В химической и нефтехимической промышленности Республики Беларусь эффективность действия большого количества устройств в значительной мере определяется характеристиками используемых в них герметизирующих элементов. К их числу следует отнести поршневые кольца компрессоров, подшипники скольжения, торцевые, сальниковые уплотнения и другие детали узлов трения, работающих в условиях, где применение смазки ограничено или вовсе не допустимо.
Широкое распространение в качестве материала для таких уплотнительных и герметизирующих элементов получили композиционные соединения на основе фторопласта-4, обладающие рядом уникальных характеристик — низким коэффициентом трения, малым износом сопряженных деталей. Особенно успешным оказался материал, наполненный измельченными углеродными волокнами. Он был создан в конце 1970-х гг. советскими учеными и выпускался под торговой маркой «Флубон». По многим показателям он превосходил все имевшиеся в то время аналоги — как отечественные, так и зарубежные [1]. В Беларуси, обладающей развитой химической и нефтехимической промышленностью, такой материал был крайне нужен.
С распадом СССР и утратой важнейших экономических связей возникла необходимость создания собственного аналога «Флубона», который можно было бы изготавливать из отечественного сырья.
В Институте механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси был разработан, а затем в 1999 г. внедрен в производство на Гродненском механическом заводе композиционный материал «Флувис», в котором в качестве наполнителя было использовано углеродное волокно (УВ). Некоторые изменения технологии его выпуска позволили получить материал более высокого качества, нежели у его прототипа (табл. 1) [2].
В настоящее время Гродненский механический завод является единственным на постсоветском пространстве производителем композиционных материалов данного типа, обладающих высоким качеством. Тем не менее не все характеристики этого вещества позволяют применять его в узлах трения, работающих без смазки в особо сложных условиях. Так, при относительно высокой прочности при растяжении оно не обладает достаточной твердостью, теплостойкостью и при высоких давлении и температуре не обеспечивает удовлетворительного ресурса эксплуатации. Поэтому возникла необходимость в разработке нового материала, имеющего соответствующие характеристики.
Известно, что при увеличении содержания УВ во фторопластовой матрице теплопроводность композита увеличивается, облегчается процесс отвода тепла из зоны фрикционного контакта, растет ресурс уплотнения при эксплуатации при высокой температуре. Также при большом содержании УВ повышается твердость и снижется «ползучесть» композита, что крайне важно для изделий, работающих в условиях высоких давлений и температур. Вместе с тем введение каждого процента наполнителя снижает прочность фторо¬пластовых композитов при растяжении на 0,5—0,6 МПа [3]. В результате получаются весьма непрочные материалы (рис.).
При столь низких показателях прочности затраты на создание подобных веществ не оправданны. Поэтому была предпринята попытка повысить это свойство при разрыве и износостойкость высоконаполненных композитов (ВК) на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) с содержанием УВ не менее 25% массы.
На Гродненском механическом заводе совместно с ГрГУ им. Я. Купалы были разработаны технологии, позволяющие улучшить характеристики ВК. В основу найденных решений легло понимание необходимости повышения адгезии частиц фторопласта к УВ как главного условия уменьшения пористости и усиления прочности ВК для достижения высокой степени его монолитизации.
Была применена механоактивация смеси композиционного материала посредством ее сжатия с удельным давлением не менее 800 МПа и последующего рыхления уплотненного ВК в смесителе с частотой вращения лопастей 3 тыс. оборотов в минуту, а также технология термообработки заготовок из ВК в условиях всестороннего сжатия композита при его переходе в вязкотекучее состояние.
При использовании в технологии механоактивации частицы фторопласта приобретают одинаковую пластинчатую форму, что повышает прессуемость порошка ВК, а также некомпенсированный заряд, и это улучшает диспергирование наполнителя во фторопластовой матрице при смешивании, рыхлении и способствует увеличению степени кристалличности материала и образованию прочной надмолекулярной структуры.
Применение технологии всестороннего сжатия в вязкотекучем состоянии ВК при термообработке способствует увеличению прочности получаемых изделий. Эффект упрочнения, вероятно, обусловлен суммарным действием нормальных и тангенциальных напряжений на границе раздела «матрица — наполнитель», приводящим к взаимодействию макрорадикальных продуктов с активными центрами наполнителя и снижению дефектности граничного слоя вследствие заполнения микронеровностей поверхности частиц модификатора из-за механохимического пластифицирования [4].
Синергический эффект от применения данных технологий выразился в характеристиках полученных ВК (табл. 2).
Таким образом, разработанные композиционные материалы обладают высокими прочностными и триботехническими показателями, а также специфическими свойствами ВК (высокая твердость, теплостойкость), что позволяет применять их в таких условиях, где прежде невозможно было реализовать достоинства фторо¬пластовых композитов на основе УВ (особо ответственные узлы трения без смазки, работающие при повышенном давлении и температуре).
Стоимость таких материалов выше, чем у известных «Флубона» и «Флувиса», однако и диапазон использования у них шире, а эксплуатационные характеристики — лучше, что позволит сэкономить на издержках по ремонту и простою дорого¬стоящего оборудования гораздо б?льшие суммы. Их применение на предприятиях нефтехимического комплекса Республики Беларусь даст возможность снизить затраты при эксплуатации оборудования и будет способствовать развитию импортозамещающего производства.