RU2460742C2 - Anti-friction polymer composition - Google Patents

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: antifriction polymer composition contains the following in wt %: mechanically activated serpentinite 1-5 and polytetrafluoroethylene - the balance. The serpentinite is pre-activated in a planetary mill for 2 minutes. After preparation, the composition is pressed and sintered at 375-380°C and an article with the required shape is obtained.

EFFECT: invention increases longevity and operating capacity of friction assemblies due to high wear-resistance and low coefficient of friction while maintaining deformation-strength properties.

1 tbl, 1 ex

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 (см. 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 (PTFE) and inorganic fillers of various chemical nature (see Istomin N.P., Semenov A.P. 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 композиция, содержащая политетрафторэтилен (ПТФЭ) (98 мас.%) и в качестве неорганического наполнителя механоактивированный природный цеолит (2,0 мас.%) (прототип, патент RU №2178801 С2). Обладая высокими физико-механическими характеристиками, материал характеризуется недостаточно высокой износостойкостью.The closest in technical essence to the claimed material is an antifriction composition containing polytetrafluoroethylene (PTFE) (98 wt.%) And mechanically activated natural zeolite (2.0 wt.%) As an inorganic filler (prototype, patent RU No. 2178801 C2). Possessing high physical and mechanical characteristics, the material is characterized by insufficiently high wear resistance.

Одним из перспективных методов структурной модификации полимеров является использование слоистых силикатов в качестве наполнителей. Интерес к силикатам как к эффективным модификаторам полимерной матрицы объясняется возможностью образования в композите пространственных непрерывных структур в системе за счет особенностей структурной организации минералов (см. Охлопкова А.А., Адрианова О.А., Попов С.Н. Модификация полимеров ультрадисперсными соединениями. - Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2003. - 224 с.). Модифицирующая способность слоистых силикатов может быть в полной мере реализована в результате интеркаляции макромолекул полимера в межслойные пространства (галереи) частиц наполнителя (см. Chang J.-H., An Y.U., Kim S.J., Im S. // Polymer. 2003. V.44. P.5655-5661, Chang J.-H., Kim S.J., Joo Y.L., Im S. // Polymer. 2004. V.45. P.919-926, Pinnavaia T.J., Baell G.W., editors. Polymer-Clay Nanocomposites. New York: Wiley, 2000, Сергеев Г.Б. Нанохимия. M.: Изд-во МГУ, 2003). В результате последующей эксфолиации (расслоения) наполнителей на единичные слои толщиной 1 нм под действием макромолекул полимера возможно формирование нанокомпозитов, обладающих свойствами, значительно превосходящими свойства исходного полимера. Основными задачами разработки нанокомпозитов «полимер-слоистый силикат» являются улучшение совместимости компонентов композита и обеспечение процесса интеркаляции. Наиболее простым и достаточно эффективным решением этих задач представляется механоактивация слоистых силикатов с определением оптимального режима их обработки.One of the promising methods for structural modification of polymers is the use of layered silicates as fillers. The interest in silicates as effective modifiers of the polymer matrix is explained by the possibility of forming continuous spatial structures in the composite in the system due to the structural features of minerals (see Okhlopkova A.A., Adrianova O.A., Popov S.N. Modification of polymers with ultrafine compounds. - Yakutsk: Nuclear Physics Publishing House of the SB RAS, 2003. - 224 p.). The modifying ability of layered silicates can be fully realized as a result of intercalation of polymer macromolecules into the interlayer spaces (galleries) of filler particles (see Chang J.-H., An YU, Kim SJ, Im S. // Polymer. 2003. V. 44. P.5655-5661, Chang J.-H., Kim SJ, Joo YL, Im S. // Polymer. 2004. V.45. P.919-926, Pinnavaia TJ, Baell GW, editors. Polymer- Clay Nanocomposites. New York: Wiley, 2000, Sergeyev GB, Nanochemistry. M .: Moscow State University Publishing House, 2003). As a result of subsequent exfoliation (separation) of fillers into single layers with a thickness of 1 nm under the action of polymer macromolecules, it is possible to form nanocomposites with properties that significantly exceed those of the original polymer. The main objectives of the development of polymer-layered silicate nanocomposites are to improve the compatibility of composite components and to ensure the intercalation process. The simplest and most effective solution to these problems is the mechanical activation of layered silicates with the determination of the optimal treatment regime.

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

Достижение положительного эффекта обеспечивается введением в ПТФЭ серпентинита, предварительно активированного в планетарной мельнице в течение 2 мин, при следующем соотношении компонентов, мас.%:The achievement of a positive effect is provided by the introduction of serpentinite in PTFE, previously activated in a planetary mill for 2 minutes, with the following ratio of components, wt.%:

Серпентинит механоактивированный 1,0-5,0Serpentinite mechanically activated 1,0-5,0

ПТФЭ остальное.PTFE is the rest.

ПТФЭ - промышленный порошкообразный продукт марки ПН, ГОСТ 10007-80. Средние размеры частиц порошка 50-100 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 PN brand, GOST 10007-80. The average particle size of the powder is 50-100 μm, the molecular weight is 100-500 thousand, the degree of crystallinity before sintering is 95-98%, after sintering 50-70%, the density is 2150-2260 kg / m ³ , the melting point of the crystals is 327 ° С, temperature glass transition of amorphous sites -120 ° C.

Наполнитель - серпентинит месторождения Мурманской области, представляет собой слоистый гидросиликат магния Mg₆[Si₄O₁₀](OH)₈. Серпентинит - горная порода, возникающая при гидротермальной переработке ультраосновных изверженных пород. Состоит, главным образом, из смеси минералов группы серпентина: волокнистого хризотила, пластинчатого антигорита и массивного лизардита. Физические параметры серпентинита: размеры частиц 0,6-10 мкм, объемная масса 2,6-2,8 кг/дм, прочность на сжатие 8-25 Н/мм, водопоглощение по весу 0,1-1,5%, износостойкость 8-25/50 см (по Беме), плотность 2,2-2,7 г/см³.The filler is serpentinite of the Murmansk region deposit. It is a layered magnesium hydrosilicate Mg ₆ [Si ₄ O ₁₀ ] (OH) ₈ . Serpentinite is a rock that occurs during hydrothermal processing of ultrabasic igneous rocks. It consists mainly of a mixture of minerals of the serpentine group: fibrous chrysotile, plate antigorite and massive lysardite. Physical parameters of serpentinite: particle sizes 0.6-10 microns, bulk density 2.6-2.8 kg / dm, compressive strength 8-25 N / mm, water absorption by weight 0.1-1.5%, wear resistance 8 -25/50 cm (Boehme), the density of 2.2-2.7 g / cm ³ .

Для повышения структурной активности и улучшения адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз «полимер-наполнитель» серпентинит предварительно диспергировали в течение 2 минут в планетарной мельнице типа «Пульверизетте-5» (Fritsch) с центробежным ускорением до 400 м/с, развиваемым мелющими телами. Предварительная обработка дисперсного наполнителя в планетарной мельнице ведет к механической активации, повышающей его структурную активность, и усреднению дисперсного состава наполнителя. Совмещение ПТФЭ с механоактивированным серпентинитом проводили в лопастном смесителе со скоростью 3000 об/мин: поместив расчетную массу полимера и активированного серпентинита в высокооборотный смеситель, смешивали до получения однородной массы. Затем из композиции делали заготовки требуемой формы по технологии холодного прессования. Отпрессованные заготовки спекали при температуре 375-380°С (время выдержки 0,3 ч на 10^-3 м толщины образца). Полученные изделия охлаждали в печи до комнатной температуры.To increase the structural activity and improve the adhesion interaction at the polymer-filler interface, serpentinite was pre-dispersed for 2 minutes in a Pulverisette-5 planetary mill (Fritsch) with centrifugal acceleration up to 400 m / s developed by grinding media. Pretreatment of the dispersed filler in a planetary mill leads to mechanical activation, increasing its structural activity, and averaging of the dispersed composition of the filler. The combination of PTFE with mechanically activated serpentinite was carried out in a paddle mixer at a speed of 3000 rpm: by placing the calculated mass of the polymer and activated serpentinite in a high-speed mixer, they were mixed until a homogeneous mass was obtained. Then, preforms of the required shape were made from the composition using cold pressing technology. The pressed blanks were sintered at a temperature of 375–380 ° С (exposure time 0.3 h per 10 ^–3 m of sample thickness). The resulting products were cooled in an oven to room temperature.

Введение серпентинита позволило получить композиционный материал, обладающий высокой износостойкостью, пониженным коэффициентом трения при сохранении деформационно-прочностных свойств.The introduction of serpentinite made it possible to obtain a composite material with high wear resistance, a reduced coefficient of friction while maintaining the deformation-strength properties.

Подобные свойства композиционного материала заявляемого состава обусловлены влиянием активированного серпентинита на процессы формирования структуры композита и определяются высокой дисперсностью, структурной активностью и особенностью строения слоистого силиката. Структурные исследования поверхностей трения композитов выявили существенное влияние активированных силикатов на процессы трибодеструкции и окисления, играющих значительную роль в формировании триботехнических характеристик материала (см. Слепцова С.А., Афанасьева Е.С., Григорьева В.П. Структура и триботехнические свойства политетрафторэтилена, модифицированного слоистыми силикатами. / Трение и износ. - 2009. - Т.30, №6. - С.587-593).Similar properties of the composite material of the claimed composition are due to the influence of activated serpentinite on the processes of formation of the composite structure and are determined by the high dispersion, structural activity and structural features of the layered silicate. Structural studies of the friction surfaces of composites revealed a significant effect of activated silicates on the processes of tribodegradation and oxidation, which play a significant role in the formation of tribological characteristics of the material (see Sleptsova SA, Afanasyeva ES, Grigoryeva V.P. Structure and tribological properties of polytetrafluoroethylene, modified by layered silicates. / Friction and wear. - 2009. - T.30, No. 6. - S.587-593).

Пример. 98,0 г ПТФЭ и 2,0 г механоактивированного серпентинита 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. Охлаждение спеченных изделий проводят непосредственно в печи.Example. 98.0 g of PTFE and 2.0 g of mechanically activated serpentinite 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 the sample thickness. Sintered products are cooled 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 композитаMethods for determining the properties of a 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 claimed anti-friction 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 - 65 Н, скорость скольжения - 0,39 м/с) согласно ГОСТ 11629.Mass wear and friction coefficient were determined on a SMTS-2 friction machine, “shaft-sleeve scheme” (sample - sleeve with external and internal diameters of 34 and 26 mm, respectively, 22 mm high, counterbody - steel shaft made of 45 steel with a hardness of 45-50 HRC and roughness of 0.06-0.07 μm, load - 65 N, sliding speed - 0.39 m / s) according to GOST 11629.

Технико-экономическая эффективностьFeasibility

Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет снизить массовый износ до 1000 раз, уменьшить коэффициент трения в 1,5 раза, при незначительном снижении деформационно-прочностных характеристик по сравнению с ПТФЭ. Как видно из приведенных данных, оптимальное содержание механоактивированного серпентинита - 2-5 мас.%. Дальнейшее увеличение содержания наполнителя приводит к снижению деформационно-прочностных характеристик.The use of the claimed invention, implemented on standard equipment, allows to reduce mass wear up to 1000 times, to reduce the friction coefficient by 1.5 times, with a slight decrease in the deformation-strength characteristics compared to PTFE. As can be seen from the above data, the optimal content of mechanically activated serpentinite is 2-5 wt.%. A further increase in the filler content leads to a decrease in the deformation-strength characteristics.

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

СоставStructure Содержание компонентов, мас.%The content of components, wt.% Физико-механические характеристикиPhysical and mechanical characteristics Массовый износ (мг)Mass wear (mg) Коэффициент трения по стали при нагрузке 65 НCoefficient of friction for steel at a load of 65 N σ_р, МПаσ _p , MPa ε_р, %ε _p ,% ПТФЭPTFE -- 20-2220-22 300-320300-320 370-375370-375 0,200.20 ПТФЭ + серпентинит без активацииPTFE + serpentinite without activation 9999 14fourteen 132132 1313 0,140.14 1one 9898 15fifteen 124124 9,29.2 0,180.18 22 9595 1313 102102 5,95.9 0,290.29 55 9393 1212 106106 7,57.5 0,20.2 77 9090 1010 8080 12,512.5 0,20.2 1010 ПТФЭ+ серпентинит активированный в Пульверизетте-5 (Fritsch)PTFE + serpentinite activated in Pulverisette-5 (Fritsch) 9999 2222 373373 6,26.2 0,170.17 1one 9898 20twenty 320320   0,150.15 22 9595 18eighteen 270270   0,140.14 55 9393 1616 220220 1,41.4 0,180.18 77 9090 14fourteen 180180 2,32,3 0,20.2 1010 ПТФЭ+ цеолит (прототип)PTFE + zeolite (prototype) 9898 18-1918-19 360-370360-370 16-1716-17 -- 22

Claims (1)

Антифрикционная полимерная композиция, содержащая политетрафторэтилен и наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя содержит серпентинит, предварительно механоактивированный в течение 2 мин в планетарной мельнице, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
механоактивированный серпентинит 1-5 политетрафторэтилен остальное Antifriction polymer composition containing polytetrafluoroethylene and a filler, characterized in that it contains serpentinite as a filler, previously mechanically activated for 2 minutes in a planetary mill, in the following ratio, wt.%:
mechanically activated serpentinite 1-5 polytetrafluoroethylene rest