CN101265357A - 自润滑耐磨团状模塑料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自润滑耐磨团状模塑料，其预混料含有如下组分：不饱和聚酯树脂60～80份，低收缩添加剂20～40份，且不饱和聚酯树脂+低收缩添加剂为100份，内脱模剂3～5份，无机填料140～170份，引发剂0.5～2份，增稠剂0.5～1.5份，润滑剂10～40份，增强材料83.5～188份；其中，上述份数均为质量份数。其具有优良的力学性能和耐酸碱腐蚀性；质量较轻，节约燃油，排污较少；设计自由，零件的整体性好；尺寸稳定性好，表面光滑；部件有自润滑性，无需添加其它润滑剂来减少摩擦；一次成型，成型后产品尺寸精确，表面效果好，免去金属摩擦部件的机加工，热处理和表面改性；生产周期短。
Description
技术领域
本发明涉及一种自润滑耐磨团状模塑料(Carbonaceous Bulk Molding Compound，简称CBMC)。
背景技术
市场上的摩擦部件，如汽车换档滑块，一般采用金属件，传统的金属摩擦部件经过机加工，热处理和表面改性等措施确实具有各种理化、力学优点，但一种或几种处理工艺只能使其具有一种或几种理化力学特性，如进行喷丸处理，只是提高表面硬度，并不能使其具有耐腐蚀之类的优点，并且加工成本是随加工步骤的增加而增加的。而且几乎所有的金属摩擦部件都需要定期添加润滑剂，操作繁琐，增加了成本。
团状模塑料(Bulk Molding Compound，简称BMC)是于1950年开始发展起来的一种预混料，最初的BMC是指在不饱和聚酷树脂(UP)中加入一定比例的增稠剂、短切玻璃纤维、填料以及其他添加剂经充分混合而成的料团状预混料。
BMC制品的外观效果好、成型工艺多样化，并且具有优良的电、热、机械综合性能，导致BMC在电气行业、汽车业、建筑和办公用品领域都得到较为广泛的应用。目前，在美、日等国，BMC的产量已占据玻璃钢总产量的12％；德国1998年的产量为3.19万t，其中仅汽车市场就消耗1.08万t，在国内，尽管BMC的研究开发较晚，但发展的趋势快、普及范围很广，在各地均有相关的研究单位和科研院所对BMC材料的开发和成型工艺进行研究，国内开发应用BMC的领域主要包括：微电机、电子塑封零件、低压电器绝缘构件、壳体支架以及汽车灯具等制品；90年代期间，全世界BMC的年增长率约为5％，竖且呈逐年上升趋势，上述资料数据充分体现了BMC材料具有着较强的发展潜力和市场竞争力。
但是，目前市场上出现的BMC大部分用于轻型小型结构件的制造，耐磨性较差，一般将其用于承载力作为受力部件，并不用于摩擦部件。
发明内容
本发明的目的在于针对上述不足，提供一种可替代传统金属摩擦部件的自润滑耐磨团状模塑料，由该自润滑耐磨团状模塑料成型的机械滑动或摩擦部件，不仅具有原先金属部件的强度和优良的力学性能，更是具有金属部件不具备的许多优点，如：耐酸碱腐蚀性较金属优良；质量较轻，节约燃油，排污较少；设计自由，零件的整体性好；尺寸稳定性好，表面光滑，免去金属摩擦部件的机加工，热处理和表面改性等措施；部件有自润滑性，无需添加其它润滑剂来减少摩擦。
本发明的一种自润滑耐磨团状模塑料，其预混料含有如下组分：
不饱和聚酯树脂 60～80 份，
低收缩添加剂 20～40 份，且
不饱和聚酯树脂+低收缩添加剂为 100 份，
内脱模剂 3～5 份，
无机填料 140～170 份，
引发剂 0.5～2 份，
增稠剂 0.5～1.5 份，
润滑剂 10～40 份，
增强材料 83.5～188 份，
其中，上述份数均为质量份数。
进一步，本发明的一种自润滑耐磨团状模塑料，其预混料含有如下组分：
不饱和聚酯树脂 60～70 份，
低收缩添加剂 30～40 份，且
不饱和聚酯树脂+低收缩添加剂为 100 份，
内脱模剂 4 份，
无机填料 160 份，
引发剂 1 份，
增稠剂 0.8 份，
润滑剂 10～30 份，
增强材料 107.6～174 份，
其中，上述份数均为质量份数。
所述低收缩添加剂为聚苯乙烯，内脱模剂硬脂酸锌，引发剂为过氧化苯甲酸叔丁酯，增稠剂为氢氧化钙，润滑剂为胶体石墨粉，增强材料为短切玻纤。
BMC材料本身是树脂基的复合材料，其耐磨性是较差的，所以一般不用于摩擦部件的制造，所以也就不会牵扯到润滑问题，在尝试用BMC材料做摩擦部件时，考虑了润滑和耐磨问题。为使产品具有自润滑性，本发明选取了石墨作为无机润滑剂，石墨具有以下特点1)耐高温：石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经超高温电弧灼烧，质量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。2)润滑性：石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。3)化学稳定性：石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。4)抗热震性：石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。此前石墨用于制作冶炼上的高温坩埚、机械工业的润滑剂、制作电极和铅笔芯；广泛用于冶金工业的高级耐火材料与涂料、军事工业火工材料安定剂、轻工业的铅笔芯、电气工业的碳刷、电池工业的电极、化肥工业催化剂。
本发明通过试验调整了石墨种类，粒径和加入量，还对配方中其他组分的含量作了调整以配合石墨达到最优的润滑和耐磨效果。自润滑性主要取决于添加的石墨含量和粒径，本发明选择石墨含量和粒径为1～38μm。
为了改善产品的表面性能，力学性能和工艺性能，玻璃纤维选用短切玻纤是长度为6mm和12mm的混合玻璃纤维，两者的质量比为1∶0.5～1∶2。
为了使材料具有较高强度和经济性，无机填料选用氢氧化铝和碳酸钙混合填料，两者的质量比为1∶0.5～1∶1.5。
为了改善产品表面张力和耐磨性，还可加入1～2质量份的助剂，常用的助剂为有机硅表面助剂丙二醇甲醚醋酸酯，型号BYK～330。
本发明自润滑性耐磨团状模塑料(CBMC)的制备方法，步骤如下：
按照配方的组分将不饱和聚酯树脂、低收缩添加剂和内脱模剂，有顺序的加入捏合机内充分捏合后，再加入润滑剂再次捏和，当润滑剂充分分散后，加入引发剂、增稠剂和无机填料，捏合20min后加入增强材料，再捏合5min后取出入增稠室增稠，增稠室的温度为20～30℃，增稠时间为24～48小时。
在CBMC生中，要特别注意以下几点：
(1)严格遵守操作规程，在加粉料时，应先加比重小的，后加比重大的。
(2)增稠剂要在树脂糊(为不饱和聚酯树脂，低收缩添加剂，内脱模剂，润滑剂的混和物)加入捏合机后才能加入，以免整个树脂糊粘度增大而无法操作。
(3)增强材料要慢慢加入捏合机、以免混合不均。
(4)捏合时间不能过长，以免纤维损伤，造成产品强度大幅度下降。
本发明自润滑性耐磨团状模塑料(CBMC)，提供了一种替代传统金属摩擦部件的可行性，其优点显而易见：(1)一次成型，成型后产品尺寸精确，表面效果好，免去金属摩擦部件的机加工，热处理和表面改性等措施；(2)无需添加其它润滑剂来减少摩擦；(3)耐磨性好；(4)耐酸碱腐蚀性较金属优良；(5)生产周期短，能满足批量生产的需要；(6)设计自由，零件的整体性好，如多个金属件联接成的同一部件BMC可整体制造完成；(7)节约能源，BMC制品生产消耗的能源远低于金属件，排污较少。
具体实施方式
实施例1：不同胶体石墨粉含量的自润滑耐磨团状模塑料(CBMC)
石墨含量是决定产品自润滑的最重要因素。依据应用在不同机械滑动或摩擦部件上，所要求的自润滑有所差别，选用不同的石墨含量对于自润滑耐磨团状模塑料(CBMC)会产生不同的效果。
第一步：按配方组分称取，以下均为质量份数：
不饱和聚酯树脂 70 份
聚苯乙烯 30 份
硬脂酸锌 4 份
氢氧化铝 70 份
碳酸钙 90 份
过氧化苯甲酸叔丁酯TBPB 1 份
氢氧化钙 0.8 份
38μm胶体石墨粉 10 份
BYK～330 1 份
6mm玻纤 55 份
12mm玻纤 45 份
第二步：捏合
1)将事先称量好的不饱和聚酯树脂、低收缩添加剂和内脱模剂倒入捏合机内进行捏合搅拌(应无任何分层现象出现)。
2)捏合完毕后，将事先称量好的石墨添入捏合机搅拌均匀，加入引发剂、增稠剂，再将填料倒入捏合机内进行捏合，在填料捏合过程中应不断地对容器壁上粘付的材料用铲刀进行清理，及时清理转臂根部死角的不均匀混合料。
3)加入玻纤时要均匀铺撒在混合料的表面上，但要注意玻纤要完全均匀的被糊料浸润.以上步骤均应适时地利用正反转来调节混合料的均匀性.以达到材料最佳的效果。
第三步：熟化(增稠)与贮存
熟化期在正常气温下以3～5天为基准，根据季节气温适当调整，贮存时，外界气温应在20～30℃，在正常情况下贮存时间不超过25天。
依据应用在不同机械滑动或摩擦部件上，所要求的自润滑也不同，表1为选用不同的石墨含量对自润滑耐磨团状模塑料(CBMC)会产生的不同效果，如上述配方中改变石墨含量。加入三种不同石墨含量的自润滑耐磨团状模塑料(CBMC)成型产品检测得到的摩擦系数等如表1所示。
表一：
| 材料编号 | 石墨含量/重量份 | 摩擦系数 | 磨损率/10～7·cm3·N～1·m～1 | 冲击强度/KJ·cm～2 |
| BMC11 | 10 | 0.43 | 2.10 | 25.6 |
| BMC12 | 15 | 0.40 | 1.79 | 34.3 |
| BMC13 | 20 | 0.30 | 1.20 | 39.4 |
由表1中显示的数据可以看出，石墨含量高的产品其磨损率和摩擦系数较低。并且由于自润滑耐磨团状模塑料(CBMC)的自润滑机理：石墨具有以下特点1)耐高温：石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。2)润滑性：石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。3)化学稳定性：石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。4)抗热震性：石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。结合石墨以上特性，材料表面一旦受到轻微磨损，材料内部的石墨颗粒会吸附在产品表面形成润滑层，降低产品表面的摩擦系数，从而起到自润滑的效果。
因此自润滑性能随石墨含量的增加而提高。但考虑石墨的加入会降低产品的力学强度，所以胶体石墨粉适合的添加量为10～30份。
实施例2：不同石墨粒径的自润滑耐磨团状模塑料(CBMC)
按配方组分称取：
不饱和聚酯树脂 60 份
聚苯乙烯 40 份
硬脂酸锌 4 份
氢氧化铝 80 份
碳酸钙 80 份
过氧化苯甲酸叔丁酯TBPB 1 份
氢氧化钙 0.8 份
20μm胶体石墨粉 30 份
BYK～330 1 份
6mm玻纤 55 份
12mm玻纤 45 份
其生产过程同实例1，由于石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。表2为选用不同的石墨粒径对自润滑耐磨团状模塑料(CBMC)会产生的不同效果，如加入三种不同的石墨粒径自润滑耐磨团状模塑料(CBMC)成型的CBMC，产品，检测得到的摩擦系数等如表2所示。
表2：
由表2可以看出产品的磨损率和摩擦系数随着胶体石墨粉粒径增大而减小，考虑胶体石墨粉的粒径过大不易分散均匀，而导致材料的各向异性；过小则润滑效果不明显.所以优选添加的石墨粒径为1～38μm。
实施例3：不同玻纤含量的自润滑耐磨团状模塑料(CBMC)
按上述优选配方组分称取：
不饱和聚酯树脂 70 份
聚苯乙烯 30 份
硬脂酸锌 4 份
氢氧化铝 90 份
碳酸钙 70 份
过氧化苯甲酸叔丁酯TBPB 1 份
氢氧化钙 0.8 份
20μm胶体石墨粉 30 份
BYK～330 1 份
6mm玻纤 35 份
12mm玻纤 75 份
其生产过程同实例1，玻纤作为增强材料，对材料力学性能有影响较大，对摩擦磨损性能不起主要作用，但也有一定影响，这主要与玻纤自身的性质及其与基体间界面的粘度有关。加入三种不同的石墨粒径自润滑耐磨团状模塑料(CBMC)成型的CBMC产品，检测得到的摩擦系数等如表3所示。
表3：
由表3可以看出：随玻纤含量增加，摩擦系数增加，磨损率减少，冲击强度上升。这是由于而在摩擦过程中玻纤被剥离，拉拔和剪切，能提供一定的摩擦力矩，材料的断裂吸收能提高，冲击强度增大。但当玻纤含量超过一定临界比例时，基体树脂的量一定，在一定的搅拌强度下，过多玻纤会并束或堆积，基体树脂难以渗透，与基体间的粘结力会下降使得复合材料的组成局部不均匀，形成缺陷，玻纤更容易被剥离和拉拔，玻纤提供的摩擦力矩会下降，摩擦系数减小，冲击强度不升反降。而且由于应用了高含量的纤维，会使模塑料制品成型后难于去除毛边，混合料注射后毛边会与机器表面粘连需要操作人员清洁机器，影响了整个自动化生产过程，而导致材料的各向异性。
以上实施例是对本发明的说明和进一步解释，而不是对本发明的限制，在本发明的精神和权利保护范围内所做的任何修改，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1、一种自润滑耐磨团状模塑料，其特征在于，其预混料含有如下组分：
不饱和聚酯树脂 60～80 份，
低收缩添加剂 20～40 份，且
不饱和聚酯树脂+低收缩添加剂为 100 份，
内脱模剂 3～5 份，
无机填料 140～170 份，
引发剂 0.5～2 份，
增稠剂 0.5～1.5 份，
润滑剂 10～40 份，
增强材料 83.5～188 份，
其中，上述份数均为重量份数。
2、根据权利要求1所述的自润滑耐磨团状模塑料，其特征在于，其预混料含有如下组分：
不饱和聚酯树脂 60～70 份，
低收缩添加剂 30～40 份，且
不饱和聚酯树脂+低收缩添加剂为 100 份，
内脱模剂 4 份，
无机填料 160 份，
引发剂 1 份，
增稠剂 0.8 份，
润滑剂 10～30 份，
增强材料 107.6～174 份，
其中，上述份数均为重量份数。
3、根据权利要求1或2所述的自润滑耐磨团状模塑料，其特征在于，所述低收缩添加剂为聚苯乙烯，内脱模剂硬脂酸锌，引发剂为过氧化苯甲酸叔丁酯，增稠剂为氢氧化钙，润滑剂为胶体石墨粉，增强材料为短切玻纤。
4、根据权利要求1或2所述的自润滑耐磨团状模塑料，其特征在于，所述预混料还含有1～2重量份的助剂。
5、根据权利要求3所述的自润滑耐磨团状模塑料，其特征在于，所述胶体石墨粉为粒径为1～38μm的胶体石墨粉。
6、根据权利要求3所述的自润滑耐磨团状模塑料，其特征在于，所述短切玻纤为长度为6mm和12mm的混合玻璃纤维，两者的重量比为1∶0.5～1∶2。
7、根据权利要求3所述的自润滑耐磨团状模塑料，其特征在于，所述无机填料为氢氧化铝和碳酸钙的混合物，两者的重量比为1∶0.5～1∶1.5。
8、根据权利要求4所述的自润滑耐磨团状模塑料，其特征在于，所述助剂为丙二醇甲醚醋酸酯。
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