CN101580753A

CN101580753A - 新型聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101580753A
Application number: CNA2009100723211A
Authority: CN
Inventors: 汪怀远; 朱艳吉
Original assignee: Daqing Petroleum Institute
Current assignee: Daqing Petroleum Institute
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: CN101580753B

Abstract

本发明提供了一种新型聚醚醚酮复合材料，该材料以多孔聚醚醚酮复合材料为基体并向其孔中充填润滑油脂制成；其中多孔聚醚醚酮基体按重量百分比由以下组分原料制成：聚醚醚酮粉末45～90％，聚四氟乙烯粉末0～30％，增强纤维5～40％，造孔剂5～49％；该基体的孔隙率5％－35％，孔径范围0.05～10μm，平均孔径约1.0μm，拉伸强度45－90MPa；同时提供了该材料的制备方法。该材料在摩擦面上可以形成润滑油膜而起到良好润滑作用，从而显著降低摩擦系数、提高材料的耐磨性，适合于高温、真空、辐射、腐蚀等特殊环境下减摩耐磨应用，大幅提高器件的使用寿命。

Description

新型聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种新的自润滑耐磨复合材料，具体的是一种聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料，并同时提供了它的制备方法。

背景技术：

随着对高分子材料使用温度、载荷和耐磨性能要求的提高。一般的高分子自润滑材料(尼龙、聚四氟乙烯等)不再满足使用要求。聚醚醚酮(PEEK)是一种新型的芳香族塑性特种工程塑料，具有高耐热性(熔点344℃)、高强度、高模量、高韧性等优异的综合性能，其出色的耐水解性是聚酰亚胺(PI)所望尘莫及的，可以经受水蒸汽长时间的考验而性能没有明显变化。然而，纯PEEK存在热变形温度偏低、摩擦系数高的缺陷，较高的摩擦系数导致摩擦过程中生热很快，导热困难，聚热严重，温度甚至超过PEEK材料的使用上限而使材料失效。于是，国内外研究者利用聚四氟乙烯、聚苯酯、碳纤维、玻璃纤维、其它微米颗粒、纳米粉体等对其进行共混、填充等改性处理，可以得到性能更好的PEEK合金或PEEK复合材料。但是，仍难以满足高载荷、低摩擦、高耐磨的要求。特别是随着高新技术的发展，仪器设备朝着耐高温、高速、高载、轻量化方向发展，对高性能PEEK自润滑复合材料的需求与日俱增。

大量实践证明，通过传统方法加入固体润滑剂降低摩擦系数的幅度较小，摩擦系数仍然偏高，使得目前PEEK复合材料仍无法满足高速、高载条件下减摩耐磨的使用要求。而直接采用有油润滑则存在污染气体、使催化剂中毒、增加润滑装置导致设备复杂、增加油耗成本等诸多缺点。

中国专利[公开号CN1952092A]涉及了一种聚酰亚胺多孔材料，并采用润滑脂作为润滑剂制备了聚酰亚胺润滑材料。但是，由于只采用易分解的聚乙二醇、柠檬酸等与聚酰亚胺直接复合造孔，强度损失大(由90MPa降到35MPa)、复合材料的磨损率偏高，不能满足高载、高速下减摩耐磨应用。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中普遍存在的问题，提供一种磨损率低、摩擦系数小和自润滑性能优越的新型复合材料。

本发明所解决的另一技术问题是提供了上述自润滑耐磨复合材料的制备方法。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种新型聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料，该材料以多孔聚醚醚酮复合材料为基体并向其孔中充填润滑油脂制成；其中多孔聚醚醚酮基体按重量百分比由以下组分原料制成：聚醚醚酮粉末45～90％，聚四氟乙烯粉末0～30％，增强纤维5～40％，造孔剂5～49％；该基体的孔隙率5％-35％，孔径范围0.05～10μm，平均孔径约1.0μm，拉伸强度45-90MPa。

所述制备多孔聚醚醚酮基体的增强纤维至少包括碳纤维、玻璃纤维、碳纤维布、玻璃纤维布中的一种或几种。

所述制备多孔聚醚醚酮基体的造孔剂为聚乙二醇、尿素、聚甲醛、柠檬酸、甲基纤维素、聚乙烯醇纤维中的一种或几种。

所述制备多孔聚醚醚酮基体的造孔剂优选为聚乙二醇、尿素、聚甲醛、柠檬酸、甲基纤维素、聚乙烯醇纤维中的一种与纳米二氧化硅以任意比例的混合物。

所述的多孔聚醚醚酮基体的制备方法如下：

A、将聚醚醚酮粉末45～90％，聚四氟乙烯粉末0～30％，增强纤维5～40％，造孔剂5～49％，在常温下采用湿法混合、干燥；

B、将A步骤中已经干燥后的复合物料采用冷压烧结成型，冷压烧结成型中冷压压力大小为20-110MPa，烧结过程中，由室温升到110-200℃下保温2-4小时，310-330℃下保温0.5-2小时，升到344-390℃下保温2-6小时，自然降温；升降温的速率为2-5℃/min。

