RU2484107C1 - Polymer composition for tribotechnical purposes - Google Patents

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: polymer composition contains polytetrafluoroethylene, synthetic magnesium spinel with specific surface area of 170-200 m²/g and mechanically activated serpentinite.

EFFECT: invention increases longevity and operating capacity of friction assemblies due to high wear-resistance and low coefficient of friction, defined by the structure of the composite material.

1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, в частности к полимерным композитным антифрикционным материалам, 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, in particular to polymer composite antifriction materials that 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.). Материалы известны как самосмазывающиеся антифрикционные с малым коэффициентом трения, но имеют низкие деформационно-прочностные характеристики, что снижает ресурс их работы.Known composite materials 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 fluoroplasts. - M. : Science, 1987 .-- 147 p.). Materials are known as self-lubricating antifriction with a low coefficient of friction, but they have low deformation-strength characteristics, which reduces the resource of their work.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является антифрикционная композиция, содержащая политетрафторэтилен (ПТФЭ) (98-99 мас.%) и в качестве неорганического наполнителя синтетическую шпинель магния (1,0-2,0 мас.%), (прототип, патент RU 2281960 C1; C08J 5/16, C08L 27/18, С208К 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). Обладая высокими физико-механическими характеристиками, материал имеет высокий массовый износ.The closest in technical essence to the claimed material is an antifriction composition containing polytetrafluoroethylene (PTFE) (98-99 wt.%) And synthetic inelium magnesium spinel (1.0-2.0 wt.%) As an inorganic filler, (prototype, patent RU 2281960 C1; C08J 5/16, C08L 27/18, C208K 3/22. Antifriction polymer composition / Okhlopkova AA, Popov SN, Sleptsova SA, Avvakumov EG, Vinokurova O. B., Gusev A.A. Declaration of March 21, 2005; Publish. August 20, 2006). Having high physical and mechanical characteristics, the material has high mass wear.

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

Достижение положительного эффекта обеспечивается введением в ПТФЭ смеси шпинели магния с серпентинитом, предварительно активированного в планетарной мельнице в течение 2 мин, при следующем соотношении компонентов (мас.%):Achieving a positive effect is provided by introducing into the PTFE a mixture of magnesium spinel with serpentinite, previously activated in a planetary mill for 2 minutes, with the following ratio of components (wt.%):

серпентинит - 1,0-4,8serpentinite - 1.0-4.8

шпинель магния - 0,2-1,0magnesium spinel - 0.2-1.0

ПТФЭ - остальное.PTFE - 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 crystallinity before sintering is 95-98%, after sintering it is 50-70%, the density is 2150-2260 kg / m ³ , the crystal melting point is 327 ° C, the glass transition temperature of amorphous sites is 120 ° C.

Серпентинит - слоистый гидросиликат магния Mg₆[Si₄O₁₀](OH)₈, горная порода (в работе использован серпентинит месторождения Мурманской области), 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.Serpentinite is a layered magnesium hydrosilicate Mg ₆ [Si ₄ O ₁₀ ] (OH) ₈ , a rock (serpentinite from the Murmansk region deposits was used in the work) 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 (according to Boehme), density - 2.2-2.7 g / cm ³ .

Шпинель магния (MgAl₂O₄), продукт, полученный путем механохимического синтеза в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН (г.Новосибирск). Физические параметры шпинели магния: размеры частиц 70-80 нм; удельная поверхность - 170-200 м²/г (см. патент RU 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).Magnesium spinel (MgAl ₂ O ₄ ), 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 70-80 nm; specific surface - 170-200 m ² / g (see patent RU 2078037 C1, C01B 33/20, 33/26. A method for producing aluminosilicate of alkaline earth metal / Avvakumov E.G., Devyatkina E.T., Kosova N.V. , Lyakhov N.Z. - No. 93029074/25; Declared May 31, 1993; Publ. April 27, 1997; Bull. No. 12).

Для повышения структурной активности и улучшения адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз «полимер-наполнитель», серпентинит вначале подвергали механоактивации в планетарной мельнице, например типа «АГО-2», в течение 2 мин, далее смешивали со шпинелью магния. Предварительная обработка серпентинита в планетарной мельнице ведет к механической активации, повышающей его структурную активность и усреднению дисперсного состава. Совмещение ПТФЭ со смесью шпинели магния и механоактивированного серпентинита проводили в лопастном смесителе со скоростью 3000 об/мин: поместив расчетную массу компонентов в высокооборотный смеситель, смешивали до получения однородной массы. Затем из композиции делали заготовки требуемой формы по технологии холодного прессования с последующим свободным спеканием при температуре 375-380°С. При этом время выдержки определяется из расчета 0,3 ч на 10^-3 м толщины образца. Полученные изделия охлаждали в печи до 200°С со скоростью 0,03°С/с с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры. Охлаждение спеченных изделий проводили непосредственно в печи.To increase the structural activity and improve the adhesive interaction at the polymer-filler interface, serpentinite was first subjected to mechanical activation in a planetary mill, for example, the AGO-2 type, for 2 min, then mixed with magnesium spinel. Pretreatment of serpentinite in a planetary mill leads to mechanical activation, increasing its structural activity and averaging the dispersed composition. The combination of PTFE with a mixture of magnesium spinel and mechanically activated serpentinite was carried out in a paddle mixer at a speed of 3000 rpm: placing the calculated mass of the components in a high-speed mixer was mixed until a homogeneous mass was obtained. Then, preforms of the required shape were made from the composition using the cold pressing technology, followed by free sintering at a temperature of 375-380 ° C. In this case, the exposure time is determined from the calculation of 0.3 h per 10 ^-3 m of sample thickness. The resulting products were cooled in an oven to 200 ° C at a rate of 0.03 ° C / s, followed by free cooling to room temperature. Sintered bodies were cooled directly in the furnace.

