CN101824219B

CN101824219B - 一种金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料

Info

Publication number: CN101824219B
Application number: CN2010101637663A
Authority: CN
Inventors: 曾燮榕; 刘建; 黎晓华; 邹继兆; 盛洪超; 邓飞
Original assignee: Shenzhen University
Current assignee: Shenzhen University
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2030-04-27
Also published as: CN101824219A

Abstract

本发明涉及一种金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料，其包括按重量份计的下列组份：聚苯硫醚50～80％，金属非晶10～50％，固体润滑剂0～40％，加工助剂0～2％。该复合材料含有金属非晶，可明显提高其硬度、自润滑耐磨损性能以及力学性能。

Description

一种金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料

技术领域

本发明涉及有机复合材料领域，尤其涉及一种金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料。

背景技术

目前，随着人们对有机复合材料研究的不断发展，有机复合材料已经逐渐成为人们生活和各个行业中常用的材料之一。其中，聚苯硫醚(PPS)就是一种常用的聚合物材料。

聚苯硫醚是一种半结晶聚合物，属于六大工程塑料之一，也是特种工程塑料的一种，具有优异的综合性能，如自润滑、耐磨、耐腐蚀、耐辐射、耐高温、无毒、机械性能和电性能良好、易于成型加工，还可回收再利用。为了扩大聚苯硫醚的应用领域，提高材料的自润滑性能和耐磨性能，现有的一些技术通过采用高分子材料如聚四氟乙烯、聚甲醛、尼龙等作为填料，提高了聚苯硫醚复合材料的自润滑性能和耐磨性能。但是由于聚合物本身表面能极低，复合材料各组元之间的相容性很差，甚至出现宏观相分离，导致材料的性能难显著以提高。也有利用无机填料如滑石粉、碳酸钙、高岭土、玻璃微珠以及玻璃纤维、碳纤维等增强聚苯硫醚，改善了复合材料的性能。但是无论是高分子填料还是无机非金属填料都存相容性差、界面结合强度低亦或者导热系数低等不足，对材料摩擦磨损性能的进一步提升不利。

发明内容

有鉴于此，提供一种自润滑耐磨、力学性能好的金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料。

一种金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料，其包括按重量份计的下列组份：聚苯硫醚50～80％，金属非晶10～50％，固体润滑剂0～40％，加工助剂0～2％，表面改性剂0.05～0.5％，所述表面改性剂为稀土盐。

上述金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料至少具有以下优点：

1、以聚苯硫醚为基体，填充金属非晶，利用金属非晶界面结合强度高，以及导热系数高、硬度高、耐磨损等特点，与性能优异的聚苯硫醚材料相复合，实现优势互补，能显著提高材料的摩擦磨损性能和力学性能。

2、通过上述配方，复合材料具有自润滑、耐磨损的性能，又有较好的力学性能，实现了功能结构一体化，是良好的功能结构复合材料。

3、该金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料组元简单，给加工成型带来极大方便，提高了生产效率，且产品性能高、质量稳定，复合材料还可回收再利用，节省资源，利于环保，可广泛应用于航天航空、机械电子、汽车家电、化学化工等领域。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料包括按重量份计的下列组份：聚苯硫醚50～80％，金属非晶10～50％，固体润滑剂0～40％，加工助剂0～2％。另外，复合材料还包括重量份为0.05～0.5％％的表面改性剂。具体地，聚苯硫醚的含量优选为55-75％，金属非晶的含量优选为15～35％，固体润滑剂的含量优选为10～20％，表面改性剂的含量优选为1％，加工助剂的含量优选为1％。

在复合材料中，聚苯硫醚作为基体，金属非晶填充于该聚苯硫醚基体中。如前所述，聚苯硫醚具有优异的综合性能，如自润滑、耐磨、耐腐蚀、耐辐射、耐高温、无毒、机械性能和电性能良好、易于成型加工，还可回收再利用。本实施例再加入金属非晶以增强其自润滑耐磨性能，同时提高复合材料的导热系数、硬度及耐磨损性能和力学性能。

