RU2784206C1 - Полимерная композиция конструкционного и триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и борполимера - Google Patents
Полимерная композиция конструкционного и триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и борполимера Download PDFInfo
- Publication number
- RU2784206C1 RU2784206C1 RU2022107913A RU2022107913A RU2784206C1 RU 2784206 C1 RU2784206 C1 RU 2784206C1 RU 2022107913 A RU2022107913 A RU 2022107913A RU 2022107913 A RU2022107913 A RU 2022107913A RU 2784206 C1 RU2784206 C1 RU 2784206C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- wear
- uhmwpe
- polymer
- structural
- molecular weight
- Prior art date
Links
- 239000004699 Ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 229920000785 ultra high molecular weight polyethylene Polymers 0.000 title claims abstract description 26
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 title claims abstract description 21
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 15
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 title description 4
- KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N Boric acid Chemical compound OB(O)O KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 239000004327 boric acid Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000003607 modifier Substances 0.000 claims abstract description 7
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N ether Substances CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 12
- 238000005296 abrasive Methods 0.000 abstract description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 abstract description 3
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 abstract description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 3
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 3
- 239000000047 product Substances 0.000 description 3
- 101700030984 B29K Proteins 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene (PE) Substances 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- BGJSXRVXTHVRSN-UHFFFAOYSA-N 1,3,5-Trioxane Chemical group C1OCOCO1 BGJSXRVXTHVRSN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating Effects 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive Effects 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N al2o3 Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002902 bimodal Effects 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 239000007859 condensation product Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010431 corundum Substances 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001264 neutralization Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в качестве износостойкого полимерного композита на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) для изготовления подшипников скольжения в узлах трения машин, механизмов, износостойких футеровок, изделий функционального и конструкционного назначения, работающих в режиме абразивного изнашивания в углеводородной среде. Данная композиция содержит СВМПЭ 95,0-99,8 мас.% и модификатор – полиметилен-п-трифениловый эфир борной кислоты – 0,2-5,0 мас.%. Технический результат – разработка конструкционного и износостойкого композиционного материала, обладающего повышенными прочностными и износостойкими свойствами. 1 табл., 8 пр.
Description
Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в качестве износостойкого полимерного композита на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) для изготовления подшипников скольжения в узлах трения машин, механизмов, износостойких футеровок, изделий функционального и конструкционного назначения, работающих в режиме абразивного изнашивания в углеводородной среде.
К большинству полимерных композитов при разработке предъявляют комплекс требований по стойкости к действию масел, физико-механическим, износостойким, теплофизическим и другим характеристикам. В связи с этим при создании полимерных композитов необходимо подобрать компоненты, которые оказывают комплексное воздействие на полимерную матрицу для улучшения эксплуатационных свойств.
Известна полимерная композиция конструкционного назначения на основе СВМПЭ и волокнистых наполнителей (см. RU №2346963, кл. C08L 23/06, C08K 13/04, C08K 7/02, опубл. 20.02.2009), содержащая волокнистый наполнитель в количестве 5-25 мас.%. В данном случае волокнистый наполнитель используют в виде смеси волокон длиной 2-3 мм, состоящей из 70 мас.% полиоксадиазольного волокна и 30 мас.% волокон из хлопчатобумажной пряжи. При этом материал характеризуется относительно невысокой стойкостью к истиранию частицами повышенной твердости.
Полимерный композит по патенту RU №2087490 (кл. B29C 67/00, B29K 23/00, B29K 105/16, C08F 2/44, C08F 4/60, C08F 4/64, C08F 4/659, C08F 8/00, C08F 10/02, C08F 292/00, C08K 3/00, C08L 23/04, опубл. 20.08.1997) включает 25,5-92,0 мас.% ультравысокомолекулярного линейного полиэтилена с высокой молекулярной массой и температурой плавления кристаллитов выше 143°С, при этом полиэтилен способен к понижению температуры плавления при повторном плавлении на 3°С и имеет кристаллическую морфологию, формирующуюся в бимодальном распределении параметра складывания молекулярных цепей в кристаллической решетке, и 8,0-74,5 мас.% наполнителя с поверхностью от нейтральной до кислотной.
Недостатками известного материала являются низкая устойчивость к ударным нагрузкам, невысокая стойкость к истиранию частицами повышенной твердости.
Известна полимерная композиция на основе СВМПЭ (см. RU №2381242, кл. C08L 23/06, B82B 1/00, опубл. 10.02.2010), где в качестве наполнителя использован оксид алюминия Al2O3 модификации корунд двух фракций с размером 0,1 и 0,3 мм при соотношении 1:2 и в общем количестве 18 мас.%. В качестве полимерной матрицы применяется СВМПЭ, предварительно механоактивированный в планетарной мельнице АГО-2С.
Недостатками материала являются низкая прочность, невысокая стойкость к истиранию частицами повышенной твердости, высокая стоимость производства.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому материалу является композиция на основе СВМПЭ с терморасширенным графитом, добавляемым в качестве модификатора в количестве 2 мас.% (см. RU №2535216, кл. C08J 5/16, C08L 23/06, C08K 3/04, опубл. 10.12.2014). К недостаткам материала следует отнести высокую стоимость терморасширенного графита, недостаточную износостойкость и прочность.
Задача, на решение которой направлено заявленное решение, заключается в разработке конструкционного и износостойкого композиционного материала для изготовления деталей в узлах трения, машин и других механизмов, эксплуатирующихся в условиях абразивного изнашивания в агрессивных средах.
Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении прочности, износостойкости и надежности узлов, уменьшении интенсивности массового изнашивания материала.
Поставленная задача достигается за счет того, что полимерная композиция конструкционного и триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, содержащая модификатор, отличающаяся тем, что в качестве модификатора содержит борполимер, а именно, полиметилен-n-трифениловый эфир борной кислоты, при следующем соотношении компонентов, мас.%: СВМПЭ - 95,0-99,8; полиметилен-n-трифениловый эфир борной кислоты - 0,2-5,0
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с известными признаками свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков изобретения обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, повышение надежности деталей узлов, в частности, подшипников скольжения в узлах трения, машин, механизмов и износостойких футеровок, применяемых для облицовки горно-обогатительного и горнодобывающего оборудования, износостойких изделий конструкционного назначения, работающих в режиме абразивного изнашивания в среде нефти, масел, смазок, топлива, кислот и щелочей.
Заявляемая композиция состоит из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и борполимера (полиметилен-n-трифениловый эфир борной кислоты). Разработанная композиция позволяет в разы уменьшить интенсивность массового изнашивания и повысить прочность материала.
Сущность изобретения состоит в следующем: в СВМПЭ вводится добавка в виде полиметилен-n-трифенилового эфира борной кислоты в количестве 0,2-5,0 мас.%. При этом наблюдается значительное повышение износостойкости материала и прочности в зависимости от концентрации наполнителя.
Для экспериментальных работ были изготовлены композиты, в которых использовали СВМПЭ марки Ticona GUR-4022 (Celanese, Китай), с молекулярной массой 5,0×106 г/моль, средним размером частиц 145 мкм и плотностью 0,93 г/см3. Физико-механические свойства СВМПЭ показаны в таблице.
В качестве модификатора СВМПЭ использовали полиметилен-n-трифениловый эфир борной кислоты, представляющий собой продукт конденсации трифенилового эфира борной кислоты и триоксиметилена (см. Туисов А.Г., Кычкин А.А., Ананьева Е.С., Максимова Е.М. Исследование процесса растворения борполимера в эпоксиангидридном связующем // Ползуновский вестник. 2020. №4), в следующем соотношении в полимерной матрице - 0,2; 0,5; 1; 2; 3; 5 мас.%.
Изготовление полимерных композитов проводили методом горячего прессования при температуре 175±2°С, давлении 10±0,5 МПа и выдержке 20±0,5 мин с последующим охлаждением до 80°С. Порошки СВМПЭ и полиметилен-n-трифенилового эфира борной кислоты смешивали в лопастном смесителе в сухом виде со скоростью вращения перемешивающих устройств 1200 об/мин.
