Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВКИ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА(71) Заявитель Учреждение образования Гродненский государственный университет имени Янки Купалы(72) Авторы Струк Василий Александрович Воропаев Виктор Викторович Горбацевич Геннадий Николаевич Авдейчик Сергей Валентинович Кравченко Виктор Иванович Овчинников Евгений Витальевич Костюкович Геннадий Александрович(73) Патентообладатель Учреждение образования Гродненский государственный университет имени Янки Купалы(56)9396 1, 2007.41868 , 2009.14355 1, 2011.1134372 , 1985.2278785 1, 2006.2-62228 , 1990.1850883 , 2006. Промышленность региона проблемы и перспективы инновационного развития. - Гродно, 2008. - С. 302-316.(57) 1. Способ изготовления заготовки из композиционного материала на основе политетрафторэтилена, включающий смешивание компонентов, холодное прессование заготовки и ее спекание, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют монолитизацию спеченной заготовки в оправке путем воздействия на нее давления монолитизации м,определяемого из выражения м(1,01-1,1)РТ, где Т - предел текучести композиционного материала, в течение времени монолитизации м (мин), численное значение которого составляет (1-1,5), где- максимальная толщина заготовки, выраженная в мм. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед монолитизацией на поверхность оправки и/или заготовки дополнительно наносят слой фторсодержащего соединения толщиной 5-100 мкм. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве фторсодержащего соединения используют фторсодержащий олигомер с молекулярной массой 5000-10000 общей формулы -1, где- фторсодержащий радикал, а 1 - группа - , -, -2 или -3. 4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве фторсодержащего соединения используют продукты термогазодинамического синтеза политетрафторэтилена. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что спекание заготовки перед монолитизацией осуществляют в оправке. Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в машиностроении для получения заготовки из полимерных материалов различного функционального назначения. 18089 1 2014.04.30 Известны способы переработки полимерных композиционных материалов в изделия литье под давлением, экструзия, вакуум-пневмоформирование, горячее прессование 1. Эти способы основаны на переводе полимерного компонента материала в вязко-текучее состояние, позволяющее заполнить расплавленной или пластичной массой оформляющую полость формы и зафиксировать полученное изделие, охладив форму до температуры меньшей, чем температура плавления полимера. Такие способы широко применяются для переработки в изделия композиционных материалов, у которых полимерная матрица имеет сравнительно невысокую температуру плавления (100-250 С), а расплав полимера обладает достаточно низкой вязкостью. Сочетание этих факторов позволяет заполнять оформляющую полость литьевой формы расплавом композиционного материала при относительно невысоких давлениях литья. Данные способы пригодны для композиционных материалов с низкой температурой плавления, невысокой вязкостью расплава и достаточной термостойкостью. Существуют полимерные материалы, у которых температура плавления и термостойкость (стойкость к термодеструкции полимерной молекулы) имеют близкое значение. В результате переработка таких материалов в изделия литьем под давлением практически невозможна или требует применения специальных технологических приемов - введения термостабилизаторов, повышающих термостойкость, применения специальной оснастки и оборудования, исключающего возможность нахождения расплава полимера в высокотемпературной зоне более чем время индукции процесса термоокислительной деструкции и т.