equipment. Description is given of the polymer composition, containing polytetrafluoroethylene and aluminium oxide with particle size of 9-11 nm as filler material, with the following ratio of components: nano-size aluminium oxide - 0.1-2.0 mass %, polytetrafluoroethylene constitutes the remaining percentage.

EFFECT: increased wear resistance, carrying capacity, reduction of coefficient of friction with retention of stress-strain properties of the composite material based on polytetrafluoroethylene.

1 cl, 1 ex, 1 tbl

Description

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.The invention relates to the field of polymer materials science, namely to polymer composite materials of antifriction purpose, which can be used for the manufacture of parts of friction units of machines and equipment: sliding bearings, sealing elements of pairs of rotational and reciprocating movements and other elements of friction units.

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.Composite materials are known for the manufacture of sliding bearings, mechanical seals and other elements of friction units based on polytetrafluoroethylene (PTFE) and inorganic fillers of various chemical nature [Istomin NP, Semenov AP Antifriction properties of composite materials based on fluoroplastics. - M .: Nauka, 1987. - 147 p.]. However, these materials do not have sufficient wear resistance and are characterized by low strength characteristics.

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].The closest in technical essence to the claimed material is a low-filled composite based on PTFE and synthetic aluminum oxide grade 124127, activated in the planetary mill AGO-2 for 2 min (prototype) [patent 2177962, MKI C08J 5/14, C08L 27/18, 2002. Antifriction polymer composition for sealing purposes / Sleptsova SA, Vinogradov AV, Popov SN et al. - No.2000110098 / 04. Claim 04/19/2000. Publ. 01/10/2002. Bull. No. 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.Possessing high deformation-strength properties, the material is characterized by insufficient wear resistance and bearing capacity, as well as a high coefficient of friction, as a result of which it can be operated only at low loads.

Технической задачей изобретения является повышение износостойкости, несущей способности, уменьшение коэффициента трения при сохранении деформационно-прочностных свойств композиционного материала на основе ПТФЭ.An object of the invention is to increase the wear resistance, bearing capacity, reduce the coefficient of friction while maintaining the deformation and strength properties of a composite material based on PTFE.

Достижение положительного эффекта обеспечивается введением в ПТФЭ нанонаполнителя оксида алюминия при следующем соотношении компонентов (мас.%):The achievement of a positive effect is provided by the introduction of a nanofiller of aluminum oxide in PTFE in the following ratio of components (wt.%):

Оксид алюминия - 0,1-2,0Alumina - 0.1-2.0

ПТФЭ - остальное.PTFE - the rest.

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.PTFE is an industrial powder product of the PN brand, GOST 10007-80. The average particle size of the powder is 50-500 microns, the molecular weight is 100-500 thousand, the crystallinity before sintering is 95-98%, after sintering is 50-70%, the density is 2150-2260 kg / m ³ , the melting point of the crystals is 327 ° С, glass transition temperature of amorphous sites - 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, Al₂О₃ / 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.Filler, nanosized alumina - a product obtained synthetically at the Institute of Inorganic Chemistry of the National Academy of Sciences of Belarus [Ulyanova TM, Krutko NP, Vityaz PA, Titova LV, Medichenko SV Features of the formation of the structure of refractory compounds based on ZrO ₂ , Al ₂ O ₃ / Reports of the NAS of Belarus. - 2004. - T. 48, No. 2. - S.103-108]. Nanosized alumina is obtained by thermal oxidation of salt-containing products at 800 ° C. Physical parameters of nanosized alumina: particle sizes - 9-11 nm; specific surface area - 119 m ² / g, pycnometric density - 3096 kg / cm ³ , bulk density - 418 kg / cm ³ .

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.The combination of PTFE with nanosized alumina is carried out in a paddle mixer at a speed of 3000 rpm. The calculated mass of the polymer and nanosized alumina is placed in a high-speed mixer, mixed until a homogeneous mass is obtained. Then, preforms of the required shape are made from the composition using cold pressing technology followed by free sintering at a temperature of 375-380 ° C (holding time 0.3 h per 10 ^-3 m of sample thickness). The resulting products are cooled in an oven to 200 ° C at a rate of 0.03 ° / s, followed by free cooling to room temperature.

Введение наноразмерного оксида алюминия позволяет получить композиционный материал, обладающий высокими износостойкостью, несущей способностью, пониженным коэффициентом трения при сохранении деформационно-прочностных свойств.The introduction of nanosized alumina allows one to obtain a composite material with high wear resistance, bearing capacity, and a reduced coefficient of friction while maintaining the deformation-strength properties.

