close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY14818

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.10.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
C 08L 27/18
C 08J 5/16
(2006.01)
(2006.01)
КОМПОЗИЦИОННЫЙ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
ДЛЯ ПОДВИЖНЫХ УПЛОТНЕНИЙ
(21) Номер заявки: a 20100801
(22) 2010.05.24
(71) Заявитель: Закрытое акционерное
общество "Солигорский институт
проблем ресурсосбережения с опытным производством" (BY)
(72) Авторы: Антанович Николай Александрович; Горбацевич Геннадий
Николаевич; Овчинников Евгений
Витальевич; Прушак Дмитрий Александрович; Авдейчик Сергей Валентинович; Конопляник Алла Владимировна; Ищенко Марина Викторовна (BY)
BY 14818 C1 2011.10.30
BY (11) 14818
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Закрытое акционерное общество "Солигорский институт проблем ресурсосбережения с
опытным производством" (BY)
(56) RU 2290416 C2, 2006.
BY 8480 C1, 2006.
RU 2278875 C2, 2006.
RU 2005741 C1, 1994.
RU 2216553 C2, 2003.
JP 2001-294720 A.
JP 2004-277610 A.
ВОРОПАЕВ В.В. и др. // Горная механика. - 2008. - № 2. - С. 50-59.
ЦВЕТНИКОВ А.К. и др. // Горная механика. - 2008. - № 3. - С. 76-81.
ГОРБАЦЕВИЧ Г.Н. // Нефтехимический комплекс. - 2009. - № 3. - С. 56-62.
(57)
Композиционный триботехнический материал для подвижных уплотнений, содержащий политетрафторэтилен и шунгит, отличающийся тем, что дополнительно содержит
продукты термодеструкции политетрафторэтилена при температуре 490-520 °С в течение
1,8-3,0 часов при следующем соотношении компонентов, мас. %:
шунгит
0,1-30,0
продукты термодеструкции политетрафторэтилена
0,5-5,0
политетрафторэтилен
остальное.
Изобретение относится к области создания композиционных материалов на основе
политетрафторэтилена, предназначенного для изготовления элементов трибосистем (подшипников, вкладышей), эксплуатируемых в экстремальных условиях: при ограничении
или отсутствии внешней смазки, в диапазоне температур от -150 до +300 °С, при переменном характере относительного перемещения, в том числе при реверсивном движении деталей пары трения.
Известны композиционные материалы триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена, которые содержат матрицу (ПТФЭ), наполнители и сухие смазки. В
качестве наполнителей используют частицы металлов и оксидов, силикатов, графит,
сульфиды металлов, нанодисперсный углерод и т.п. [1]. Введение в состав ПТФЭ дисперсных частиц различного состава и строения обеспечивает эффект повышения физико-
BY 14818 C1 2011.10.30
механических и триботехнических характеристик. Механизм действия дисперсных частиц
в матрице ПТФЭ состоит в снижении эффекта так называемого "холодного течения", обусловленного относительно небольшой энергией межмолекулярного взаимодействия, способствующей перемещению надмолекулярных структур под действием статических и
динамических нагрузок, в том числе тангенциальных. Это приводит к сравнительно легкому отделению частиц с поверхности фрикционного контакта, т.н. повышенному износу
сопряжения. Частицы изнашивания из композиции на основе ПТФЭ не обладают способностью формировать устойчивую перенесенную пленку на сопряженном контртеле. Поэтому износ изделий из ПТФЭ или композиций с сухими смазками (графитом,
дисульфидом молибдена и т.п.) при трении по металлическому контртелу без подвода
внешней смазки приводит к быстрому выходу из строя пары трения.
При введении в состав ПТФЭ дисперсных наполнителей износостойкость существенно увеличивается (до 100 и более раз), однако наряду с этим проявляются и неблагоприятные последствия наполнения:
существенно увеличивается коэффициент трения композита (с 0,05÷0,08, характерного для исходного ПТФЭ, до 0,2÷0,3) [1];
введение значительных количеств твердых частиц приводит к их агломерированию и
формированию или локализованных кластеров, или пространственного каркаса в объеме
изделия, что обусловливает не только значительное повышение коэффициента трения, но
и абразивное сопряженного контртела [2];
твердофазные частицы наполнителя снижают деформативность полимерной матрицы,
вследствие чего герметизирующая способность изделий из композиционных материалов
существенно снижается по сравнению с ПТФЭ [3].
Известны составы композиционных материалов на основе политетрафторэтилена, содержащие в качестве функционального модификатора короткие фрагменты стеклянных,
арамидных и углеродных волокон при их содержании от 5 до 30 мас. % [3]. Введение в
матрицу ПТФЭ коротких волокон оказывает более эффективное действие, чем порошкообразных компонентов, благодаря созданию стерических препятствий для передеформирования матрицы и отделения фрагментов материала под действием тангенциальных
нагрузок в зоне трения. Однако во всех случаях наблюдаются существенное увеличение
коэффициента трения изделия из композита по металлическому контртелу и достаточно
интенсивное абразивное действие, особенно значительное при использовании в качестве
наполнителя стеклянных волокон. Эти негативные факторы наблюдаются и при одновременном введении в состав композита коротких волокон и сухих смазок типа графита или
дисульфида молибдена. Высокий коэффициент трения и интенсивное абразивное действие
обусловлены спецификой функционального действия армирующих волокон, которые препятствуют формированию перенесенного (разделительного) слоя на сопряженном контртеле в результате более высоких прочностных характеристик и низкой способности к
передеформированию без разрушения.
Вследствие этого волокна выполняют функцию своеобразного полирующего компонента по отношению к металлическому контртелу. Принцип введения в матрицу ПТФЭ
более твердого компонента (например, осколков алмазов, цеолитов и т.п.) используют при
создании инструмента для обработки алмазов [2].
Известен композиционный триботехнический материал на основе политетрафторэтилена, содержащий в качестве наполнителя углеродные волокна (5-30 мас. %) и сухую
смазку типа графита или дисульфида молибдена (1-10 мас. %). Данный материал выпускают в Украине под торговой маркой "Флубон" [3], а в Беларуси - под торговыми марками
"Флубон-ЛО" и "Флувис" [4]. В состав данных материалов введены короткие фрагменты
углеродных волокон (УВ), выпускаемых под торговыми марками "УРАЛ" (Россия, Украина), "Вискум" (Беларусь), которые получают в результате термической обработки органических волокон (вискозных, полиакрилонитрильных, поливинилацетатных и т.п.) в
2
BY 14818 C1 2011.10.30
бескислородной среде [3]. Для получения наполнителя полуфабрикат из УВ в виде ткани
или пряжи измельчают на быстроходных устройствах типа дисмембратора или дезинтегратора до размера фракции не более 0,5 мм. При введении в матрицу короткие фрагменты УВ выполняют функцию противоизносной и армирующей добавки, что позволяет
получать композиционные материалы, пригодные для эксплуатации без смазки при факторе [PV]≤10 МПа⋅м/с. Материалы "Флубон" и "Флувис" в настоящее время относятся к
числу наиболее эффективных композитов на основе политетрафторэтилена и по совокупности показателей служебных характеристик существенно превосходят аналоги - материалы "Фторлон", Ф4К20, Ф4К20-1, АФТМ, АФГ-5М, Ф4С15 и др.
Широкое распространение в машиностроении, в том числе при производстве компрессоров для получения сжатых и сжиженных газов, получили композиционные триботехнические материалы на основе ПТФЭ, содержащие в качестве функциональных
модификаторов природные компоненты - цеолиты, силикаты слоистого, цепочечного или
каркасного строения, дисперсные частицы горных пород и т.п. [2]. Применение подобных
модификаторов позволяет не только существенно повысить показатели эксплуатационных
характеристик композиционных материалов, но и снизить их стоимость благодаря доступности минерального сырья, часто являющегося отходами основного производства.
Особый интерес представляют в этом аспекте дисперсные частицы углеродсодержащих компонентов, так как, обладая достаточно высокими показателями физикомеханических характеристик, они способны проявлять некоторые свойства так называемых "сухих смазок".
Известен композиционный триботехнический материал на основе политетрафторэтилена, содержащий в качестве функционального модификатора дисперсные частицы кокса
нефтяного в количестве 5-25 мас. %. Наиболее эффективный состав этого материала, содержащий 20 мас. % кокса, промышленно производится под маркой Ф4К20 в России и
Украине, согласно нормативной документации [5]. Состав данного композиционного триботехнического материала для подвижных уплотнений выбран за прототип изобретения.
Композиционный триботехнический материал Ф4К20 обладает достаточно высокими
показателями прочности при сжатии, износостойкостью и нашел применение при изготовлении узлов трения, в том числе и в герметизирующих устройствах.
Вместе с тем данному материалу присущ ряд недостатков, к наиболее существенным
из которых следует отнести:
низкую прочность материала при одноосном растяжении, действии изгибающих, знакопеременных и ударных нагрузок;
высокий коэффициент трения при эксплуатации узла без подвода внешней смазки;
значительное абразивное воздействие на сопряженное металлическое контртело.
В значительной мере эти недостатки материала Ф4К20 обусловлены низким уровнем
адгезионного взаимодействия политетрафторэтиленовой матрицы и частиц углеродного
наполнителя.