C、清洗孔道。

所述的润滑油脂为锂基润滑脂、膨润土润滑脂、脲基润滑脂、酰胺盐润滑脂、聚苯醚聚脲、聚α烯烃润滑油、羟基硅油、二甲基硅油、压缩机润滑油LDAB-150中的一种或几种的混合物，混合物的混合比例任意，其中润滑油分解温度大于250℃，润滑脂的滴点范围为200℃-350℃。

制备聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料的方法，具体的是将多孔聚醚醚酮基体通过高温真空浸渍或压铸工艺，向孔中注入润滑油脂，其中采用高温浸渍工艺时真空度为0.01bar-0.2bar；采用压铸工艺时渗透时间为4-12小时。

本发明的技术效果是：

本发明的自润滑耐磨聚醚醚酮复合材料，因为在其内部毛细孔中填充了润滑油脂，所以在摩擦过程中润滑油脂可以在载荷和摩擦热的作用下通过微孔毛细作用渗出，在摩擦面上形成润滑油膜而起到良好润滑作用，从而显著降低摩擦系数、提高材料的耐磨性。

又因为纤维增强的聚醚醚酮复合材料本身具有高耐热性(熔点344℃)、高强度、高模量、高韧性等优异的综合性能，所以本发明的自润滑耐磨聚醚醚酮复合材料，适合于高温、真空、辐射、腐蚀性等特殊环境下减摩耐磨应用，如用于制造高温高压压缩机的活塞环、填料环、滑片、导轨、轴承等，可以明显降低摩擦、大幅提高器件的使用寿命。

具体实施方式：

实施例1：

选用60g的PEEK粉末，该聚醚醚酮树脂的拉伸强度为80-120MPa，15g柠檬酸(纯度99.5％)，10g聚四氟乙烯，15g短碳纤维采用湿法混合15min得混合物，干燥。将干燥后的混合粉末装入模具，在压力35MPa冷压成型。180℃下保温3小时，升到320℃下保温1小时，升到365℃下保温3小时，自然降温。用乙醇清洗孔道，所得材料微孔孔隙率为20.5％。在220℃，0.02bar下采用真空浸渍锂基润滑脂(8小时)，得含脂率20.5％PEEK复合材料。将该材料在MPX-2000摩擦磨损试验机上测试摩擦磨损性能，200N，1.4m/s，测试时间2小时。

比较例1：

用相同含量的碳纤维填充PEEK，经冷压烧结制得碳纤维/聚醚醚酮复合材料。摩擦磨损试验条件同上。将实施例1和比较例1的测试结果作比较列于表1：

表1摩擦磨损性能比较

复合材料	磨损率m³/(N·m)	摩擦系数
复合材料	磨损率m³/(N·m)	摩擦系数	实施例1	1.21E-15	0.079
比较例1	12.47E-15	0.138	实施例1	1.21E-15	0.079

实施例2：

选用65g的PEEK粉末，10g聚乙二醇(纯度99.5％)，15g聚四氟乙烯，10g玻璃纤维采用湿法混合15min得混合物，干燥。将干燥后的混合粉末装入模具，在压力40MPa冷压成型。烧结工艺同实施例1。用乙醇清洗孔道，所得材料的微孔孔隙率为16.5％。在200℃，0.1bar下采用真空浸渍膨润土润滑脂12h，得含脂率16.5％PEEK复合材料。摩擦磨损性能测试方法同实施例1。

比较例2：

用相同含量的玻璃纤维填充PEEK，经冷压烧结制得玻璃纤维/聚醚醚酮复合材料。摩擦磨损试验条件同上。将实施例2和比较例2的测试结果作比较列于表2：

表2摩擦磨损性能比较

复合材料	磨损率m³/(N·m)	摩擦系数
复合材料	磨损率m³/(N·m)	摩擦系数	实施例2	1.625E-15	0.07
比较例2	6.2857E-15	0.114	实施例2	1.625E-15	0.07