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.Similar properties of the composite material of the claimed composition are due to the influence of nanoscale filler on the processes of formation of the structure of the composite and are determined by high dispersion and structural activity. The introduction of nanosized alumina in PTFE leads to the formation of a more ordered composite structure with a dense packing of structural elements, which is confirmed by the results of electron microscopic studies.

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.Example. 98.0 g of PTFE and 2.0 g of nanosized alumina are mixed in a paddle mixer until a homogeneous mass is obtained. Then the composition is placed in the mold and the products of the desired shape are pressed, then sintered at 375-380 ° C (holding time 0.3 h per 10 ^-3 m of sample thickness). The resulting products are cooled in an oven to 200 ° C at a rate of 0.03 ° / s, followed by free cooling to room temperature. The cooling of the sintered products is carried out directly in the furnace.

Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице.Other examples of obtaining composite material of the claimed composition are shown in the table.

Методики определения свойств композита.Methods for determining the properties of the composite.

Физико-механические свойства заявляемого антифрикционного материала определяли на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Относительное удлинение (ε_р) и прочность при растяжении (σ_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).Physico-mechanical properties of the inventive antifriction material were determined on standard samples (GOST 11262-80). Relative elongation (ε _p ) and tensile strength (σ _p ) were determined on a UTS-2 test machine (Germany) at room temperature and moving grippers of 100 mm / min on blades (the number of samples per test was 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.Mass wear and friction coefficient were determined on a SMTS-2 friction machine, the “shaft-sleeve” scheme (the sample is a sleeve with an external and internal diameter of 34 and 26 mm, respectively, 22 mm high, the counterbody is a steel shaft made of steel 45 with a hardness of 45-50 HRC and roughness of 0.06-0.07 μm, load - 375-1000 N, sliding speed - 0.39 m / s) according to GOST 11629.

Технико-экономическая эффективность.Feasibility study.

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.The use of the claimed invention, implemented on standard equipment, allows to increase wear resistance by 50-70 times compared with the prototype and by 500-700 compared with PTFE, the carrying capacity of the composite material by 2 times, reduce the friction coefficient by 5-6 times compared with prototype, 1.3 times compared with PTFE. As can be seen from the data, the optimal content of nanofiller alumina is 0.1-2.0 wt.%. A further increase in the content of nanoscale filler leads to a decrease in the deformation-strength and tribological characteristics, and an increase in the coefficient of friction.

Применение антифрикционной композиции заявляемого состава позволит повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования, в том числе при повышенных нагрузках.The use of the antifriction composition of the claimed composition will increase the service life of products in friction units of machines and equipment, including at high loads.

Таблица примеровTable of examples СоставStructure Содержание нанонаполнителя, мас. %The content of nanofiller, wt. % Физико-механические характеристикиPhysical and mechanical characteristics Износ (мг) при нагрузке Р(Н)Depreciation (mg) at load P (N) Коэффициент трения по сталиSteel friction coefficient σ_р, МПаσ _p , MPa ε_р, %ε _p ,% 375375 750750 10001000 ПТФЭPTFE 00 20-2120-21 300-320300-320 730-750730-750 1060-10701060-1070 1440-14901440-1490 0,040.04 ПТФЭ+Al₂О₃ PTFE + Al ₂ O ₃ 0,10.1 26-2726-27 470-480470-480 60-7060-70 70-8070-80 120-130120-130 0,030,03 0,50.5 23-2423-24 360-370360-370 55-6555-65 65-7065-70 115-120115-120 0,030,03 1,01,0 21-2221-22 310-315310-315 4,0-4,54.0-4.5 5-65-6 9-109-10 0,030,03 2,02.0 21-2221-22 300-310300-310 1,0-1,51.0-1.5 1,8-2,01.8-2.0 2-32-3 0,030,03 3,03.0 17-1817-18 270-280270-280 30-3530-35 45-5045-50 60-6560-65 0,080.08 ПТФЭ+Al₂О₃ активированный (аналог)PTFE + Al ₂ O ₃ activated (analog) 1one 24-2524-25 350-370350-370 78-8278-82 148-152148-152 218-224218-224 0,15-0,170.15-0.17 22 22-2422-24 340-360340-360 40-4440-44 70-7470-74 120-140120-140

Claims (1)

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.%:Antifriction polymer composition containing polytetrafluoroethylene and nanoscale filler, characterized in that the filler contains alumina with particle sizes of 9-11 nm in the following ratio, wt.%: Наноразмерный оксид алюминия Nanoscale Alumina 0,1-2,0 0.1-2.0 Политетрафторэтилен Polytetrafluoroethylene остальное rest