CN101092988A - 热塑性聚合物基推力垫圈及其制备方法 - Google Patents

热塑性聚合物基推力垫圈及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种推力推垫圈及其制备方法，尤其涉及一种热塑性聚合物基推力垫圈及其制备方法。其技术方案为：称取热塑性聚合物和固体润滑剂，经过高速混合机混合均匀后加入双螺杆挤出机共混造粒，此过程中添加增强纤维和增强晶须；所制备的材料具有耐高温、高强度、耐冲击、弹性形变大(不易变形)、低摩擦系数、低磨损量等优点；该复合材料专用料可采用注射成型的方法一次成型结构复杂、尺寸各异的推力垫圈。

Description

热塑性聚合物基推力垫圈及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种推力推垫圈及其制备方法，尤其涉及一种热塑性聚合物复合材料推力垫圈及其制备方法。
背景技术
在机械传动系统中，两个相对旋转的浮动的金属零部之间，由于浮动零件沿旋转轴轴向的移动，使两零件端面之间会产品一定的碰撞及相对摩擦。但金属材料的高模量和低的抗延展性，相对旋转金属零件之间的直接碰撞会导致金属的变形，产生较大的磨损，甚至会出现金属零件之间的相互咬合，而影响整个设备的运转。因此必需在两金属零件间放置垫圈，用以承受轴向撞击，传递轴向力，并起到承摩的作用，减少传动零部件的磨损，延长设备使用寿命和维护周期。美国专利US6702711提及了一种车辆行星传动箱推力垫圈的使用。中国专利(授权公开号CN 1114768C)也提及了一种改进的车辆变速箱及其推力垫圈。美国专利US6655910提及了一种轮机压缩机，其气动轴承系统中也用到一种特殊结构的推力垫圈。美国专利6336868也提及了推力垫圈在传动万向节中的应用。由此可见，推力垫圈是传动系统中重要的零部件之一，其性能影响到整个系统的运转。由于工作环境的需要，此类推力垫圈必需要具有耐磨损、自润滑、耐冲击、抗疲劳及耐高温等特点。
但早期的推力垫圈主要以金属基制件为主。美国专利US6511226就提供了一种铝基的推力垫圈的制备方法，专利提及通过添加硅、铜等助剂提高铝基垫圈的自润滑、耐磨损性能。但由于金属材料抗延展性差，受冲击变形大，易于失效，对金属传动件也有一定的磨损，对延长设备的使用寿命和维护周期并不有利；而且工作过程中金属撞击易产生噪音，及设备的振动。而且金属推力垫圈成型工序复杂，成型周期长，比重大，对降低成本和节约能源也不有利。
美国专利US6502994B2和US20010033704A1从设备组装和垫圈的结构方面优化车辆变速箱的性能，提及变速箱选用性能优异的聚酰亚胺树脂基体的推力垫圈，但对垫圈材料的组成及成型工艺均没有提及。国际市场有聚酰亚胺基推力垫圈销售，为美国杜邦VESPEL产品，是一种热固性聚酰亚胺树脂产品，其成型工艺工序复杂。美国专利US5967674、US5918987、US5683184和US5374171提及止推轴承等旋转部件止推面添加推力垫圈，并从垫圈结构方面优化，以减少零部件的磨损，优化设备使用性能，专利中提及的推力垫圈也是以塑料为基体材料，但对塑料的种类、组成及制备工艺均没有提及。美国专利US6264566、US5813916和国际专利WO96/35059在传动万向节轴承杯与滚针轴承间放置推力垫圈，可以减少金属部件的擦伤和磨损。专利中提及的推力垫圈以尼龙作为基体材料。但由于推力垫圈的工作环境需要其具有耐高温、高强度、耐磨损、自润滑等性能，就尼龙的耐温等级和强度，其只能适宜应用于工况要求较低的场合。而且专利中也末对尼龙基推力垫圈材料的组成和制备工艺做出说明。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有推力垫圈成型工序复杂、效率低、生产成本高、使用过程中噪音大、易于变形失效和使用场合条件苛刻等问题而提出的一种以加工性能突出的热塑性聚合物为基体的推力垫圈；本发明的另一目的是提供上述材料的制备方法。
本发明的技术方案为：
一种热塑性聚合物基推力垫圈，其特征在于该推力垫圈其原料组份及各组份占原料总量的重量百分含量如下：
热塑性聚合物：      60％～90％
增强纤维或晶须：    0％～20％
固体润滑剂：        5％～20％
所述的热塑性聚合物为酰亚胺类、醚酮类热塑性聚合物中的一种或两者混合物。其中酰亚胺类优选热塑性聚酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺(Torlon)，醚酮类优选聚醚酮(Kadel)、聚醚醚酮(Victrex)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酮醚酮酮(Ultrapek)。
所述的增强纤维为碳纤维(台湾塑胶工业股份有限公司生产)或玻璃纤维(南京玻璃纤维研究设计院提供)的一种或两者混合物。
所述的增强晶须为钛酸钾晶须(上海晶须复合复合材料厂提供)或碳化硅晶须(徐州宏武纳米材料有限公司提供)中的一种。
所述的固体润滑剂是至少为聚四氟乙烯、石墨、二硫化钼中的一种。
一种热塑性聚合物基推力垫圈，其特征在于该垫圈材料采用双螺杆挤出机挤出共混的方法制备，其工艺过程如下：
称取占原料总重60～90％的热塑性聚合物和占原料总重5～20％的固体润滑剂，经过高速混合机混合均匀后加入双螺杆挤出机共混造粒，此过程中通过添加连续长纤维的方法计量加入原料总重量的0～20％的增强纤维，或通过侧喂料机计量加入原料总重量的0～20％的增强晶须，由此即得到推力垫圈用材料粒子。
挤出工艺如下：温度：340～400℃；主机转速：200～300rpm；喂料频率：8～15Hz。
一种热塑性聚合物基推力垫圈，其特征在于该垫圈材料可采用注射成型的方法一次成型结构复杂、尺寸各异的推力垫圈，其工艺参数如下：
注射成型温度：340～400℃：注射压力：90～150MPa；注射速度：2～3s；模具温度：120～200℃；冷却时间：8～20s。
有益效果：
本发明选用加工性能突出的热塑性聚合物为基体，具有可热塑加工的性能，简化了生产工艺，提高了生产效率。本发明选用的热塑性聚合物具有耐高温、高强度、抗疲劳的优异性能。与金属垫圈相比，此类塑料垫圈弹性形变大，不易变形，并具有自润滑特点，可减少振动、降低噪音，延长设备使用寿命和维护周期。
采用挤出共混的方法制备具有耐高温、高强度、耐冲击、弹性形变大(不易变形)、低摩擦系数、低磨损量的力垫圈复合材料专用料；该复合材料专用料可采用注射成型的方法一次成型结构复杂、尺寸各异的推力垫圈。
材料典型性能如下：
  检测标准   单位     数据
密度热变形温度冲击强度摩擦系数体积磨损量   GB 1033-86GB/T 1634.1-2004GB T1043-93(无缺口)GB 3960-83   g/cm3℃kJ/m2-10-15m3J-1     1.28～1.65240～28018～600.08～0.184～40
具体实施方式
实施例1：将质量百分含量70％的热塑性聚酰亚胺(GCPITM、Aurum)，10％的聚四氟乙烯，5％的二硫化钼通过高速混合机混合均匀后，加入双螺杆挤出机共混造粒，在此过程中计量加入质量百分含量15％的玻璃纤维(南京玻璃纤维研究设计院提供)，挤出造料即得垫圈用材料粒子，粒子经过注射成型即可得垫圈。具体工艺参数及材料性能参见附表。
实施例2：将质量百分含量75％的聚醚醚酮(Victrex)，6％的聚四氟乙烯，4％的石墨通过高速混合机混合均匀后，加入双螺杆挤出机共混造粒，在此过程中计量加入质量百分含量15％的碳纤维(台湾塑胶工业股份有限公司生产)，挤出造料即得垫圈用材料粒子，粒子经过注射成型即可得垫圈。具体工艺参数及材料性能参见附表。
实施例3：将质量百分含量30％的热塑性聚酰亚胺(Aurum)，30％的聚醚酮(Kadel)，10％的聚四氟乙烯，5％的石墨和5％的二硫化钼通过高速混合机混合均匀后，加入双螺杆挤出机共混造粒，在此过程中计量加入质量百分含量10％的碳纤维(台湾塑胶工业股份有限公司生产)和10％的玻璃纤维(南京玻璃纤维研究设计院提供)，挤出造料即得垫圈用材料粒子，粒子经过注射成型即可得垫圈。具体工艺参数及材料性能参见附表。
实施例4：将质量百分含量90％的热塑性聚酰亚胺(GCPITM、Aurum)，3％的聚四氟乙烯，7％的石墨通过高速混合机混合均匀后，加入双螺杆挤出机共混造粒，即得垫圈用材料粒子，粒子经过注射成型即可得垫圈。具体工艺参数及材料性能参见附表。
实施例5：将质量百分含量80％的聚酰胺-酰亚胺(Torlon)，5％的聚四氟乙烯，5％的石墨通过高速混合机混合均匀后，加入双螺杆挤出机共混造粒，在此过程中计量加入质量百分含量10％的碳纤维(台湾塑胶工业股份有限公司生产)，挤出造料即得垫圈用材料粒子，粒子经过注射成型即可得垫圈。具体工艺参数及材料性能参见附表。
实施例6：将质量百分含量65％的热塑性聚酰亚胺(GCPITM、Aurum)，5％的聚四氟乙烯，15％的石墨通过高速混合机混合均匀后，加入双螺杆挤出机共混造粒，在此过程中计量加入质量百分含量15％的钛酸钾晶须(上海晶须复合复合材料厂提供)，挤出造料即得垫圈用材料粒子，粒子经过注射成型即可得垫圈。具体工艺参数及材料性能参见附表。
实施例7：将质量百分含量70％的聚醚酮醚酮酮(Ultrapek)，10％的聚四氟乙烯，10％的二硫化钼通过高速混合机混合均匀后，加入双螺杆挤出机共混造粒，在此过程中计量加入质量百分含量10％的碳化硅晶须(徐州宏武纳米材料有限公司提供)，挤出造料即得垫圈用材料粒子，粒子经过注射成型即可得垫圈。具体工艺参数及材料性能参见附表。
实施例8：将质量百分含量40％的热塑性聚酰亚胺(GCPITM、Aurum)，20％的聚醚醚酮(Victrex)，10％的聚四氟乙烯，5％的石墨和5％的二硫化钼通过高速混合机混合均匀后，加入双螺杆挤出机共混造粒，在此过程中计量加入质量百分含量20％的钛酸钾晶须(上海晶须复合复合材料厂提供)，挤出造料即得垫圈用材料粒子，粒子经过注射成型即可得垫圈。具体工艺参数及材料性能参见附表。
实施例9：将质量百分含量90％的热塑性聚酰亚胺(GCPITM、Aurum)，5％的聚四氟乙烯通过高速混合机混合均匀后，加入双螺杆挤出机共混造粒，在此过程中计量加入质量百分含量5％的碳化硅晶须(徐州宏武纳米材料有限公司提供)，挤出造料即得垫圈用材料粒子，粒子注射成型即可得垫圈。具体工艺参数及材料性能参见附表。
实施例10：将质量百分含量60％的聚醚酮酮(PEKK)，15％的聚四氟乙烯，5％的二硫化钼通过高速混合机混合均匀后，加入双螺杆挤出机共混造粒，在此过程中计量加入质量百分含量20％的钛酸钾晶须硅(上海晶须复合复合材料厂提供)，挤出造料即得垫圈用材料粒子，粒子经过注射成型即可得垫圈。具体工艺参数及材料性能参见附表。
附表：
    例1   例2   例3   例4   例5
  挤出工艺     温度/℃转速/rmp喂料/Hz     3502008   3802209   3802508   34030015   36520012
注射成型工艺     温度/℃压力/MPa速度/s模温/℃冷却时间/s     3551202.51608   3801402.212020   3801502.215018   340902.516015   3651102.220010
性能     热变形温度/℃冲击强度/kJ.m-2摩擦系数体积磨损率/10-15m3J-1     ≥245≥250.1210   ≥260≥500.1635   ≥280≥400.1522   ≥240≥350.106   ≥245≥180.084
    例6     例7     例8     例9   例10
  挤出工艺     温度/℃转速/rmp喂料/Hz     3502008     3952209     3802508     34030015   36020012
注射成型工艺     温度/℃压力/MPa速度/s模温/℃冷却时间/s     3551202.31608     3951402.218020     3801502.215018     340902.516015   3601102.218010
性能     热变形温度/℃冲击强度/kJ.m-2摩擦系数体积磨损率/10-15m3J-1     ≥245≥300.084     ≥280≥600.1640     ≥260≥500.1315     ≥240≥350.106   ≥260≥180.1220

Claims (8)

1、一种热塑性聚合物基推力垫圈，其特征在于该推力垫圈其原料组份及各组份占原料总量的重量百分含量如下：
热塑性聚合物    60％～90％
增强纤维或晶须  0％～20％
固体润滑剂      5％～20％。
2、根据权利要求1所述的推力垫圈，其特征在于所述的热塑性聚合物为酰亚胺类、醚酮类热塑性聚合物中的一种或两者混合物。
3、根据权利要求2所述的推力垫圈，其特征在于所述的酰亚胺类为热塑性聚酰亚胺或聚酰胺-酰亚胺；醚酮类为聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮或聚醚酮醚酮酮。
4、根据权利要求1所述的推力垫圈，其特征在于所述的增强纤维为碳纤维或玻璃纤维的一种或两者混合物；所述的增强晶须为钛酸钾晶须或碳化硅晶须中的一种。
5、根据权利要求1所述的推力垫圈，其特征在于所述的固体润滑剂至少为聚四氟乙烯、石墨、二硫化钼中的任意一种。
6、一种如权利要求1所述的热塑性聚合物基推力垫圈的制备方法，其具体步骤如下：
A.称取占原料总重60～90％的热塑性聚合物和占原料总重5～20％的固体润滑剂，经过高速混合机混合均匀后加入双螺杆挤出机共混造粒，此过程中通过添加连续长纤维的方法计量加入原料总重量的0～20％的增强纤维，或通过侧喂料机计量加入原料总重量的0～20％的增强晶须，由此即得到推力垫圈用材料粒子；
B.将上述所制得的推力垫圈用材料粒子采用注射成型的方法一次成型结构复杂、尺寸各异的推力垫圈。
7、根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于步骤A中挤出工艺参数为：温度340～400℃；主机转速200～300rpm；喂料频率8～15Hz。
8、根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于步骤B中注射成型参数为：温度340～400℃；注射压力90～150MPa；注射速度2～3s；模具温度120～200℃；冷却时间8～20s。
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