实施例3：

选用90g的PEEK粉末，5g甲基纤维素(纯度99.5％)，湿法混合10min，干燥。将干燥后的混合粉末与5g碳纤维布复合，在压力110MPa冷压成型。烧结工艺同实施例1。乙醇清洗孔道，所得材料的微孔孔隙率为5.5％。在250℃，0.05bar下采用真空浸渍二甲基硅油6h，得含油率5.5％的PEEK自润滑复合材料。摩擦磨损试验条件同实施例1，摩擦系数0.088，磨损率3.46×10^-15m³/(N·m)。

实施例4：

选用50g的PEEK粉末，30g聚乙二醇、10g二氧化硅(80nm)、10g玻纤布，湿法混合20min，干燥。将干燥后的混合粉末装入模具，在压力50MPa冷压成型。烧结工艺同实施例1。将所得材料置于10％氢氧化钠溶液中150℃水热处理10小时，乙醇清洗孔道，所得材料的微孔孔隙率为32.2％。在250℃，0.01bar下采用真空浸渍羟基硅油(8h)，得含油率32.2％PEEK自润滑复合材料。上述摩擦条件下，摩擦系数0.046，磨损率0.65×10^-15m³/(N·m)。

实施例5：

选用55g的PEEK粉末，8g尿素(纯度99.5％)，37g玻纤，湿法混合20min，干燥。将干燥后的混合粉末装入模具，在压力75MPa冷压成型。烧结工艺同实施例1。乙醇清洗孔道，所得材料的微孔孔隙率为12.4％。在250℃，0.05bar下采用真空浸渍聚苯醚聚脲(6h)，得含脂率12.4％PEEK自润滑耐磨复合材料。

实施例6：

选用45g的PEEK粉末，46g聚甲醛，4g聚四氟乙烯，，湿法混合15min，干燥。将干燥后的混合粉末与5g碳纤装入模具，在压力60MPa冷压成型。烧结工艺同实施例1。乙醇清洗孔道，所得材料孔隙率为23％，采用压铸方法注入聚α烯烃润滑油6h得PEEK自润滑耐磨复合材料。

实施例7：

选用55g的PEEK粉末，10g尿素(纯度99.5％)，，30g聚四氟乙烯，湿法混合15min，干燥。将干燥后的混合粉末与5g玻纤装入模具，在压力80MPa冷压成型。烧结工艺同实施例1。乙醇清洗孔道，所得材料孔隙率为15.4％，压铸锂基润滑脂8h得PEEK自润滑耐磨复合材料。

Claims

1、一种新型聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料，其特征在于：该材料以多孔聚醚醚酮复合材料为基体并向其孔中充填润滑油脂制成；其中多孔聚醚醚酮基体按重量百分比由以下组分原料制成：聚醚醚酮粉末45～90％，聚四氟乙烯粉末0～30％，增强纤维5～40％，造孔剂5～49％；该基体的孔隙率5％-35％，孔径范围0.05～10μm，平均孔径约1.0μm，拉伸强度45-90MPa。

2、按照权利要求1所述的聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料，其特征是：所述制备多孔聚醚醚酮基体的增强纤维至少包括碳纤维、玻璃纤维、碳纤维布、玻璃纤维布中的一种或几种。

3、按照权利要求1所述的聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料，其特征是：所述制备多孔聚醚醚酮基体的造孔剂为聚乙二醇、尿素、聚甲醛、柠檬酸、甲基纤维素、聚乙烯醇纤维中的一种或几种。

4、按照权利要求3所述的聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料，其特征是：所述制备多孔聚醚醚酮基体的造孔剂为聚乙二醇、尿素、聚甲醛、柠檬酸、甲基纤维素、聚乙烯醇纤维中的一种与纳米二氧化硅以任意比例的混合物。

5、按照权利要求1所述的聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料，其特征在于：所述的多孔聚醚醚酮基体的制备方法由以下步骤组成：

C、清洗孔道。

6、按照权利要求1所述的聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料，其特征是：所述的润滑油脂为锂基润滑脂、膨润土润滑脂、脲基润滑脂、酰胺盐润滑脂、聚苯醚聚脲、聚α烯烃润滑油、羟基硅油、二甲基硅油、压缩机润滑油LDAB-150中的一种或几种的混合物，混合物的混合比例任意，其中润滑油分解温度大于250℃，润滑脂的滴点范围为200℃-350℃。

7、制备权利要求1所述的聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料的方法，具体的是将多孔聚醚醚酮基体通过高温真空浸渍或压铸工艺，向孔中注入润滑油脂，其中采用高温浸渍工艺时真空度为0.01bar-0.2bar；采用压铸工艺时渗透时间为4-12小时。