具体地，金属非晶分散混合于聚苯硫醚基体，例如以颗粒或粉末或纤维形式分散混合于聚苯硫醚基体中。金属非晶可以为金属非晶粉体、金属非晶球、金属非晶纤维的一种或几种混合物。金属非晶也可以称为非晶态合金或非晶态金属，或者叫金属玻璃，可以是铁基、镍基、钴基、铜基、钛基、锆基、铅基、铝基、镁基非晶合金中的一种或几种混合物，例如铁硅硼金属非晶球、镍硼合金或铁磷碳合金等等。采用金属非晶粉体和/或金属非晶球时，其直径为10纳米～100微米。采用金属非晶纤维时，其可以为短切纤维或长纤维。金属非晶纤维的尺寸分别为：短切纤维长度10微米～10毫米，直径0.1微米～100微米，长纤维直径0.1微米～100微米。

金属非晶表面能高，与聚苯硫醚树脂结合力强，能极大提高复合材料的力学性能。并且金属非晶导热率高、硬度高，耐磨性能极佳，有利于提升复合材料的导热性能、硬度和摩擦磨损性能。

固体润滑剂可以为聚四氟乙烯、二硫化钼、石墨、软金属粉中的一种或几种混合物，软金属粉为铜、锌、锡及合金黄铜、青铜、紫铜中的一种或几种混合物。通过加入固体润滑剂，能够克服油润滑的缺陷，减少污染，扩大复合材料的使用范围，例如，可在高真空和避免油污的环境中使用。

表面改性剂为偶联剂和稀土盐溶液的一种或几种混合物。表面改性剂的添加可以改善固体润滑剂与聚苯硫醚树脂基体的相容性，增加他们之间的粘着强度，有助于提高复合材料力学性能。偶联剂可以是例如硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂等。稀土盐为镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、镥、钪或钇等的可溶性盐，具体应用时可通过将浓度为0.01～1mol/L的稀土盐溶液处理金属非晶表面而形成，以进一步提高界面结合强度，并形成柔性的界面，提高材料的韧性。因此，当表面改性剂采用稀土盐溶液时，实际上是指将金属非晶表面经过稀土盐溶液进行表面处理，也即，金属非晶具有经过浓度为0.01～1mol/L可溶性稀土盐溶液进行处理的表面。

加工助剂可以为脂肪酸、硬脂酸锌、硅酮粉中的一种或几种混合物，其作用在于，能有效改善复合材料加工时各组份之间的分散性，减小聚苯硫醚树脂熔体的内摩擦，提高塑料注件的表面光泽，解决脱模难的问题。

上述金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料的制造方法包括如下过程：

将按照重量份数计的聚苯硫醚50～80％、金属非晶10～50％、固体润滑剂0～40％、加工助剂0～2％分散混合，形成混合料；

将混合料进行模压成型，或者通过熔融挤出、切粒，形成所述金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料。

混合时，还可加入重量份为0.05～0.5％的表面改性剂。具体混合过程如下：将上述配比的聚苯硫醚、金属非晶、固体润滑剂、表面改性剂、加工助剂按比例经高速混料机分散混合均匀，形成混合料。表面改性剂采用稀土盐时，金属非晶在混合时可通过浓度为0.01～1mol/L可溶性稀土盐溶液进行表面处理。

其中，模压成型是以5～10℃/min加热到280～340℃，保温30～60min，再降温到280～150℃之间保温3～6h，最后随炉冷却。熔融挤出是通过双螺杆熔融挤出、切粒，还可进一步包装成品。挤出时螺筒各段温度在260～340℃之间，注塑压力在50～100MPa，中速注塑。

本实施例的金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料主要优势有如下几点：

1、以聚苯硫醚为基体，填充金属非晶，利用金属非晶界面结合强度高，以及导热系数高、硬度高、耐磨损的特点，与性能优异的聚苯硫醚材料相复合，实现优势互补，能显著提高材料的摩擦磨损性能和力学性能。

3、该复合材料组元简单，给加工成型带来极大方便，提高了生产效率，且产品性能高、质量稳定，复合材料还可回收再利用，节省资源，利于环保，可广泛应用于航天航空、机械电子、汽车家电、化学化工等领域。

另外，当采用稀土盐溶液处理金属非晶表面时，可进一步提高金属非晶与其它材料界面结合强度，并形成柔性的界面，提高复合材料的韧性。

实施例1

将75g聚苯硫醚、15g铁硅硼金属非晶球、10g二硫化钼混合均匀，模压成型，温度程序为：5℃/min加热到320℃，保温60min，在降温到230℃保温3h，最后随炉冷却。复合材料的结晶度为40％，摩擦系数为0.18，磨损率为3.92×10^-14m³/(N.m)，环状试样径向压溃强度27MPa。

实施例2

将65g聚苯硫醚、25g铁硅硼金属非晶球、10g二硫化钼混合均匀，模压成型，温度程序为：5℃/min加热到310℃，保温45min，在降温到190℃保温4h，最后随炉冷却。复合材料的结晶度为33％，摩擦系数为0.14，磨损率为2.51×10^-14m³/(N.m)，环状试样径向压溃强度26MPa。

实施例3

将55g聚苯硫醚、35g铁硅硼金属非晶球、10g二硫化钼混合均匀，模压成型，温度程序为：5℃/min加热到300℃，保温30min，在降温到280℃保温5h，最后随炉冷却。复合材料的结晶度为25％，摩擦系数为0.19，磨损率为1.98×10^-14m³/(N.m)，环状试样径向压溃强度30MPa。

实施例4

将55g聚苯硫醚、35g铁硅硼金属非晶球、10g二硫化钼、1g KH560硅烷偶联剂混合均匀，模压成型，温度程序为：5℃/min加热到310℃，保温30min，在降温到190℃保温6h，最后随炉冷却复合材料的结晶度为36％，摩擦系数为0.14，磨损率为5.01×10^-14m³/(N.m)，环状试样径向压溃强度27MPa。

实施例5

将65g聚苯硫醚、25g铁硅硼金属非晶球、10g二硫化钼、1gKH560硅烷偶联剂混合均匀，模压成型，温度程序为：5℃/min加热到300℃，保温60min，在降温到280℃保温3h，最后随炉冷却复合材料的结晶度为35％，摩擦系数为0.19，磨损率为6.8×10^-14m³/(N.m)，环状试样径向压溃强度25MPa。

实施例6

将55g聚苯硫醚、35g铁硅硼金属非晶球、10g二硫化钼、0.1mol/L稀土溶液混合均匀，模压成型，温度程序为：5℃/min加热到340℃，保温30min，在降温到150℃保温3h，最后随炉冷却复合材料的结晶度为43％，摩擦系数为0.14，磨损率为1.28×10^-14m³/(N.m)，环状试样径向压溃强度35MPa。

实施例7

将75g聚苯硫醚、15g铁硅硼金属非晶球、10g二硫化钼、0.2mol/L稀土溶液混合均匀，模压成型，温度程序为：5℃/min加热到300℃，保温45min，在降温到250℃保温3h，最后随炉冷却复合材料的结晶度为45％，摩擦系数为0.17，磨损率为1.87×10^-14m³/(N.m)，环状试样径向压溃强度30MPa。

由以上实施例可知，该复合材料的摩擦系数在0.14-0.19的范围内，摩擦系数较小，磨损率在1.28-6.8×10^-14m³/(N.m)的范围内，最高可承受35Mpa的径向压强。这些数据表明本发明实施例的复合材料具有良好的自润滑性能、较低的磨损率(即耐磨损性能好)，以及耐压性能好等优点。因此，通过添加金属非晶，明显提高其硬度、耐磨损性能以及力学性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料，其包括按重量份计的下列组份：聚苯硫醚50～80％，金属非晶10～50％，固体润滑剂0～40％，加工助剂0～2％，表面改性剂0.05～0.5％，所述表面改性剂为稀土盐。

2.如权利要求1所述的金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料，其特征在于，所述金属非晶为金属非晶粉体、金属非晶球、金属非晶纤维中的一种或几种混合物。

3.如权利要求1所述的金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料，其特征在于，所述金属非晶为铁基、镍基、钴基、铜基、钛基、锆基、铅基、铝基、镁基非晶合金中的一种或几种混合物。

4.根据权利要求2所述的金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料，其特征在于，所述金属非晶粉体和/或金属非晶球的直径为10纳米～100微米。

5.如权利要求1所述的金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料，其特征在于，所述固体润滑剂为聚四氟乙烯、二硫化钼、石墨、软金属粉中的一种或几种混合物。

6.如权利要求5所述的金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料，其特征在于，所述软金属粉为铜、锌、锡及合金黄铜、青铜、紫铜中的一种或几种混合物。

7.如权利要求1所述的金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料，其特征在于，所述稀土盐为镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、镥、钪或钇的可溶性盐。

8.如权利要求1所述的金属非晶增强聚苯硫醚自润滑耐磨复合材料，其特征在于，所述金属非晶具有经过浓度为0.01～1mol/L可溶性稀土盐溶液进行处理的表面。