Задача настоящего изобретения состоит в разработке композиционного триботехнического материала на основе политетрафторэтилена и природных функциональных модификаторов, обладающего комплексом повышенных показателей эксплуатационных
характеристик.
Поставленная задача изобретения достигается тем, что композиционный триботехнический материал для подвижных уплотнений, содержащий политетрафторэтилен и шунгит, дополнительно содержит продукты термодеструкции политетрафторэтилена при
температуре 490-520 °С в течение 1,8-3,0 часов при следующем соотношении компонентов, мас. %:
шунгит
0,1-30
продукты термодеструкции политетрафторэтилена
0,5-5
политетрафторэтилен
остальное.
3
BY 14818 C1 2011.10.30
Сущность заявленного технического решения состоит в следующем. Шунгит представляет собой минерал с углеродной матрицей, в которой равномерно распределены высокодисперсные частицы силикатов. Диспергирование полуфабриката природного
минерала позволяет получать порошкообразные продукты высокой дисперсности и активности в процессах взаимодействия с полимерными матрицами. Структура углеродной
матрицы формируется из набора незавершенных плоскостей, которые способны изменять
пространственную ориентацию при внешних (механических или тепловых) воздействиях.
Наличие в углеродной матрице дисперсных частиц силикатов повышает ее прочность.
Анализ особенностей структуры шунгита позволил установить наличие зарядового
состояния с большим временем релаксации, который способствует увеличению энергии
межфазного взаимодействия в композиционном материале.
При контактном фрикционном взаимодействии происходит ориентация структурных
плоскостей углеродной матрицы шунгита и образование текстуры с повышенной износостойкостью. Поэтому абразивное воздействие дисперсных частиц шунгита на металлическое сопряженное контртело в узле трения существенно ниже, чем действие частиц кокса
или другого углеродного наполнителя, например дисперсных углеродных волокон.
При введении в состав композита продуктов термодеструкции политетрафторэтилена
при температуре 490-520 °С реализуется синергический эффект, сущность которого состоит в следующем:
аналогичное строение продуктов термодеструкции и матрицы политетрафторэтилена
обусловливает формирование граничного слоя с высокой адгезионной активностью. Это
приводит к повышению прочностных характеристик композиционного материала. При
введении частиц шунгита, обладающих нанопористым строением, эффект усиления межфазного взаимодействия повышается благодаря проникновению олигомерных молекул
продуктов термодеструкции в структуру модификатора;
активное взаимодействие продуктов термодеструкции политетрафторэтилена с поверхностными слоями металлического контртела приводит к формированию в зоне трения
так называемого "третьего тела", снижающего износ и сопротивление относительному перемещению. Дисперсные продукты разрушения частиц шунгита закрепляются в полимеролигомерной матрице, способствуя ее армированию и увеличению несущей способности.
Это приводит к повышению показателя нагрузочной способности (PV) трибосистемы, в
которой использован элемент трения из композиционного материала на основе ПТФЭ.
Таким образом, введение в соответствии с заявленным решением в состав политетрафторэтилена дисперсных частиц шунгита в сочетании с продуктами термодеструкции
политетрафторэтилена обеспечивает достижение нового эффекта.
Для реализации заявленного технического решения в объеме поставленной задачи использовали следующие компоненты: политетрафторэтилен Ф-4 в порошкообразном виде с
размером частиц не более 150 мкм; шунгит в виде промышленного продукта, выпускаемого под марками Карбоксил-Т20 и Т-5 (ЗАО "Экохиммаш", Россия); продукты термической
деструкции политетрафторэтилена при температуре 490-520 °С в виде порошка дисперсностью не более 1 мкм. Дисперсность частиц шунгита не превышала 20 мкм при среднем
размере частиц 3÷5 мкм и удельной поверхности 16-18 м2/г.
Составы композиционных триботехнических материалов для подвижных уплотнений
приведены в табл. 1, а их характеристики в сравнении с прототипом [5] - в табл. 2.
4
BY 14818 C1 2011.10.30
Таблица 1
Составы композиционных триботехнических материалов
для подвижных уплотнений
Содержание, мас. %
Компонент
Заявляемые составы
Прототип*
I
II
III
IV
V
1. Природный углеродный компонент:
кокс нефтяной
20
шунгит
0,1
2
5
20
30
2. Продукты термической деструкции поли0,5
2
2
2
5
тетрафторэтилена
3. Политетрафторэтилен
80
99,4
96
93
78
65
VI
VII
0,05
35
0,25
6
99,7
59
* Использовали промышленно выпускаемый материал марки Ф4К20.
Таблица 2
Характеристики композиционных триботехнических материалов
для подвижных уплотнений
Показатель для материала
Характеристика
Заявляемые составы
Прототип*
I
II
III
IV
V
VI
VII
1. Прочность при рас14
22
24
22
20
18
24
19
тяжении, σр, MПa
2. Прочность при сжа21
15
20
21
22
24
13
22
тии, σСж, МПа
3. Интенсивность изнашивания, 7 × 107,
5
2,0
1,5
1,3
1,9
2,3
3,8
3,5
3
мм /Н⋅м
4. Коэффициент тре0,22
0,10
0,08 0,08 0,10 0,10 0,08 0,10
ния
Триботехнические и прочностные характеристики композиционных триботехнических
материалов определяли согласно рекомендациям, изложенным в [3, 4]. Схема триботехнических испытаний "пальчик-диск". Как следует из представленных данных, разработанные композиционные триботехнические материалы для подвижных уплотнений в
заявленных соотношениях компонентов (составы I-V) превосходят прототип по прочностным и триботехническим характеристикам. Превышение содержания компонентов сверх
заявленного (состав VII) или его снижение (состав VI) приводит к снижению показателей
износостойкости.
Пример изготовления композиционных триботехнических материалов для подвижных
уплотнений в соответствии с заявленным соотношением приведен ниже.
Пример
Состав III. 50 г порошка шунгита подсушивали до содержания влаги не более
0,1 мас. %. В рабочий объем лопастного смесителя вводили 930 г порошкообразного политетрафторэтилена марки Ф-4 и перемешивали в течение 10 мин. После этого в смеситель добавляли порошкообразные продукты деструкции ПТФЭ в количестве 20 г и
перемешивали в течение 10 мин. В полученную смесь добавляли порошок шунгита и перемешивали до получения однородного состава в течение 10-30 мин. Готовый композит
имеет вид светло-серого порошка гомогенного состава.
5
BY 14818 C1 2011.10.30
Из полученного полуфабриката методом холодного прессования в формах при давлении P = 70÷100 МПа получали цилиндрические заготовки ∅H = 60 мм, H = 60 мм, ∅BH =
40 мм. Заготовки спекали в термошкафу при регулируемом подъеме температуры до 370380 °С с последующим охлаждением вместе с печью. Из полученных заготовок материала
методом точения на токарном станке изготавливали образцы для проведения испытаний в
виде колец и столбиков.
Заявленные составы композиционного триботехнического материала для подвижных
уплотнений с другим соотношением компонентов (составы I, II, IV, V, VI, VII) изготавливали по аналогичной технологии.
Для сравнения использовали образцы из промышленно выпускаемого материала
Ф4К20. В качестве продуктов термодеструкции политетрафторэтилена использовали порошкообразные продукты, полученные термической обработкой стружки политетрафторэтилена при температуре 490-520 °С в течение 1,8-3,0 часов в среде газообразных
продуктов деструкции. Полученные продукты термодеструкции представляют собой полимер-олигомерную смесь с температурой плавления полимерной фракции около 300 °С и
олигомерных фракций 60-70 °С. Дисперсность частиц не превышала 1 мкм. Возможно использование промышленно выпускаемого продукта с торговой маркой "Форум".
Таким образом, использование в композиционном триботехническом материале для
подвижных уплотнений шунгита и продуктов термодеструкции политетрафторэтилена
при заявленном соотношении компонентов обеспечивает достижение эффекта повышения
прочностных и триботехнических характеристик по сравнению с прототипом.
Разработанный композиционный триботехнический материал был использован для изготовления подвижных уплотнений шаровых кранов трубопроводов низкого давления.
Испытания показали, что применение разработки взамен уплотнительных элементов (седел) из немодифицированного ПТФЭ позволяет увеличить ресурс эксплуатации шарового
крана не менее чем в 2 раза. Изделия из композиционного триботехнического материала
для подвижных уплотнений рекомендованы к внедрению на ПЧУП "Цветлит" (г. Гродно,
Беларусь).
Источники информации:
1. Фторполимеры / Под ред. И.А.Кнунянца, В.А.Пономаренко. - M.: Мир, 1975. С. 358.
2. Охлопкова А. А. Физико-химические принципы создания триботехнических материалов на основе полимеров и ультрадисперсных керамик: Дисс. ... д-ра техн. наук. - Якутия, 2000. - С. 269.
3. Сиренко Г.А. Антифрикционные карбопластики - К.: Технiка, 1985. - С. 195.
4. ТУ РБ 0353279.071-99. Заготовки из фторпластовой композиции "Флувис".
5. Новиков И.И., Захаренко В.П., Ландо Б.С. Бессмазочные поршневые уплотнения в
компрессорах. - Л.: Машиностроение, 1989. - С. 33-37.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
117 Кб
Теги
by14818, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа