CN101386701A - 一种耐磨自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明叙述了一种耐磨自润滑复合材料及其制备方法。材料的原料重量百分比为：聚苯酯细粉5～30％，锡青铜纤维10～45％，玻璃微珠、球形SiO₂或Al₂O₃微粒2～15％以及余量的悬浮PTFE树脂模塑粉。材料可以应用于发动机的油浴动密封，高压水泵动密封的制件。另外，在一些粉尘或挥发性溶剂较大的工作场合，该材料也可用作有抗静电需求的滑动部件或动密封件，比如煤矿、化工车间等。此外，该材料还适用于超低温～高温下的禁油高耐磨自润滑部件，比如超低温制冷机、液体燃料泵、制氧设备、高温干燥机、炉内传送带、医药、食品等。

Description

一种耐磨自润滑复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐磨自润滑复合材料及其制备方法。

背景技术

聚四氟乙烯(PTFE)除了具有优异的耐高、低温性能和化学稳定性以外，还具有独特的自润滑性能，它的摩擦系数极低，在已知塑料中是最低的，甚至比尼龙、聚甲醛或超高分子量聚乙烯也要低许多，其静摩擦系数和动摩擦系数非常接近。而且PTFE的摩擦系数在327℃～超低温的宽广温区内几乎保持不变，只有当制品的表面温度高于它的熔点327℃时，才显著增大。另外，在高速和高载共同作用时，它的静摩擦系数要小于动摩擦系数，这使它的零部件从静态进入动态时的启动运行十分平稳。因此，PTFE被认为是聚合物中最适合用作自润滑零部件的材料。

PTFE虽然具有卓越的综合性能，但不可避免的存在着一些不足之处。比如PTFE虽然摩擦系数极小，但表面耐磨性却很差，而且对摩材料的材质和表面粗糙度对PTFE的磨耗也有很大的影响，据报道，PTFE与铝合金对摩时的相对磨耗要比与碳钢对摩时的磨耗大20～50倍。并且PTFE线胀系数较大，尺寸稳定性、导热性、硬度、刚度等比其他工程塑料差，在较大负荷下表现出的“冷流”现象等缺点限制了它的应用。

为了克服和改变这些缺点，常采用填充填料的方法对PTFE进行改性，使改性后的PTFE基复合材料具有优异的综合性能，其中尤其关注的是在不降低其自润滑性能的前提下，显著提高其耐磨性。如：中国科学技术大学在CN1786070A专利中以PTFE为基体，添加聚丙烯腈等粉末，浙江大学在CN1775846A专利中向PTFE添加二硫化钨纳米管和二硫化钼纳米管，南京航空航天大学在CN1740226A专利中向PTFE添加二硫化钼和纳米氧化铝，上海交通大学在CN1699464A专利中添加纳米Si₃N₄，浙江大学在CN1176153C专利中添加碳纳米管，都是为了提高聚四氟乙烯材料的耐磨性和耐高温性能。当然还有使用石墨、云母、碳纤维、玻璃纤维、聚酰亚胺等填料的文章报道。但是这些填料各有不足之处，如：聚丙烯腈的耐温性不高，在150～420℃，其分解失重占总失重的80～90％；而二硫化物纳米管、纳米Si₃N₄、碳纳米管、碳纤维、聚酰亚胺等价格昂贵；云母、玻璃纤维等对PTFE的耐磨性改善程度有限；石墨和二硫化钼必须与其它填料混合使用。因此，选择性优价廉的合适填料，显著提高PTFE的耐磨性依然是一个非常重要和迫切的课题。

另外，根据静电学理论，聚合物本身是高绝缘的，因而经摩擦后易产生带电现象，这种静电轻则吸附灰尘影响摩擦学性能和使用寿命，重则引起火灾等重大事故。因此，消除静电的有效方法之一就是选择高导电填充物对聚合物进行改性以提高其表面导电性或体积电导率，这种填充法省力、经济，无需二次加工或特殊设备，且抗静电性能稳定。因此，采用填充法提高聚合物的导电性，从而消除积累在高聚物表面的静电和防止高聚物表面产生静电作用，已成为当今高分子材料研究的一个热门话题。

目前国内外十分鲜见关于采用聚苯酯、锡青铜纤维和球形无机微粒的复合填料改性PTFE的报道。而且，虽然中国科学技术大学在CN1817960A专利中报道了可以通过电子束或γ射线电离辐射提高聚四氟乙烯材料的耐磨性，但至今未发现关于用等离子体对PTFE材料表面处理后涂敷固体润滑剂的报道。

发明内容

本发明的目的在于协同利用聚苯酯、锡青铜纤维和球形无机微粒各自的优点，在继续改善PTFE自润滑性能的同时，显著提高其耐磨性能，同时赋予材料良好的导电性使其具有抗静电的能力，并且提供一种耐磨自润滑复合材料的制备方法。然后用等离子体处理自润滑零部件工作表面，再涂敷合适的固体润滑剂，以减少磨合期的磨损。

聚苯酯在较大的温度范围内具有很高的刚性，极高的耐压缩蠕变性，易切削加工；同时有很高的承受负荷的能力，良好的自润滑性及导热性，与PTFE可按任何比例共混并冷压烧结成型。将聚苯酯加入纯PTFE中可显著提高其耐磨性，磨损量只有纯PTFE的20％～40％，但对摩擦系数影响不大。

锡青铜纤维具有导电性好、减摩耐磨性好、价格适中、加工容易、塑性和韧性较好等优点；并且和金属粉末相比，金属纤维长径比大，因而比金属粉末更能有效地连接形成网络结构，同时由于形成网络时的搭接次数多，因而使接触电阻减少很多，所以较少的金属纤维用量即可赋予复合材料优良的导电性能，从而使其具有抗静电性。一般来说，当聚合物电阻率小于10⁷Ω·cm时，即可达到抗静电要求。将锡青铜纤维加入PTFE中可显著提高其高载下的耐磨性，并且在初期磨合后其磨损量随着行程的增加增量极小。

玻璃微珠作为球形颗粒，具有孔隙率低、填充量高等优点，作为填料不存在像加入不规则形状或带有棱角粒料所造成的降低复合材料力学性能的应力集中现象，并且价格相对低廉。而且摩擦过程中球形颗粒在摩擦面上起到滚珠效应，可以有效地起到减摩耐磨的作用。球形SiO₂和Al₂O₃微粒也具有同样的效果。

大多数自润滑材料的磨损都主要发生在磨损初期，即磨合期，一是因为此时在摩擦副对偶的工作面上还未形成转移膜，需要通过自润滑材料不断磨损形成磨屑，然后转移在对偶上形成转移膜；二是因为对偶工作面的粗糙度还未达到理想要求。因此，为了使所研制的自润滑零部件在磨损初期易于向对偶的工作面转移润滑膜并减少自我牺牲式的磨损，形成固体润滑剂膜—自润滑材料的摩擦。选择用等离子体在一定真空度下处理自润滑零部件工作表面后涂敷复合固体润滑剂，从而减少磨合期自润滑零部件的磨损。

一种耐磨自润滑复合材料，其特征在于材料的原料重量百分比为：聚苯酯细粉5～30％，锡青铜纤维10～45％，玻璃微珠、球形SiO₂或Al₂O₃微粒2～15％以及余量的悬浮PTFE树脂模塑粉。

本发明所采用的聚苯酯细粉的粒径小于40μm。

本发明所采用的锡青铜纤维长度为100～400μm，直径为60～90μm。

本发明所采用的玻璃微珠、球形SiO₂或Al₂O₃微粒的粒径小于10μm。

本发明所采用的悬浮PTFE树脂模塑粉的粒径为10～50μm。

本发明的耐磨自润滑复合材料的制备方法，依次包括如下步骤：

A、将聚苯酯细粉5～30％，锡青铜纤维10～45％，玻璃微珠、球形SiO₂或Al₂O₃微粒2～15％以及余量的悬浮PTFE树脂模塑粉混合，装入模具内，在40～80MPa下，保压1～10min，压制成型；

B、把制品放入高温烧结炉中，烧结阶段速率50～100℃/h，在330℃保温1～1.5h，然后升温至370～385℃，保温时间2-3小时；

C、将制品放入丙酮中，用超声波清洗，然后把非工作面保护起来，露出摩擦工作表面，放入等离子体中，于3～6Pa的真空下处理3～20min后，立即涂敷石墨或MoS₂固体润滑剂粉末，并打磨光亮，此时表面上形成一层致密均匀的黑色薄膜。

本发明的优点和积极效果是：按上述配方及制备方法制备的耐磨自润滑复合材料，相比于一般填充聚四氟乙烯材料，具有高耐磨、自润滑、高载磨损少，磨合期短、抗静电、抗压缩蠕变的特性。在封油或封水的动密封部件中，由于球形微粒的滚珠效应，更是具有明显的高耐磨和自润滑特性，可应用于发动机的油浴动密封，还有应用于高压水泵动密封的制件。另外，在一些粉尘或挥发性溶剂较大的工作场合，该材料也可用作有抗静电需求的滑动部件或动密封件，比如煤矿、化工车间等。此外，该材料还适用于超低温～高温下的禁油高耐磨自润滑部件，比如超低温制冷机、液体燃料泵、制氧设备、高温干燥机、炉内传送带、医药、食品等。

具体实施方式

实施例1

实施例1的配方

 

原料	PTFE	聚苯酯	锡青铜纤维	玻璃微珠
					重量百分比(wt％)	60	10	20	10

按上述配方制备的耐磨自润滑复合材料，其制备方法依次包括如下步骤：

A、将聚苯酯细粉5～30％，锡青铜纤维10～45％，玻璃微珠、球形SiO₂或Al₂O₃微粒2～15％以及余量的悬浮PTFE树脂模塑粉混合，装入模具内，在40～80MPa下，保压1～10min，压制成型；

B、把制品放入高温烧结炉中，烧结阶段速率50～100℃/h，在330℃保温1～1.5h，然后升温至370～385℃，保温时间2-3小时；

C、将制品放入丙酮中，用超声波清洗，然后把非工作面保护起来，露出摩擦工作表面，放入等离子体中，于3～6Pa的真空下处理3～20min后，立即涂敷石墨或MoS₂固体润滑剂粉末，并打磨光亮，此时表面上形成一层致密均匀的黑色薄膜。

实施例1的产品与纯聚四氟乙烯的性能对比

注：按照国标GB 3960—83测试材料的摩擦磨损性能，室温下干摩擦，对偶为GCr15钢环。

该材料适合应用于油浴中的高耐磨、自润滑或动密封要求的部件。

实施例2

实施例2的配方

 

原料	PTFE	聚苯酯	锡青铜纤维	玻璃微珠
					重量百分比(wt％)	55	10	30	5

按上述配方制备的高耐磨自润滑复合材料，其制备方法同实施例1。

实施例2的产品与纯聚四氟乙烯的性能对比

该材料适合应用于水中的耐磨、自润滑或动密封要求的部件，如高压水泵动密封部件等。

实施例3

实施例3的配方

 

原料	PTFE	聚苯酯	锡青铜纤维	球形SiO2
					重量百分比(wt％)	45	13	40	2

按上述配方制备的高耐磨自润滑复合材料，其制备方法同实施例1。

实施例3的产品与纯聚四氟乙烯的性能对比

该材料适合应用于粉尘较大，有抗静电需求的场合，如煤矿的传动部件或密封部件。

实施例4

实施例4的配方

 

原料	PTFE	聚苯酯	锡青铜纤维	Al2O3微粒
					重量百分比(wt％)	57	25	15	3

按上述配方制备的高耐磨自润滑复合材料，其制备方法同实施例1。

实施例4的产品与纯聚四氟乙烯的性能对比

该材料适合应用于化工设备的传动或动密封部件。

实施例5

实施例5的配方

 

原料	PTFE	聚苯酯	锡青铜纤维	玻璃微珠
					重量百分比(wt％)	40	5	45	10

按上述配方制备的高耐磨自润滑复合材料，其制备方法同实施例1。

实施例5的产品与纯聚四氟乙烯的性能对比

该材料适合应用于高温下的传动或动密封部件，如高温干燥机或传送带等。

Claims (6)

1、一种耐磨自润滑复合材料，其特征在于材料的原料重量百分比为：聚苯酯细粉5～30％，锡青铜纤维10～45％，玻璃微珠、球形SiO₂或Al₂O₃微粒2～15％以及余量的悬浮PTFE树脂模塑粉。

2、根据权利要求1所述的材料，其特征在于聚苯酯细粉的粒径小于40μm。

3、根据权利要求1所述的材料，其特征在于锡青铜纤维长度为100～400μm，直径为60～90μm。

4、根据权利要求1所述的材料，其特征在于玻璃微珠、球形SiO₂或Al₂O₃微粒的粒径小于10μm。

5、根据权利要求1所述的材料，其特征在于悬浮PTFE树脂模塑粉的粒径为10～50μm。

6、根据权利要求1所述的材料的制备方法，其特征在于该方法依次包括如下步骤：

A、将聚苯酯细粉5～30％，锡青铜纤维10～45％，玻璃微珠、球形SiO₂或Al₂O₃微粒2～15％以及余量的悬浮PTFE树脂模塑粉混合，装入模具内，在40～80MPa下，保压1～10min，压制成型；

B、把制品放入高温烧结炉中，烧结阶段速率50～100℃/h，在330℃保温1～1.5h，然后升温至370～385℃，保温时间2-3小时；

C、将制品放入丙酮中，用超声波清洗，然后把非工作面保护起来，露出摩擦工作表面，放入等离子体中，于3～6Pa的真空下处理3～20min后，立即涂敷石墨或MoS₂固体润滑剂粉末，并打磨光亮，此时表面上形成一层致密均匀的黑色薄膜。