Введение в ПТФЭ смеси шпинели магния с механоактивированным серпентинитом в приведенных соотношениях позволило получить композиционные материалы, обладающие повышенными деформационно-прочностными показателями и износостойкостью, в том числе при эксплуатации в условиях повышенных нагрузок.The introduction of a mixture of magnesium spinel with mechanically activated serpentinite in PTFE in the above ratios made it possible to obtain composite materials with increased deformation and strength characteristics and wear resistance, including during operation under high loads.

Пример. Наполнитель серпентинит активировали в планетарной мельнице в течение 2 мин, затем 1,0 г механоактивированного серпентинита смешивали с 1,0 г шпинели магния. Полученную однородную смесь наполнителей смешивали с 98,0 г ПТФЭ в лопастном смесителе до получения однородной массы. Далее композицию помещали в пресс-форму и прессовали изделия при удельном давлении 50 МПа. Спекание изделий производили при температуре 375-380°С (время выдержки определяется из расчета 0,3 ч на 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.Example. The filler serpentinite was activated in a planetary mill for 2 minutes, then 1.0 g of mechanically activated serpentinite was mixed with 1.0 g of magnesium spinel. The resulting homogeneous mixture of fillers was mixed with 98.0 g of PTFE in a paddle mixer until a homogeneous mass was obtained. Next, the composition was placed in the mold and extruded products at a specific pressure of 50 MPa. Sintering of products was carried out at a temperature of 375-380 ° C (the exposure time is determined from the calculation of 0.3 h per 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.

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 (δ_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 (δ _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 a roughness of 0.06-0.07 microns, a load of 65 N, a sliding speed of 0.39 m / s) according to GOST 11629.

Технико-экономическая эффективностьFeasibility

Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет снизить массовый износ до 2500 раз, уменьшить коэффициент трения до 1,5 раз, при сохранении деформационно-прочностных характеристик. Как видно из приведенных данных, оптимальное содержание механоактивированного серпентинита - 1,0-4,8 мас.% и шпинели магния - 0,2-1 мас.%.Using the claimed invention, implemented on standard equipment, allows to reduce mass wear up to 2500 times, reduce the friction coefficient to 1.5 times, while maintaining the deformation-strength characteristics. As can be seen from the above data, the optimum content of mechanically activated serpentinite is 1.0-4.8 wt.% And magnesium spinel is 0.2-1 wt.%.

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

Таблица примеровTable of examples 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 0,040.04 ПТФЭ + активированный в АГО-2 серпентинит + шпинель магнияPTFE + serpentinite + magnesium spinel activated in AGO-2 9898 2222 356356 0,390.39 0,0320,032 1one 1one 9898 20twenty 317317 3,213.21 0,0330,033 1,51,5 0,50.5 9898 2121 329329 6,696.69 0,0440,044 1,81.8 0,20.2 9595 20twenty 320320 0,090.09 0,0410,041 4four 1one 9595 2121 344344 0,090.09 0,0260,026 4,54,5 0,50.5 9595 1919 336336 0,810.81 0,0260,026 4,84.8 0,20.2 ПТФЭ + шпинель магния (прототип)PTFE + magnesium spinel (prototype) 9999 21-2321-23 320-330320-330 23-2523-25 -- 1one   ПТФЭ + шпинель магния (прототип)PTFE + magnesium spinel (prototype) 9898 20-2220-22 300-310300-310 15-1715-17 -- 22  

Claims (1)

Полимерная композиция триботехнического назначения, содержащая политетрафторэтилен и наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя содержит синтетическую шпинель магния с удельной поверхностью 170-200 м²/г и механоактивированный серпентинит, при этом соотношение компонентов составляет, мас.%:
механоактивированный серпентинит 1,0-4,8 шпинель магния 0,2-1,0 политетрафторэтилен остальное. A tribotechnical polymer composition containing polytetrafluoroethylene and a filler, characterized in that it contains synthetic magnesium spinel with a specific surface area of 170-200 m ² / g and mechanically activated serpentinite, the ratio of the components being, wt.%:
mechanically activated serpentinite 1.0-4.8 magnesium spinel 0.2-1.0 polytetrafluoroethylene rest.