Физико-механические свойства композитов исследовали на разрывной машине типа AGS-J (Shimadzu, Япония) при скорости движения подвижных захватов 50 мм/мин. При этом модуль упругости при растяжении определяли согласно ГОСТ 9550-2014. Триботехнические характеристики определяли на трибомашине UMT-3 (CETR, США). Коэффициент трения определяли согласно ГОСТ 11629-2017. Схема трения «палец-диск». Образцы с диаметром 10,00±0,02 мм. Контртело - стальной диск из стали 45 с твердостью 45-50 HRC, шероховатость Ra = 0,06-0,08 мкм. Удельная нагрузка - 1,9 МПа, линейная скорость скольжения - 0,5 м/с. Время испытания 3 ч. Для определения массового износа образцы обрабатывали этиловым спиртом и взвешивали на аналитических весах до и после трения.
Основные показатели физико-механических и триботехнических характеристик заявляемой композиции приведены в таблице.
Наилучшие показатели интенсивности массового изнашивания получены у композиции СВМПЭ с 5 мас.% содержанием полиметилен-n-трифенилового эфира борной кислоты: интенсивность весового изнашивания при нагрузке 150 Н в 11 раз меньше, чем у прототипа, а по сравнению с исходным СВМПЭ в 6 раз. При этом удалось увеличить прочность при растяжении у заявляемой композиции на 11% по сравнению с прототипом, а по сравнению с исходным СВМПЭ - на 22%.
Введение 0,5% полиметилен-n-трифенилового эфира борной кислоты в полимерную матрицу увеличивает прочность на 42% по сравнению с прототипом и на 56% по сравнению с исходным образцом. Помимо этого, заявляемая композиция характеризуется повышенным значением твердости (на 26%) относительно исходного СВМПЭ и сниженным значением коэффициента трения, что свидетельствует об отсутствии абразивного воздействия на прилегающую рабочую поверхность изделия.
Таким образом, использование полиметилен-n-трифенилового эфира борной кислоты позволяет без усложнения технологических операций получать полимерные композиционные материалы на основе СВМПЭ с повышенными прочностными и износостойкими свойствами.
| Таблица Свойства полимерных композитов |
|||||||||
| Образец | δ, МПа | ε, % | Ер, МПа | H, Н/мм2 | f | J, мг/ч | Сжатие | ||
| δсд2,5, МПа | δсд10, МПа | δсд25, МПа | |||||||
| исходный СВМПЭ | 32+3 | 339+16 | 550+26 | 41,64 | 0,38 | 0,12 | 4 | 17 | 30 |
| СВМПЭ+0,2% БП | 49+1 | 434+14 | 743+34 | 41,64 | 0,38 | 0,14 | 11 | 28 | 29 |
| СВМПЭ+0,5% БП | 50+1 | 417+10 | 712+37 | 44,24 | 0,4 | 0,14 | 8 | 20 | 26 |
| СВМПЭ+1% БП | 45+1 | 389+8 | 692+19 | 50,56 | 0,4 | 0,12 | 8 | 23 | 30 |
| СВМПЭ+2% БП | 43+2 | 383+18 | 692+32 | 50,64 | 0,38 | 0,11 | 13 | 26 | 31 |
| СВМПЭ+3% БП | 43+1 | 369+12 | 801+21 | 50,56 | 0,35 | 0,05 | 11 | 24 | 33 |
| СВМПЭ+5% БП | 39+1 | 327+14 | 719+22 | 52,56 | 0,29 | 0,02 | 10 | 25 | 34 |
| Прототип | 35 | 300 | - | - | - | 0,23 | - | - | - |
Примечание: δ - Предел прочности при растяжении, МПа; ε - относительное удлинение при разрыве, %; Ер - модуль упругости при растяжении, МПа; H- твердость при сжатии, Н/мм2; f - Коэффициент трения; J - Скорость массового изнашивания, мг/ч; δсд2,5 - деформация при 2,5%, МПа; δсд10 - деформация при 10%, МПа; δсд25 - деформация при 25%, МПа.
Claims (3)
- Полимерная композиция конструкционного и триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), содержащая модификатор, отличающаяся тем, что в качестве модификатора содержит полиметилен-п-трифениловый эфир борной кислоты при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- СВМПЭ – 95,0-99,8
- Полиметилен-п-трифениловый эфир борной кислоты – 0,2-5,0.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2784206C1 true RU2784206C1 (ru) | 2022-11-23 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2535216C1 (ru) * | 2013-11-01 | 2014-12-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук | Антифрикционная полимерная композиция с терморасширенным графитом |
| US20150175787A1 (en) * | 2013-12-23 | 2015-06-25 | Ticona Gmbh | Tribologically Modified Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene |
| RU2688134C1 (ru) * | 2018-12-28 | 2019-05-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Восточный федеральный университет имени М.К.Аммосова" | Полимерная композиция триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и 2-меркаптобензотиазола |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2535216C1 (ru) * | 2013-11-01 | 2014-12-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук | Антифрикционная полимерная композиция с терморасширенным графитом |
| US20150175787A1 (en) * | 2013-12-23 | 2015-06-25 | Ticona Gmbh | Tribologically Modified Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene |
| RU2688134C1 (ru) * | 2018-12-28 | 2019-05-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Восточный федеральный университет имени М.К.Аммосова" | Полимерная композиция триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и 2-меркаптобензотиазола |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Корабельников Д.В. "Повышение эксплуатационных характеристик полимерных фрикционных композиций добавками полиметилен-п-трифенилового эфира борной кислоты", 16 стр., 26.04.2012. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2381242C2 (ru) | Композиционный износостойкий материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (свмпэ) | |
| Zhang et al. | Correlation of the tribological behaviors with the mechanical properties of poly-ether-ether-ketones (PEEKs) with different molecular weights and their fiber filled composites | |
| RU2437903C2 (ru) | Композиционный маслобензостойкий износо-морозостойкий материал | |
| Ohlopkova et al. | Studying the properties and structure of polytetrafluoroethylene filled with Belum modified carbon fibers | |
| RU2784206C1 (ru) | Полимерная композиция конструкционного и триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и борполимера | |
| Saindane et al. | Dry sliding behavior of carbon-based brake pad materials | |
| US4093578A (en) | Self-lubricating antifriction material | |
| RU2688134C1 (ru) | Полимерная композиция триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и 2-меркаптобензотиазола | |
| Ding et al. | Recovery of polyimide waste film by mechanical method to improve the heat fade resistance of BPR matrix friction composites | |
| Neogi et al. | Role of PET in improving wear properties of PP in dry sliding condition | |
| RU2567958C2 (ru) | Композиционный материал с повышенными демпфирующими свойствами на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (свмпэ) | |
| RU2736057C1 (ru) | Полимерная композиция триботехнического и конструкционного назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, оксида магния, 2-меркаптобензотиазола и серы | |
| RU2452745C1 (ru) | Антифрикционная композиция | |
| RU2688517C1 (ru) | Антифрикционная полиамидная композиция | |
| WO2015002568A1 (ru) | Антифрикционная полимерная композиция | |
| RU2178801C2 (ru) | Способ получения антифрикционной композиции | |
| RU2816004C1 (ru) | Композиционный материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, модифицированного пластификатором | |
| RU2675520C1 (ru) | Полимерный материал триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена | |
| RU2552744C2 (ru) | Базальтофторопластовый композиционный материал триботехнического назначения | |
| RU2792879C1 (ru) | Полимерный композиционный материал конструкционного назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, армированного базальтовой тканью | |
| JP3639847B2 (ja) | 摩擦材 | |
| RU2665429C1 (ru) | Антифрикционная полимерная композиция на основе фторопласта | |
| CN110452435A (zh) | 一种四苯基锡改性超高分子量聚乙烯的抗磨复合材料及其制备方法 | |
| RU2706658C1 (ru) | Композиционный конструкционный материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, оксида цинка, 2-меркаптобензотиазола и серы | |
| RU2791530C1 (ru) | Экструдируемый антифрикционный композит на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена |