Композиционный резинополимерный износостойкий материал для гидравлических устройств

Композиционный резинополимерный износостойкий материал для гидравлических устройств

Реферат

Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в машиностроении для изготовления износостойких уплотнений штоков и цилиндров гидравлических устройств вместо шевронных резинотканевых манжет, а также для изделий конструкционного назначения в горнодобывающей, нефтегазодобывающей и химической промышленности для изготовления подшипников, шестерней, дисков, скользящих пластин, рычагов, работающих в широком температурном интервале в условиях интенсивного изнашивания, в среде воздуха, минеральных масел, водных эмульсий, слабых растворов кислот и щелочей.

К большинству современных конструкционных материалов на основе полимерных матриц предъявляют комплекс требований по стойкости к действию масел, физико-механическим, морозоустойчивым, износостойким, теплофизическим и другим характеристикам. В связи с этим, при создании композитов необходимо подобрать компоненты, которые оказывают комплексное воздействие на полимерную матрицу, обеспечивая синергический эффект. К числу таких компонентов относится сверхвысокомолекулярный полиэтилен.

Известна термопластическая самосмазывающаяся полимерная композиция с улучшенной износостойкостью, включающая смесь в виде расплава из термопластичного полимера полиолефинов ультравысокого молекулярного веса (Патент РФ 97115931 C08L 23/02). Материал предназначен для изготовления формованных изделий - подшипников, шестерней, дисков, скользящих пластин, рычагов. Однако этот материал обладает недостаточной жесткостью и каркасностью, что не позволяет использовать его в машиностроении для изготовления ответственных конструкционных изделий.

Известна полимерная антифрикционная композиция, содержащая полиформальдегид, модифицированный сернокислым барием, тальком и нитридом бора, и сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) (Авторское свидетельство СССР 1670911 C08L 59/02). Материал имеет высокие физико-механические свойства и эффективен при использовании в качестве конструкционного материала для машиностроения, в частности станкостроения, при изготовлении деталей копировальных устройств отделочно-обточных станков. Однако материал характеризуется низкими морозоустойчивостью и показателем истираемости.

Известен композиционный материал на основе переработанных полимерных материалов или резины и скелетного корпуса для шестиугольных панелей для дорожного покрытия площадок, дорог, пешеходных дорожек (Патент РФ 2310032). Материал может нести существенные нагрузки в диапазоне температур от минус 30°С до плюс 60°С. Недостатком материала является низкая морозостойкость и стойкость к истиранию, которые являются определяющими для изделий подобного типа.

Известен износостойкий, кислотощелочностойкий, маслобензостойкий композиционный материал на основе полиуретанов, из которого на предприятии ООО «Уралполимеркомплект» изготавливается широкий ассортимент изделий для горнодобывающей, нефтегазодобывающей и химической промышленности, в том числе манжеты полиуретановые шевронные по ГОСТ 22704. Материал обладает достаточно высокой стойкостью к действию масел, смазок, нефти, топлива, имеет высокие упругопрочностные свойства и повышенную твердость. Однако композиционный материал на основе полиуретанов имеет склонность к гидролизу, разрушению под действием водяного пара и горячей воды, повышенное теплообразование при многократных деформациях, невысокую теплостойкость и очень высокую стоимость.

Исходя из результатов патентного поиска, предлагаемый материал не имеет прототипа, поскольку не описан композиционный материал на основе СВМПЭ, в состав которого входят ингредиенты, характерные для резиновых смесей (каучук, вулканизующая группа, противостарители и т.д.), с применением в качестве наполнителя вискозного тканевого волокна.

Задача изобретения состоит в разработке дешевого износостойкого конструкционного резинополимерного материала с физико-механическими характеристиками, отвечающими требованиям материалов, применяемых для изготовления деталей для горнодобывающей, нефтегазодобывающей и химической промышленности, а именно уплотнений штоков и цилиндров гидравлических устройств, вместо шевронных резинотканевых манжет, для подшипников, шестерней, дисков, скользящих пластин, рычагов, работающих в среде воздуха, воды, слабых растворов кислот и щелочей в условиях интенсивного изнашивания при температуре от минус 50 до плюс 80°С.

Для решения поставленной задачи разработан резинополимерный композиционный материал на основе моифицированного СВМПЭ и доступного и недорогого синтетического цис-изопренового каучука СКИ-3 отечественного производства с введением в него вискозного волокнистого наполнителя - банависа. За счет этого повышается твердость, жесткость и каркасность полученных изделий при сохранении некоторой эластичности. Одновременно на поверхности изделий формируется износостойкий слой, способный выдержать действие интенсивного изнашивания в среде воздуха, минеральных масел, воды, водных эмульсий, слабых растворов кислот и щелочей.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, состоит в получении резинополимерного композиционного материала, имеющего высокие триботехнические характеристики, стойкого к воздействию воды, слабых растворов кислот и щелочей, минеральных масел, водных эмульсий, способного также заменить промазанную резиновой смесью ткань при изготовлении шевронных манжет; при этом значительно сокращаются трудозатраты.

Поставленная задача решается тем, что композиционный материал содержит модифицированный сверхвысокомолекулярный полиэтилен, цис-изопреновый каучук СКИ-3, вискозный волокнистый наполнитель - банавис, активный технический углерод П-234, масло-мягчитель для резиновой технической промышленности - нетоксол, неорганический ускоритель вулканизации - окись цинка (цинковые белила), органический активатор вулканизации - стеариновую кислоту, основное вулканизующее вещество - серу, ускоритель вулканизации N-циклогексил-2-бензтиазолилсульфенамид (Сульфенамид Ц), противостарители - N-фенил-N^'-изопропилпарафенилендиамин (диафен ФП) и полимеризованный 2,2,4^'-триметил-1,2-дигидрохинолин (ацетонанил Н).

Использовали модифицированный сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), который относится к классу полиэтиленов низкого давления (ПЭПД); благодаря своей уникальной структуре, гигантской молекулярной массе СВМПЭ имеет более высокие физико-механические характеристики, стойкость к агрессивным средам, улучшенные триботехнические и морозоустойчивые свойства, чем остальные полиэтилены класса ПЭПД. СВМПЭ модифицировали нанодисперсным модификатором - углеродсодержащим материалом - карбосилом в количестве 7%. Это - природный материал, насыщенный углеродным веществом в некристаллизующемся состоянии, содержащий большое количество метаморфизованного органического вещества. Он обладает повышенной химической стойкостью, достаточно высоким сопротивлением истиранию и морозостойкостью. В качестве эластической составляющей применяли цис-изопреновый каучук СКИ-3, представляющий собой стереорегулярный цис-1,4-полиизопрен с содержанием звеньев цис-1,4 не менее 96%.

В качестве наполнителей композиционного материала применяли активный технический углерод П-234 и вискозный волокнистый наполнитель - банавис, который представляет собой вискозную некрученую нить длиной 4±2 мм, пропитанную латексно-резорцин-формальдегидным составом (ТУ 6-06-11-129-87) Поскольку банавис является тканевым наполнителем, он придает готовым изделиям особую жесткость и каркасность.

Пластификатором служит высокоочищенное депарафинизированное нефтяное масло-мягчитель для резиновой технической промышленности - нетоксол (ТУ 38.101999-84).

Вулканизующая группа для СКИ-3 содержит неорганический ускоритель вулканизации - окись цинка (цинковые белила), органический активатор вулканизации - стеариновую кислоту, основное вулканизующее вещество - серу, ускоритель вулканизации N-циклогексил-2-бензтиазолилсульфенамид (Сульфенамид Ц), противостаритель - N-фенил-N^'-изопропилпарафенилендиамин ((диафен ФП) и антиозонант- полимеризованный 2,2,4^'-триметил-1,2-дигидрохинолин (ацетонанил Н).

Состав резинополимерного композиционного материала согласно изобретению, следующий, мас.ч. / мас.%:

- сверхвысокомолекулярный полиэтилен, модифицированный в смесителе ударного действия 7 мас.% углеродсодержащего материала - карбосила с размером фракции не более 50 мкм - 170,0/42,76;

- цис-изопреновый каучук СКИ-3 -100,0 / 25,15;

- вискозная некрученая нить длиной 4±2 мм, пропитанная латексно-резорцин-формальдегидным составом (банавис) - 80,0 /20,12;

- активный технический углерод П-234 -30,0 / 7,55;

- высокоочищенное депарафинизированное нефтяное масло-мягчитель для резиновой технической промышленности - нетоксол - 5,0 /1,26;

- неорганический ускоритель вулканизации - окись цинка (цинковые белила) - 5,0 / 1,26;

- органический активатор вулканизации - стеариновая кислота - 1,0/0,25;

- основное вулканизующее вещество - сера - 3,0 / 0,75;

- ускоритель вулканизации М-циклогексил-2-бензотиазолил сульфенамид (Сульфенамид Ц) -1,6 / 0,40;

- противостаритель - N-фенил-N^'-изопропилпарафенилендиамин (диафен ФП) - 1,0 /0,25;

антиозонант - полимеризованный 2,2,4^'-триметил-1,2-дигидрохинолин (ацетонанил Н)-1,0 / 0,25.

Пример получения заявленного композиционного материала

Модификацию СВМПЭ производили в смесителе ударного действия. Такой способ модификации обеспечивает максимально равномерное распределение модификатора в СВМПЭ. Навеску природного углеродсодержащего материала - карбосила с размером фракции не более 50 мкм в количестве 7% от массы СВМПЭ совместно с СВМПЭ помещали в барабан смесителя ударного типа и перемешивали при скорости вращения барабанов 450 об/мин в течение 5-7 мин.

Смешение резинополимерного материала производили в две стадии:

1-я стадия смешения. Подготавливали навески каучука и ингредиентов композиционного материала по весу согласно рецепту. Смешение композиционного материала производили на вальцах ПД 320160/160 при начальной температуре поверхности валков 30±5°С. Последовательность ввода ингредиентов: вальцевали каучук СКИ-3 при зазоре между валками 1±0,5 мм, затем вводили стеариновую кислоту, сульфенамид Ц, цинковые белила, диафен ФП, ацетонанил Н; регулировали величину зазора вальцев так, чтобы между валками находился хорошо обрабатываемый запас смеси, вводили модифицированный СВМПЭ, вводили технический углерод П-234 совместно с нетоксолом, перемешивали не менее 15 мин, доводя при этом температуру валков вальцев до 80-90°С. Снимали смесь с вальцев охлаждали в воде до полного охлаждения и складывали на стеллажи для «вылежки» не менее чем на 24 часа.

2-я стадия смешения. Загружали смесь 1-й стадии на вальцы ПД 320 160/160 при начальной температуре поверхности валков 30±5°С и вводили серу. Регулировали величину зазора вальцев до минимального и вводили банавис при постоянном охлаждении валков, при этом температура валков не должна превышать 55°С. Общее время смешения 45-55 мин. Вулканизацию лабораторных образцов проводили на вулканизационном прессе 800×800 при температуре 165°С в течение 10 мин при удельном давлении не менее 70 МПа.

Характеристики износостойкого резинополимерного композиционного материала приведены в таблице 1.

Как следует из данных таблицы 1, материал обладает очень низкой, уникальной для резинополимерных композиций истираемостью, а изделия из него чрезвычайно жесткостные, каркасные и сохраняют некоторую эластичность. Эффект жесткости и каркасности достигается за счет модифицированного СВМПЭ в количестве 42,76% и банависа в количестве 20,12%, а эффект эластичности - за счет циc-изопренового каучука СКИ-3 с соответствующей вулканизующей и защитной группой. Увеличение содержания модифицированного СВМПЭ и банависа выше заявленного снижает совокупный эффект, а уменьшение не обеспечивает дополнительный эффект.Особенностью заявленного резинополимерного композиционного материала является повышенная каркасность, жесткость полученных из него изделий, их высокие триботехнические свойства за счет применения модифицированного СВМПЭ и тканевого наполнителя.

Использование данного изобретения позволит существенно повысить рабочий ресурс уплотнительных устройств гидравлических манжет за счет высокой износостойкости, жесткости и каркасности композиционного материала.

Разработанный материал может быть использован для изготовления подшипников, шестерней, дисков, скользящих пластин, рычагов, работающих в широком температурном интервале в условиях интенсивного изнашивания, в среде воздуха, минеральных масел, водных эмульсий, слабых растворов кислот и щелочей, а также для уплотнений штоков и цилиндров гидравлических устройств вместо шевронных резинотканевых манжет.

Таблица 1
Характеристика резинополмерного композиционного материала
Наименование показателей
Условная прочность при растяжении, МПа	10.3
Относительное удлинение при разрыве, %	66
Остаточное удлинение, %	18
Относительная остаточная деформация сжатия в воздухе, 30% при 70°C за 22 час, %	40
Истираемость, см3/кВт·час	32.28
Коэффициент старения по относительному удлинению, при 70°C за 144 час в воздухе, %	-6,13
Твердость, усл.ед.	89
Плотность, г/см3	1,00

Композиционный резинополимерный износостойкий материал для уплотнений гидравлических устройств, характеризующийся тем, что он изготавливается на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, модифицированного 7 мас.% углеродсодержащего материала - карбосила, с размером фракции не более 50 мкм в смесителе ударного действия и содержит цис-изопреновый каучук СКИ-3, вискозный волокнистый наполнитель - вискозную некрученую нить длиной 2-6 мм, пропитанную латексно-резорцин-формальдегидным составом - банавис, активный технический углерод П-234, высокоочищенное депарафинизированное нефтяное масло-мягчитель для резиновой технической промышленности - нетоксол, неорганический ускоритель вулканизации - окись цинка (цинковые белила),органический активатор вулканизации -стеариновую кислоту, основное вулканизующее вещество - серу, ускоритель вулканизации циклогексил-2-бензтиазолилсульфенамид-сульфенамид Ц, противостаритель - N-фенил-N^'-изопропил-парафенилендиамин - диафен ФП, антиозонант - полимеризованный 2,2,4^'-триметил-1,2-дигидрохинолин - ацетонанил Н при следующем соотношении компонентов, мас.ч./мас.%:

сверхвысокомолекулярный полиэтилен, модифицированный 7 мас.%
углеродсодержащего материала - карбосила, с размером фракции не более
50 мкм в смесителе ударного действия	170/42,6
цис-изопреновый каучук СКИ-3	100/25,15
вискозный волокнистый наполнитель -
вискозная некрученая нить длиной 2-6 мм,
пропитанная латексно-резорцин-формальдегидным составом - банавис	80/20,12
активный технический углерод П-234	30/7,55
высокоочищенное депарафинизированное нефтяное
масло-мягчитель для резиновой технической промышленности - нетоксол	5/1,26
неорганический ускоритель вулканизации - окись цинка (цинковые белила)	5/1,26
основное вулканизующее вещество - сера	3/0,75
ускоритель вулканизации -
циклогексил-2-бензтиазолилсульфенамид-сульфенамид Ц	1,6/0,4
противостаритель - N-фенил-N'-изопропил-парафенилендиамин - диафен ФП	1/0,25
антиозонант - полимеризованный 2,2,4'-триметил-1,2-дигидрохинолин - ацетонанил Н	1/0,25