EA 018652B1 20130930 Номер и дата охранного документа EA201101383 20111025 Регистрационный номер и дата заявки RU2011133759 20110810 Регистрационные номера и даты приоритетных заявок EAB1 Код вида документа EAb21309 Номер бюллетеня [RU] СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Название документа [8] C08J 5/12, [8] B29C 43/16, [8] B29C 70/34 Индексы МПК [RU] Ковалевская Ольга Валериевна, [RU] Гордеев Юрий Иванович Сведения об авторах [RU] ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (СФУ) (RU) Сведения о патентообладателях [RU] ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (СФУ) (RU) Сведения о заявителях US 20050127555 A1 JP 2008528722 A RU 2377261 C1 RU 2300537 C1 Цитируемые документы
 

Патентная документация ЕАПВ

 
Запрос:  ea000018652b*\id

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

Изобретение относится к способу получения композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и может быть использовано в машиностроении при изготовлении износостойких футеровочных элементов для защиты бункеров, кузовов автотранспорта, транспортеров. Задачей изобретения является повышение износостойкости композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Поставленная задача достигается путем горячего прессования исходного порошка при постоянном удельном давлении 7,5 МПа сначала при температуре 80-100 °C в течение 30 мин, затем при температуре 110-130 °C в течение 60 мин. Причем в качестве исходного порошка используют сверхвысокомолекулярный полиэтилен, дополнительно содержащий 5-20 мас.% плакированного поливиниловым спиртом порошка оксида алюминия. Способ позволяет повысить плотность, твердость и износостойкость изделий, изготовленных по предложенной технологии.


Формула

[0001] Способ получения композиционного материала, включающий горячее прессование порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена, отличающийся тем, что в качестве исходного используют порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена, дополнительно содержащий 5-20 мас.% порошка оксида алюминия, предварительно плакированного поливиниловым спиртом, прессование исходного порошка производят при постоянном удельном давлении 7,5 МПа сначала при температуре t1=80-100oC в течение 30 мин, затем при температуре t2=110-130 °C в течение 60 мин.


Полный текст патента

Изобретение относится к способу получения композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и оксида алюминия и может найти применение в машиностроении при изготовлении износостойких футеровочных элементов для защиты бункеров, кузовов автотранспорта, транспортеров.

Известен способ изготовления изделий из композиционных материалов на основе полимеров (патент РФ №2266925, МПК C08J 5/00; В29С 43/56, опубл. 27.07.2005 г.), включающий смешивание компонентов, холодное прессование заготовок и последующее их спекание. Операцию спекания заготовок проводят при 280-350 °C в закрытой форме, обеспечивающей натяг в результате теплового расширения заготовки, с последующим охлаждением в форме. Перед спеканием возможна обработка раствором фторсодержащего олигомера марки "Фолеокс" или "Эпилам". Заготовку можно подвергать предварительному механическому натягу. Спекание в закрытой форме с натягом можно осуществлять по двухступенчатому циклу с последующим отжигом.

Недостатком данного способа является сложность технологии изготовления изделий без существенного изменения износостойкости. Кроме того, высокая температура спекания материала ведет к увеличению энергозатрат.

Известен композиционный материал (патент РФ №2052357, МПК В32В 25/08, опубл. 20.01.1996 г.), который выполнен из слоя резины и слоя термопласта. Слой резины сформирован из резиновой смеси на основе каучука, выбранного из группы, включающей натуральный, синтетический изопреновый, бутадиеновый и бутадиен-метилстирольный каучуки, слой термопласта - из сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Отношение слоя резины к слою термопласта составляет (1-5):(1-5). Прочность связи между слоями резины и термопласта составляет 90-119 Н/см.

Известный композиционный материал получают в две стадии: холодное формование сверхвысокомолекулярного полиэтилена с последующим спеканием с резиновым слоем. Холодное формование сверхвысокомолекулярного полиэтилена осуществляется следующим образом: рассчитанное количество порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена в зависимости от толщины слоя засыпают в пресс-форму и выдерживают под давлением 10-50 МПа/см 2 при температуре 20 °C в течение 5 мин. Последующее спекание полученной холодной заготовки с сырой резиной осуществляют в пресс-форме под давлением 7,5 МПа/см 2 при температуре 140-180 °C в течение 30 мин. Полученный двухслойный материал охлаждают в пресс-форме до комнатной температуры, при этом получают пластину заданной толщины и размеров.

В качестве резины используют смеси на основе натурального каучука (НК), синтетического изопренового каучука, например, марки СКИ 3-01, бутадиен-метилстирольного каучука СКМС-30, бутадиенового каучука СКД. Для получения слоя термопластичного полимера используют промышленный сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) с молекулярной массой 1-2 млн.

Также известен композиционный материал (патент РФ №2072921, МПК В32В 25/08, опубл. 10.02.1997 г.), выполненный из слоя резины на основе каучука, выбранного из группы, включающей натуральный каучук, синтетические бутадиенметилстирольный каучук, бутадиеновый и изопреновый каучук, и слоя термопластичного полимера. Этот слой выполнен из наполненного дисперсным минеральным наполнителем сверхвысокомолекулярного полиэтилена при массовом отношении полиэтилена к наполнителю 1:0,1-0,5 и дисперсности наполнителя не более 50 мкм.

Данный композиционный материал получают в две стадии: холодное формование наполненного сверхвысокомолекулярного полиэтилена с последующим спеканием с резиновой подложкой. Холодное формование наполненного сверхвысокомолекулярного полиэтилена осуществляется следующим образом. Рассчитанное количество порошка композиционного материала в зависимости от толщины слоя засыпают в пресс-форму и выдерживают под давлением 10-50 МПа при 20 °C в течение 5 мин. Последующее спекание полученной холодной заготовки с резиной осуществляют в пресс-форме под давлением 7,5 МПа при температуре 140-180 °C в течение 30 мин. Полученный двухслойный композиционный материал охлаждают в пресс-форме до комнатной температуры, при этом получают пластины заданной толщины и размеров. Толщина каждого слоя может быть 0,5-20 мм, предпочтительно 3-8 мм, хотя возможна любая необходимая толщина.

Получаемый известными способами композиционный материал обладает низкой износостойкостью, поскольку при холодном прессовании между слоями резины и сверхвысокомолекулярного полиэтилена образуется слабые связи, что приводит к недостаточной твердости поверхности для триботехнического применения.

Наиболее близким по сущности к заявляемому изобретению является способ изготовления полимерных деталей трения скольжения из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (патент РФ №2300537, МПК C08J 5/16; C08L 23/06; В29С 43/00; опубл. 10.06.2007г.), заключающийся в том, что исходный порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена предварительно подвергают термической обработке в сверхкритическом диоксиде углерода при температуре 40-140 °C и удельном давлении 15-25 МПа в течение 2-4 ч. После чего порошок подвергают горячему прессованию при 190-200 °C и удельном давлении 10-60 МПа и осуществляют механическую доводку размеров полимерной детали. Причем в качестве исходного порошка используют сверхвысокомолекулярный полиэтилен с молекулярной массой (6-10,5) ×10 6 Да и размерами частиц 5-250 мкм. Кроме того, состав исходного порошка может дополнительно содержать 0,05-0,15 мас.% меди, серебра или железа с размерами их частиц 10-100 нм.

Недостатком данного способа является сложность технологического процесса без изменения износостойкости. Кроме того, высокая температура спекания материала при высоком удельном давлении ведет к увеличению энергозатрат.

Задачей изобретения является повышение износостойкости композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения композиционного материала, включающем горячее прессование порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена, согласно изобретению в качестве исходного используют порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена, дополнительно содержащий 5-20 мас.% порошка оксида алюминия, предварительно плакированного поливиниловым спиртом, прессование исходного порошка производят при постоянном удельном давлении 7,5 МПа сначала при температуре t 1 =80-100 °C в течение 30 мин, затем при температуре t 2 = 110-130 °C в течение 60 мин.

За счет добавления в порошок СВМПЭ 5-20 мас.% предварительно плакированного в поливиниловом спирте порошка оксида алюминия достигается равномерность распределения частиц оксида алюминия в порошке СВМПЭ и улучшается адгезия частиц СВМПЭ и оксида алюминия. Это обеспечивает снижение пористости получаемого материала и, как следствие, увеличение твердости и повышение износостойкости получаемого композиционного материала.

На чертеже приведена дифрактограмма порошка СВМПЭ при различных температурах. На дифрактограмме приведены следующие обозначения: "Lin (Counts)" - линейная интенсивность; "2-Тета-шкала" - угол дифракции; кривая 1 получена нагреванием при температуре 80 °C; кривая 2 - 100 °C; кривая 3 - 110 °C; кривая 4 - 130 °C; кривая 5 - 150 °C; кривая 6 - охлаждением до 20 °C. Измерения проводили на дифрактометре Bruker 8 Advance - Германия.

Способ осуществляется следующим образом. В качестве исходного порошка используют сверхвысокомолекулярный полиэтилен, дополнительно содержащий 5-20 мас.% порошка оксида алюминия, предварительно плакированного поливиниловым спиртом.

Композиционный материал получают методом горячего прессования в два этапа: на первом этапе рассчитанное количество исходного порошка засыпают в пресс-форму и спекают при температуре t 1 =80-100 °C в течение 30 мин при постоянном удельном давлении 7,5 МПа.

Методом рентгенофазового анализа было установлено, что при температуре t 1 =80-100 °C (см. чертеж, кривые 1 и 2) происходит жидкоподобная коалесценция контактирующих частиц внутри порошка СВМПЭ.

На втором этапе происходит дальнейшее спекание полученной смеси в пресс-форме при температуре t 2 =110-130 °C в течение 60 мин без изменения удельного давления (Р=7.5 МПа).

Экспериментально установлено (см. чертеж, кривые 3 и 4), что в порошке СВМПЭ при температуре t 2 =110-130 °C происходят существенные изменения межчастичного взаимодействия с образованием контактных перешейков и границ между отдельными фрагментами структуры.

Полученный композиционный материал охлаждают в пресс-форме до комнатной температуры.

Реализация предложенного способа иллюстрируется следующими практическими примерами.

Пример 1 (контрольный). Исходный порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) ф. Тикона СВМПЭ GUR 4150 прессуют в пресс-форме при постоянном удельном давлении 7,5 МПа сначала при температуре t 1 =90 °C в течение 30 мин., затем при температуре t 2 =120 °C в течение 60 мин.

Затем полученный композиционный материал охлаждают в пресс-форме до комнатной температуре.

Состав и служебные свойства полученного композиционного материала приведены в табл. 1.

Пример 2. Плакированный порошок оксида алюминия "Оксидал - ГМ" в количестве 10 мас.% смешивают с 90 мас.% порошка СВМПЭ ф. Тикона СВМПЭ GUR 4150. Полученную смесь прессуют в пресс-форме при постоянном удельном давлении 7,5 МПа сначала при температуре t 1 =90 °C в течение 30 мин, затем при температуре t 2 =120 °C в течение 60 мин. Затем полученный композиционный материал охлаждают в пресс-форме до комнатной температуре.

Состав и служебные свойства композиционных материалов, полученных на основе СВМПЭ с разными концентрациями плакированного оксида алюминия при температурах t 1 =90 °C и t 2 =120 °C, приведены в табл. 1.

Таблица 1. Состав и служебные свойства композиционных материалов на основе СВМПЭ с разными концентрациями плакированного оксида алюминия (t1=90 °C и t2=120 °C)

Как видно из табл. 1, при увеличении концентрации плакированного оксида алюминия с 5 до 20 мас.% повышается плотность композиционного материала с 0,99 до 1,11 г/см соответственно. При концентрации 10 мас.% плакированного оксида алюминия в СВМПЭ полученный композиционный материал обладает максимальной твердостью по Бринеллю, равной 275НВ, и минимальным относительным износом, равным 0,0037 г/м.

Служебные свойства композиционных материалов, полученных на основе СВМПЭ с 10 мас.% плакированного оксида алюминия (СВМПЭ+10мас.%Al 2 O 3 ) при разных температурах t 1 и t 2 , приведены в табл. 2.

Таблица 2. Служебные свойства композиционных материалов на основе СВМПЭ+10 мас.%Al2O3 при разных температурах t1 и t2

Как видно из табл. 2, с увеличением температуры t 1 с 80 до 100 °C при постоянной температуре t 2 происходит снижение величины относительного износа и увеличение твердости по Бринеллю полученного композиционного материала. При t 1 /t 2 =100/130 °C твердость по Бринеллю, равная 278НВ, максимальна, а относительный износ, равный 0,0036 г/м, минимален. С увеличением температуры t 1 с 80 до 100 °C при постоянных температурах t 2 , равных 110 и 130 °C плотность полученного композиционного материала остается постоянной. При температуре t 2 =120 0 C зависимость плотности полученного композиционного материала от температуры t 1 имеет максимум, равный 1,03 г/см 3 , на t 1 =90 °C. С увеличением температуры t 2 плотность композиционного материала возрастает. С увеличением температуры t 2 с 110 до 130 °C при постоянных температурах t 1 , равных 90 и 100 °C, происходит увеличение величины твердости по Бринеллю и снижение относительного износа полученного композиционного материала.

Пример 3. Исходный порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) ф. Тикона СВМПЭ GUR 4150 прессуют в пресс-форме при различных удельных давлениях сначала при температуре t 1 =90 °C в течение 30 мин., затем при температуре t 2 =120 °C в течение 60 мин. Затем полученный композиционный материал охлаждают в пресс-форме до комнатной температуре.

Плотность полученного композиционного материала, прессованного при различных удельных давлениях, приведена в табл. 3.

Таблица 3. Зависимость плотности СВМПЭ от удельного давления при t1=90 °C и t2=120 °C.

Экспериментально доказано (см. табл.3), что удельного давления 7,5 МПа достаточно для достижения максимальной плотности.

Использование заявляемого изобретения позволяет получать композиционные материалы на основе СВМПЭ с добавлением плакированного оксида алюминия, имеющие износостойкость в 1,5-3 раза выше, чем у исходного сверхвысокомолекулярного полиэтилена, что позволяет его использовать в машиностроении при изготовлении износостойких футеровочных элементов для защиты бункеров, кузовов автотранспорта, транспортеров. Для получения композиционного материала по заявляемому способу не требуется предварительной обработки исходного порошка СВМПЭ, что упрощает технологический процесс. Кроме того, использование низких температур спекания и уменьшение удельного давления прессования ведет к уменьшению энергозатрат.