п. Эти обстоятельства существенно усложняют технологию переработки таких материалов в изделия и существенно увеличивают стоимость изделий. К числу полимерных материалов, имеющих температуру плавления, близкую к температуре термодеструкции, и высокую вязкость расплава, относятся фторсодержащие полимеры - фторопласты, прежде всего политетрафторэтилен (ПТФЭ) или фторопласт-4. Фторопласт-4 обладает уникальным сочетанием физико-механических, теплофизических,триботехнических характеристик и химической стойкости. Однако температура плавления ПТФЭ и температура его термоокислительной деструкции близки. Кроме того, фторопласт-4 имеет высокую вязкость расплава. Данные обстоятельства не позволяют изготавливать изделия из ПТФЭ и композиций на его основе наиболее производительным методом литья под давлением. Поэтому изделия из материалов на основе ПТФЭ получают по двум основным технологиям - экструзией через обогреваемую формующую головку и прессованием с последующим спеканием. Первая технология позволяет получать длинномерные изделия сравнительно простого сечения цилиндрические стержни, трубы, специальные профили, ленты, пластины и т.п. Известен способ изготовления изделия на основе высоковязкого материала (варианты) 2. Сущность этого способа состоит в спекании заготовки из композиционных материалов на основе ПТФЭ и сверхвысокомолекулярного полиэтилена (ВМПЭ) в оправках,обеспечивающих натяг в результате действия термического расширения заготовки на стенки оправки. Способ позволяет изготавливать изделия повышенной прочности и износостойкости по сравнению с изделиями идентичного состава, полученными прессованием и свободным спеканием. Существенным недостатком данного способа является необходимость изготовления оснастки для спекания каждого типоразмера изделия. Прототипом изобретения является способ изготовления заготовки из композиционного материала на основе политетрафторэтилена, заключающийся в смешивании компонентов, холодном прессовании заготовки из порошкообразных компонентов при удельном давлении 40-60 МПа и последующем свободном спекании заготовки в печи при температуре 280-350 С 3. Недостатками прототипа являются многостадийность процесса изготовления изделий относительно невысокие прочностные характеристики изделий, что обусловлено отсутствием давления в процессе их формирования, длительностью процесса формирования 2 18089 1 2014.04.30 изделий, что приводит к значительным удельным энергетическим затратам существенный градиент механических и триботехнических характеристик по сечению изделия, обусловленный действием термоокислительной среды на компоненты материала. Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка способа изготовления заготовки из композиционных материалов на основе политетрафторэтилена, обеспечивающего повышенные параметры прочности и износостойкости. Поставленная задача решается тем, что в заявленном способе изготовления заготовки из композиционных материалов на основе политетрафторэтилена, включающем смешивание компонентов, холодное прессование заготовки и ее спекание, дополнительно осуществляют монолитизацию спеченной заготовки в оправке путем воздействия на нее давления монолитизации м, определяемого из выражения М(1,01-1,1)Т, где Т - предел текучести композиционного материала, в течение времени монолитизации м, численное значение которого составляет (1-1,5) , где- максимальная толщина изделия, мм. По второму варианту заявленного способа изготовления заготовки из композиционного материала на основе политетрафторэтилена перед монолитизацией на поверхность оправки и/или заготовки дополнительно наносят слой фторсодержащего соединения толщиной 5-100 мкм. В качестве фторсодержащего соединения используют фторсодержащий олигомер с молекулярной массой 5000-10000 общей формулы -1, где- фторсодержащий радикал, 1 - группа -, -, -2, -3. Для обработки поверхностных слоев оправки и заготовки из композиционного материала использовали растворы фторсодержащих олигомеров Эпилам и во фреоне (производство Института синтетического каучука им. Лебедева, г. Санкт-Петербург), а также продукты термогазодинамического синтеза политетрафторэтилена ультрадисперсный политетрафторэтилен (УПТФЭ), выпускаемый под торговой маркой Форум (Институт химии ДВО РАН, г. Владивосток). По третьему варианту заявленного способа изготовления заготовки из композиционного материала на основе политетрафторэтилена спекание заготовки перед монолитизацией проводят в оправке. Обработку поверхностных слоев оправки и спеченной заготовки фторсодержащим олигомером Эпилам осуществляли окунанием обезжиренных компонентов в раствор с последующей сушкой на воздухе для удаления растворителя. Существенность заявляемых признаков изобретения состоит в том, что обработка спеченной заготовки удельным давлением монолитизации М, равным М(1,01-1,1)РТ, где Т - предел текучести композиционного материала, приводит к уменьшению количества дефектов структуры, образовавшихся на различных стадиях технологического процесса изготовления заготовки из композиционного материала на основе политетрафторэтилена. Наиболее вероятными механизмами образования дефектов структуры являются следующие. На стадии смешивания компонентов образуются локальные участки с повышенным содержанием наполнителя, например, фрагментов углеродных волокон (УВ) определенной длины, которая составляет 50-200 мкм. На стадии холодного прессования заготовки из композиционного материала вследствие низкой текучести политетрафторэтилена и инертности его макромолекулы в процессах взаимодействия с наполнителем сформировавшиеся локальные участки с повышенной концентрацией наполнителя не устраняются, так как в результате холодного течения матричный полимер обтекает участки с большим сопротивлением течению. На стадии спекания образовавшаяся дефектная структура заготовки сохраняется, так как процесс образования матрицы происходит по участкам контактирования отдельных частиц ПТФЭ, которые расположены в смеси частиц матричного полимера (ПТФЭ) и наполнителя, например УВ. В результате реализации всех стадий технологического процесса по известной технологии формируются заготовки (изделия) с повышенной дефектностью, имеющие сравнительно низкие значения параметров прочности и износостойкости. 18089 1 2014.04.30 На стадии монолитизации спеченной заготовки в оправке при заявленной величине давления М в результате холодного течения матричного полимера (ПТФЭ) и образования участков спайности на местах контактирования фрагментов матрицы, расположенных на краях дефекта, уменьшается число ранее образовавшихся локальных дефектов, которые при воздействии эксплуатационных факторов (нагрузок, температуры, сдвиговых напряжений) увеличиваются в размерах и обуславливают разрушение изделия. Выбор значения давления монолитизации М, превышающего предел текучести композиционного материала, обеспечивает гарантированное взаимодействие стенок трещин с образованием адгезионной связи, близкой по прочности к прочности матрицы. Важным аспектом заявленного технологического решения является применение для осуществления монолитизации оправки, внутренний диаметр которой коррелирует с наружным диаметром спеченной заготовки. Это позволяет достичь высокой точности геометрических размеров монолитизированной заготовки (изделия) и обеспечить положительный градиент эксплуатационных характеристик по сечению. При нанесении на поверхностный слой оправки и/или заготовки фторсодержащего соединения обеспечивается комплексный эффект, состоящий в уменьшении потерь прилагаемого давления монолитизации М вследствие снижения силы трения между стенкой оправки и наружной поверхностью заготовки, благодаря чему повышается эффективность операции монолитизации. Кроме того, фторсодержащее соединение заполняет поверхностные дефекты заготовки, уменьшая вероятность разрушения рабочего слоя изделия при трении или действии знакопеременных нагрузок. В качестве фторсодержащего соединения целесообразно использовать олигомеры Фолеокс с молекулярной массой 5000-10000 тыс. и с различным строением макромолекулы, а также частицы ультрадисперсного политетрафторэтилена (УПТФЭ). Состав фторсодержащего соединения и его молекулярная масса не оказывают принципиального значения на реализацию заявленного способа. При монолитизации в оправке при заявленных режимах заготовки, полученной спеканием в оправке, достигается синергический эффект неаддитивного увеличения деформационно-прочностных и триботехнических характеристик вследствие формирования гомогенной структуры с минимальным количеством дефектов. В качестве объекта для испытаний эффективности разработанного способа использовали композиционный материал на основе ПТФЭ, наполненный дискретными УВ, с долей последних 30 мас. . Для изготовления композиционного материала использовали порошкообразный политетрафторэтилен марки 4 ТМ (ТУ 2213-021-1369708-2005) и углеродную ленту ЛО-1-12 Н/30 (ТУ РБ 400031289.170). Технологический процесс изготовления композиционных материалов по способу прототипа соответствовал технологическому регламенту к ТУ на композиционный материал Флувис. Для изготовления опытных образцов по предлагаемому способу использовали оправку, изготовленную из стали 45,подвергнутую упрочнению методом поверхностной закалки. Для обработки поверхностных слоев оправки и заготовки из композиционного материала использовали растворы фторсодержащих олигомеров Эпилам и во фреоне (производство Института синтетического каучука им. Лебедева, г. Санкт-Петербург), а также продукты термогазодинамического синтеза политетрафторэтилена ультрадисперсный политетрафторэтилен (УПТФЭ),выпускаемый под торговой маркой Форум (Институт химии ДВО РАН, г. Владивосток). Фторсодержащие продукты применяли в состоянии промышленной поставки. Обработку поверхностных слоев оправки и спеченной заготовки фторсодержащим олигомером Эпилам со структурной формулой -1, где- фторсодержащий радикал,1 - функциональная группа -, -, -2, -3, осуществляли окунанием обезжиренных компонентов в раствор с последующей сушкой на воздухе для удаления растворителя. Слой из УПТФЭ наносили на поверхность оправки и заготовки ротапринтным методом. Толщина сформированных слоев фторсодержащих соединений составляла 5-100 мкм. 4 18089 1 2014.04.30 Нагрузку при 10 -ной деформации при сжатии определяли с использованием машины разрывной марки Р-0,5 (ГОСТ 7855-74). Образцы для испытаний выполнены в виде цилиндров диаметром 10 мм и высотой 15 мм. Испытания проводили со скоростью движения подвижной траверсы разрывной машины 5 мм/мин. Предел прочности при разрыве определяли, используя метод испытания на растяжение кольцевых образцов диаметром 5040 мм и высотой 10 мм. Измерения проводили с помощью разрывной машины МР-200 ГОСТ 7855-84 при скорости нагружения 6 мм/мин. Износ композитов определяли по схеме палец-диск на цилиндрических образцах(радиус закругления 6,35 мм), трущихся по плоской поверхности диска, выполненного из углеродистой стали и отшлифованного на ровной плоской поверхности наждачной шкуркой или шлифовальной пастой до среднего арифметического отклонения профиля поверхности 0,1-0,3 мкм. Испытания проводили на машине ХТИ-72 при нормальной нагрузке на три образца 300 Н, при линейной скорости скольжения 1,0-3,0 м/с, температуре поверхности контртела не более 50 С. Также определяли степень монолитизации заготовки путем сравнения показателей плотности, полученных объемно-весовым способом. Примеры исполнения способа по изобретению представлены ниже. Пример 1 (прототип). 700 г порошкообразного политетрафторэтилена марки Ф-4 ПН 90 смешивали на лопастном смесителе с 300 г измельченного углеграфитового волокна. Из полученной смеси методом холодного прессования формировали цилиндрическую заготовку наружным диаметром 80 мм, внутренним диаметром 40 мм и высотой 40 мм. Давление прессования составило 50 МПа. Полученные заготовки помещали в электропечь и спекали при температуре 280-350 С, время выдержки в данном диапазоне, определенное из расчета Тмин на 1 мм толщины, составило 10 ч. После спекания заготовку охлаждали 6 ч с печью. Из полученных заготовки изготавливали методом точения и фрезерования образцы для испытаний. Пример 2 (заявленный способ). Заготовку, полученную холодным прессованием из композиционного материала состава, аналогичного приведенному в примере 1, спекали по режимам, приведенным в примере 1. Далее заготовку помещали в оправку с внутренним диаметром вн, равным 80 мм, и толщиной стенки 10 мм. На заготовку действовали удельным давлением монолитизации М 70,7 МПа (М 1,01 Т, где Т 70 МПа - предел текучести композиционного материала), в течение времени монолитизации м 20 мин (м 1, где 20 мм толщина стенки заготовки). Пример 3 (заявленный способ). На внутреннюю поверхность оправки и поверхность заготовки из композиционного материала, изготовленную аналогично примеру 1, наносили окунанием слой фторсодержащего соединения - олигомера Эпилам марки Ф-1 со структурной формулой - с молекулярной массой 5000 ед. Толщина слоя фторсодержащего соединения составляла 5 мкм. Монолитизацию заготовки, полученной аналогичным примеру 1 способом, осуществляли в оправке при удельном давлении монолитизации М, равном 77 МПа (М 1,01 Т,где Т - предел текучести композиционного материала, равный Т 70 МПа). Время монолитизации заготовки м составляло м 30 мин (м 1,5-, где- толщина стенки заготовки, равная 20 мм). Пример 4 (заявленный способ). На внутреннюю поверхность оправки и поверхность заготовки из композиционного материала, состав которого соответствует примеру 1, натиранием (ротапринтным способом) наносили слой фторсодержащего соединения ультрадисперсного политетрафторэтилена (УПТФЭ) марки Форум. Нанесение слоя осуществляли, используя войлочный диск. Толщина слоя фторсодержащего соединения (УПТФЭ) составляла 100 мкм. 5 18089 1 2014.04.30 Заготовку из композиционного материала помещали в оправку и осуществляли ее монолитизацию при удельном давлении монолитизации М 77 МПа (1,1 Т) в течение времени монолитизациим, равного 30 мин (1,5). Пример 5 (заявленный способ). Заготовку, полученную холодным прессованием из композиционного материала состава, соответствующего примеру 1, спекали в оправке с внутренним диаметром вн 80 мм в диапазоне температур 280-350 С в течение 60 мин с последующим охлаждением вместе с печью со скоростью 1,5 0/мин. Спеченную заготовку обрабатывали 0,5 -ным раствором олигомера Фолеокс марки Ф-14 со структурной формулой -3 и молекулярной массой 10000 ед. Толщина слоя фторсодержащего соединения после удаления растворителя составляла 10 мкм. Обработанную заготовку помещали в оправку и подвергали монолитизации под действием давления М 77 МПа в течение 30 мин. Характеристики изделий из композиционного материала на основе политетрафторэтилена, содержащего 30 мас.УВ, изготовленных по способу прототипа и заявленному способу, представлены в таблице. Характеристики изделий из композиционных материалов Показатель для изделия Изготовленного Изготовленного по заявленХарактеристика п/п по прототипу 3 ному способу 1. Плотность образцов композицион 1,72 1,80 1,91 1,92 1,92 ного материала, г/см 3 2. Прочность образцов при 10 -ной 14,0 28,0 30,0 31,0 46,0 деформации сжатия, МПа 3. Прочность образцов при разрыве,15,0 17,0 21,0 22,0 27,0 МПа 4. Износ при трении без смазки,4,7 2,0 1,6 1,5 1,4(мм 3/Нм)10-7 Как следует из представленных в таблице данных, изделия, изготовленные по заявленному способу (примеры -), превосходят прототип (пример ) по плотности, прочности при 10 -ной деформации сжатия, прочности при разрыве и износостойкости. Таким образом, заявленный способ изготовления заготовки из композиционных материалов на основе политетрафторэтилена позволяет достичь увеличения показателей деформационно-прочностных и триботехнических характеристик изделий по сравнению с прототипом. Предложенный способ прошел промышленную апробацию на участке по изготовлению изделий из композиционного материала Флубон и Флувис и рекомендован для использования. Источники информации 1. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун Ф. Материаловедение. - М. МИСИС, 1999. С. 254-256. 2. Патент РБ на изобретение 9396, МПК 08 5/00,29 43/00, 2004. 3. Сиренко Г.А. Антифрикционные карбопластики. - Киев Технка, 1985. - С. 73-75 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6

МПК / Метки

МПК: C08J 5/00, B29K 27/18, B29C 43/56

Метки: изготовления, композиционного, политетрафторэтилена, способ, заготовки, материала, основе

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/6-18089-sposob-izgotovleniya-zagotovki-iz-kompozicionnogo-materiala-na-osnove-politetraftoretilena.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Способ изготовления заготовки из композиционного материала на основе политетрафторэтилена</a>

Похожие патенты