RU2354667C1 - Tribotechnical polymer composition - Google Patents

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: there is disclosed tribotechnical polymer composition containing polytetrafluorethylene, synthetic magnesium spinel of specific surface 170-200 m²/g, and polymer filling. As such it contains fluorocarbon polymer 4MB in ratio as follows, wt %: polytetrafluorethylene - 93.0-97.0; fluorocarbon polymer 4MB - 2.0-5.0; magnesium spinel - 1.0-2.0.

EFFECT: improved composition.

1 cl, 1 ex, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к созданию полимерных материалов триботехнического назначения, которые могут быть использованы для изготовления уплотнительных элементов пар вращательного и возвратно-поступательного движения и узлов трения.The invention relates to the field of polymer material science, namely to the creation of polymeric materials for tribotechnical purposes, which can be used for the manufacture of sealing elements for pairs of rotational and reciprocating motion and friction units.

Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцовых уплотнений и других элементов узлов трения на основе политетрафторэтилена и неорганических наполнителей различной химической природы [Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторопластов. - М: Наука, 1987. - 147 с.]. Материалы известны как самосмазывающиеся антифрикционные с малым коэффициентом трения, но имеют низкие деформационно-прочностные характеристики, обладают повышенной жесткостью, что снижает ресурс их работы.Composite materials are known for the manufacture of sliding bearings, mechanical seals and other elements of friction units based on polytetrafluoroethylene and inorganic fillers of various chemical nature [Istomin NP, Semenov AP Antifriction properties of composite materials based on fluoroplastics. - M: Nauka, 1987. - 147 p.]. Materials are known as self-lubricating antifriction with a low coefficient of friction, but they have low deformation-strength characteristics, have increased rigidity, which reduces the resource of their work.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является антифрикционная полимерная композиция, содержащая политетрафторэтилен (ПТФЭ) (98-99 мас.%) и в качестве неорганического наполнителя - синтетическую шпинель магния (1,0-2,0 мас.%), (прототип) [Патент РФ 2281960 C1; C08J 5/16, C08L 27/18, С08К 3/22. Антифрикционная полимерная композиция / Охлопкова А.А., Попов С.Н., Слепцова С.А., Аввакумов Е.Г., Винокурова О.Б, Гусев А.А. Заявл. 21.03.2005; Опубл. 20.08.2006; Бюл. №23]. Обладая хорошими физико-механическими характеристиками, материал имеет высокий массовый износ.The closest in technical essence to the claimed material is an antifriction polymer composition containing polytetrafluoroethylene (PTFE) (98-99 wt.%) And synthetic inorganic magnesium spinel (1.0-2.0 wt.%) As an inorganic filler, (prototype ) [RF Patent 2281960 C1; C08J 5/16, C08L 27/18, C08K 3/22. Antifriction polymer composition / Okhlopkova A.A., Popov S.N., Sleptsova S.A., Avvakumov E.G., Vinokurova O.B., Gusev A.A. Claim 03/21/2005; Publ. 08/20/2006; Bull. No. 23]. Possessing good physical and mechanical characteristics, the material has high mass wear.

Технической задачей изобретения является повышение износостойкости композиционного материала при улучшении деформационно-прочностных характеристик.An object of the invention is to increase the wear resistance of the composite material while improving the deformation and strength characteristics.

Достижение положительного эффекта достигается введением в композиционный материал на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и синтетической шпинели магния (MgAl₂O₄) фторопласта-4 МБ при следующем соотношении компонентов, мас.%:Achieving a positive effect is achieved by introducing fluoroplastic-4 MB in the composite material based on polytetrafluoroethylene (PTFE) and synthetic spinel magnesium (MgAl ₂ O ₄ ) in the following ratio, wt.%:

ПТФЭ - 93,0-97,0;PTFE - 93.0-97.0;

MgAl₂O₄ - 1,0-2,0;MgAl ₂ O ₄ - 1.0-2.0;

Ф-4 МБ - 2,0-5,0.F-4 MB - 2.0-5.0.

ПТФЭ (фторопласт-4) - промышленный продукт ГОСТ 10007-80, представляющий собой белый рыхлый порошок со степенью кристалличности до спекания 95-98%, после спекания 50-70%, плотностью 2,17-2,19 г/см³, температурой плавления 327°С.PTFE (fluoroplast-4) is an industrial product of GOST 10007-80, which is a white loose powder with a crystallinity of 95-98% before sintering, 50-70% after sintering, a density of 2.17-2.19 g / cm ³ , temperature melting point 327 ° C.

MgAl₂O₄ - шпинель магния - продукт, полученный путем механохимического синтеза в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН (г.Новосибирск). Физические параметры шпинели магния: размеры частиц - 80 нм; удельная поверхность - 170-200 м²/г [Патент РФ 2078037 C1, C01B 33/20, 33/26. Способ получения алюмосиликата щелочноземельного металла /Аввакумов Е.Г., Девяткина Е.Т.. Косова Н.В., Ляхов Н.З. - №93029074/25; Заявл. 31.05.1993; Опубл. 27.04.1997; Бюл. №12].MgAl ₂ O ₄ - magnesium spinel - a product obtained by mechanochemical synthesis at the Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry SB RAS (Novosibirsk). Physical parameters of magnesium spinel: particle sizes - 80 nm; specific surface area - 170-200 m ² / g [RF Patent 2078037 C1, C01B 33/20, 33/26. The method of producing aluminosilicate of alkaline earth metal / Avvakumov E.G., Devyatkina E.T. Kosova N.V., Lyakhov N.Z. - No. 93029074/25; Claim 05/31/1993; Publ. 04/27/1997; Bull. No. 12].

Полимер Ф-4 МБ представляет собой сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом (ТФЭ-ГФП), содержащий боковые группы CF₃, с температурой плавления кристаллитов 270-290°С и плотностью 2,14-2,17 г/см³, имеет высокую химическую стойкость, атмосферостойкость, высокие прочностные характеристики, низкий коэффициент трения (ТУ 301-05-73-90).The polymer F-4 MB is a copolymer of tetrafluoroethylene with hexafluoropropylene (TFE-HFP) containing CF ₃ side groups, with a crystallite melting point of 270-290 ° C and a density of 2.14-2.17 g / cm ³ , has a high chemical resistance , weather resistance, high strength characteristics, low coefficient of friction (TU 301-05-73-90).

Для получения композиции в ПТФЭ вводили фторопласт-4 МБ и синтетическую шпинель магния. Введение шпинели магния в композицию ПТФЭ+Ф-4 МБ привело к образованию более плотной упорядоченной структуры и, как следствие, к повышению триботехнических характеристик материала (табл.1). Структурообразующие свойства частиц шпинели магния зарегистрированы методами электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа.To obtain the composition, PTFE-4 MB and synthetic magnesium spinel were introduced in PTFE. The introduction of magnesium spinel into the PTFE + F-4 MB composition led to the formation of a denser ordered structure and, as a result, to an increase in the tribological characteristics of the material (Table 1). The structure-forming properties of magnesium spinel particles are recorded by electron microscopy and X-ray diffraction analysis.

Для получения композиционного материала в ПТФЭ вводили полимер Ф-4 МБ и шпинель магния, помещая расчетную массу полимеров и наполнителя в высокооборотный смеситель и смешивая до получения однородной массы. Затем из композиции путем холодного прессования делали заготовки требуемой формы и спекали в электрической печи при температуре 370±5°С.To obtain a composite material, a F-4 MB polymer and magnesium spinel were introduced into PTFE, placing the calculated mass of polymers and filler in a high-speed mixer and mixing until a homogeneous mass was obtained. Then, preforms of the required shape were made from the composition by cold pressing and sintered in an electric furnace at a temperature of 370 ± 5 ° C.

Введение в ПТФЭ фторопласта Ф-4 МБ и синтетической шпинели магния позволяет получить композиционный материал, обладающий высокой износостойкостью и повышенными деформационно-прочностными показателями.The introduction of PTFE PTFE F-4 MB and synthetic spinel magnesium allows you to get a composite material with high wear resistance and high deformation and strength characteristics.

Пример. 94 г ПТФЭ, 5 г Ф-4 МБ и 1 г MgAl₂O₄ смешивали в лопастном смесителе до получения однородной массы. После смешения композицию сушили в термошкафу при температуре 100-120°С в течение 1 ч. Затем композицию помещали в холодную пресс-форму и прессовали изделие при удельном давлении 50 МПа. Спекание изделий проводили в электрической печи при температуре 370±5°С (время выдержки 0,3 ч на Example. 94 g of PTFE, 5 g of F-4 MB and 1 g of MgAl ₂ O _{4 were} mixed in a paddle mixer until a homogeneous mass was obtained. After mixing, the composition was dried in an oven at a temperature of 100-120 ° C for 1 h. Then, the composition was placed in a cold mold and the product was pressed at a specific pressure of 50 MPa. Sintering of products was carried out in an electric furnace at a temperature of 370 ± 5 ° C (exposure time 0.3 h at

10^-3 м толщины образца). Полученные изделия охлаждали в печи до 200°С со скоростью 0,03% с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры. Охлаждение спеченных изделий проводили непосредственно в печи.10 ^-3 m of sample thickness). The resulting products were cooled in an oven to 200 ° C at a rate of 0.03%, followed by free cooling to room temperature. Sintered bodies were cooled directly in the furnace.

За пределами заявляемого соотношения компонентов физико-механические свойства композиции ухудшаются.Outside of the claimed ratio of components, the physico-mechanical properties of the composition are deteriorating.

Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в табл.1.The remaining examples of obtaining composite material of the claimed composition are given in table 1.

Методики определения свойств композитаMethods for determining the properties of a composite

Физико-механические свойства заявляемой полимерной композиции триботехнического назначения определены на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Испытания проводили 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 claimed polymer composition for tribological purposes are determined on standard samples (GOST 11262-80). The tests were carried out on a testing machine "UTS-2" (Germany) at room temperature and a moving speed of moving grippers of 100 mm / min on the blades (the number of samples per test was 10).

Массовый износ и коэффициент трения определяли на машине трения СМЦ-2 согласно ГОСТ 11629, 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 - 67 Н, скорость скольжения - 0,39 м/с).Mass wear and friction coefficient were determined on a friction machine СМЦ-2 according to GOST 11629, “shaft-sleeve” scheme (sample - sleeve with external and internal diameters of 34 and 26 mm, respectively 22 mm high, counterbody - steel shaft made of steel 45 with hardness 45-50 HRC and a roughness of 0.06-0.07 microns, a load of 67 N, a sliding speed of 0.39 m / s).

Технико-экономическая эффективностьFeasibility

Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет значительно снизить массовый износ в 370 раз по сравнению с ПТФЭ, в 15 раз по сравнению с прототипом при сохранении, а при некоторых соотношениях компонентов и улучшении значений относительного удлинения при разрыве в 1,3-1,5 раза по сравнению с прототипом. Оптимальное содержание наполнителей: фторопласт-4 МБ - 2,0-5,0 мас.%, MgAl₂O₄ - 1-2 мас.%.The use of the claimed invention, implemented on standard equipment, can significantly reduce mass wear by 370 times compared with PTFE, 15 times compared with the prototype while maintaining, and with some ratios of components, and improving elongation at break of 1.3-1 , 5 times compared with the prototype. The optimal content of fillers: fluoroplast-4 MB - 2.0-5.0 wt.%, MgAl ₂ O ₄ - 1-2 wt.%.

Применение полимерной композиции заявляемого состава позволит значительно повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования и расширить их область применения.The use of the polymer composition of the claimed composition will significantly increase the service life of products in the friction units of machines and equipment and expand their scope.

Таблица примеровTable of examples №No. СоставStructure Содержание компонентов масс.%The content of components wt.% Физико-механические характеристикиPhysical and mechanical characteristics Массовый износ, мгMass wear, mg Предел прочности при разрыве, σ_р, МПаTensile strength at break, σ _p , MPa Относительное удлинение при разрыве, ε_p, %Elongation at break, ε _p ,% 1one ПТФЭPTFE -- 20-2220-22 300-320300-320 370-375370-375 22 ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ PTFE + F-4 MB + MgAl ₂ O ₄ 9898 20-2120-21 300-310300-310 25-2725-27 1one 1one 33 ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ PTFE + F-4 MB + MgAl ₂ O ₄ 98,598.5 20-2120-21 310-320310-320 20-2220-22 22 0,50.5 4four ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ PTFE + F-4 MB + MgAl ₂ O ₄ 9797 22-2322-23 420-430420-430 11-1211-12 22 1one 5454 ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ PTFE + F-4 MB + MgAl ₂ O ₄ 9696 22-2322-23 390-400390-400 2-32-3 22 22 66 ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ PTFE + F-4 MB + MgAl ₂ O ₄ 9696 24-2524-25 440-450440-450 12-1312-13 33 1one 77 ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ PTFE + F-4 MB + MgAl ₂ O ₄ 9595 21-2221-22 420-430420-430 3-43-4 33 22 88 ПТФЭ+Ф-4 МБ+ MgAl₂O₄ PTFE + F-4 MB + MgAl ₂ O ₄ 9494 21-2221-22 420-430420-430 7-87-8 55 1one 99 ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ PTFE + F-4 MB + MgAl ₂ O ₄ 9393 22-2322-23 360-370360-370 1-21-2 55 22 1010 ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ PTFE + F-4 MB + MgAl ₂ O ₄ 9292 20-2120-21 280-290280-290 5-65-6 55 33 11eleven ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ PTFE + F-4 MB + MgAl ₂ O ₄ 8989 18-1918-19 300-310300-310 8-108-10 1010 1one 1212 ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl₂O₄ PTFE + F-4 MB + MgAl ₂ O ₄ 8888 17-1817-18 290-300290-300 5-65-6 1010 22 1313 ПТФЭ + MgAl₂O₄ (прототип)PTFE + MgAl ₂ O ₄ (prototype) 9999 21-2321-23 320-330320-330 23-2523-25 1one 14fourteen ПТФЭ + MgAl₂O₄ (прототип)PTFE + MgAl ₂ O ₄ (prototype) 9898 20-2220-22 300-310300-310 15-1715-17 22

Claims (1)

Полимерная композиция триботехнического назначения, содержащая политетрафторэтилен, синтетическую шпинель магния с удельной поверхностью 170-200 м²/г, и полимерный наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя содержит фторопласт-4 МБ при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Политетрафторэтилен 93,0-97,0 Фторопласт-4 МБ 2,0-5,0 Шпинель магния 1,0-2,0 A tribotechnical polymer composition containing polytetrafluoroethylene, synthetic magnesium spinel with a specific surface area of 170-200 m ² / g, and a polymer filler, characterized in that it contains fluoroplastic-4 MB as a filler in the following ratio, wt.%:
Polytetrafluoroethylene 93.0-97.0 Ftoroplast-4 MB 2.0-5.0 Magnesium Spinel 1.0-2.0