CN102382339B - 船舶艉轴承用低噪声纳米/高分子复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船舶艉轴承用低噪声纳米/高分子复合材料及其制备方法，复合材料由基体和自润滑组分经混合压片、硫化而成。基体为丁腈橡胶、超高分子量聚乙烯和聚四氟乙烯混合物；自润滑组分为纳米石墨、纳米二硫化钼、短切聚四氟乙烯纤维、碳纤维及碳纳米管的混合物；自润滑组分/基体的重量比为5～15％。制备方法是将自润滑组分进行表面改性处理，加入到基体混合物中进行预混，预混后再加入过氧化二异丙苯和异丁烯酸甲酯复合硫化剂进行混合，混合均匀后出片模压硫化成型。采用本发明制备的纳米/高分子复合材料是一种低噪声、低摩擦系数、低磨损、长寿命的船舶艉轴承用纳米/高分子复合材料，可有效降低船舶艉部噪声，提高轴系安全性。

Description

船舶艉轴承用低噪声纳米/高分子复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造船舶艉轴承用低噪声纳米/高分子复合材料及其制备方法。

背景技术

船舶艉轴承的润滑主要采用水润滑，而水润滑艉轴承的关键技术是轴承材料的选取。水润滑轴承常采用的材料有：各种金属合金、陶瓷、工程塑料以及橡胶。其中金属合金及陶瓷不符合减振降噪要求；很多工程塑料都具有较好的自润滑性能，如聚四氟乙烯(PTFE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚酰亚胺(PI)，但其减振降噪性能还不够理想，单独使用不能满足低噪声的要求；橡胶具有优异的减振降噪性能，常被作为水润滑轴承使用，在完全水润滑条件下，其具有极低的摩擦系数，然而在干摩擦或边界水润滑时(这种状态在低速航行工况时经常出现)其摩擦系数及磨耗量均快速增大，当在此工作状态持续时间较长时，往往会因摩擦生热而引起烧焦现象，导致材料被破坏，从而使船舶艉部出现异常噪声问题和降低船舶轴系安全性。

因此，研制一种低噪声、低摩擦系数、低磨损、长寿命的船舶艉轴承用纳米/高分子复合材料尤为重要。

发明内容

本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种低噪声、低摩擦系数、低磨损、长寿命、能在边界润滑和于摩擦条件下安全运行，适应船舶使用要求的船舶艉轴承用低噪声纳米/高分子复合材料及其制备方法。

本发明目的的实现方式为，船舶艉轴承用低噪声纳米/高分子复合材料，由基体和自润滑组分均匀混合的复合料经复合硫化剂硫化模压而成，自润滑组分/基体的重量比为5～15％；

所述基体为重量百分比为80～90％丁腈橡胶、5～10％超高分子最聚乙烯和5～10％聚四氟乙烯的混合物；

所述自润滑组分为的重量百分比为35～45％纳米石墨、35～40％纳米二硫化钼、5～10％短切聚四氟乙烯纤维、5～10％碳纤维及4～10％碳纳米管的混合物；

所述复合硫化剂是过氧化二异丙苯和异丁烯酸甲酯，复合硫化剂与基体的重量比为3.5～8％，过氧化二异丙苯与异丁烯酸酯的重量比为1/1。

船舶艉轴承用低噪声纳米/高分子复合材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)将自润滑组分进行表面改性处理，

纳米石墨、纳米二硫化钼表面改性处理：将自润滑组分重量百分比为35～45％的纳米石墨、35～40％纳米二硫化钼置于密封的干粉搅拌器中，以100rpm的转速进行高速搅拌，高速搅拌过程中喷洒浓度为10％的锆铝酸盐与钛酸酯复配溶液，锆铝酸盐与钛酸酯重量比为1/1，待混合30分钟后，取出，在烘箱中100℃下烘2小时后备用；

聚四氟乙烯纤维表面改性处理：将自润滑组分重量百分比为5～10％聚四氟乙烯纤维束通过机械牵引，依次过浓硫酸、蒸馏水、丙酮溶液彻底清洗表面油酯，然后将清洗好的纤维束在短切机上短切为20-30纳米的聚四氟乙烯纤维，再置于γ放射源下辐照处理30分钟，使表面产生羟基等活性基团，接着在于粉混合器中向短切纤维表面喷洒浓度为25％的马来酸酐溶液，对其表面进行接枝反应2小时，接枝完毕后烘干备用；

纳米碳纤维和碳纳米管表面改性处理：将自润滑组分重量百分比为5～10％的纳米碳纤维、4～10％的碳纳米管置于密封的干粉搅拌器中，以100rpm的转速进行高速搅拌，并在高速搅拌过程中喷洒浓度为3％的硅烷偶联剂KH-570溶液，待混合30分钟后，取出，在烘箱中100℃下烘2小时后备用：

(2)在密炼机中加入基体重量百分比为80～90％、5～10％和5～10％的丁腈橡胶、超高分子量聚乙烯和聚四氟乙烯，步骤(1)所备用的改性纳米石墨、纳米二硫化钼、聚四氟乙烯纤维纳米碳纤维和碳纳米管在温度110℃、辊距3～4mm下混炼15分钟，

(3)在开炼机上加入过氧化二异丙苯和异丁烯酸甲酯复合硫化剂，混合10分钟后，按照要求出4mm厚的胶片，

过氧化二异丙苯和异丁烯酸酯复合硫化剂与基体的重量比为3.5～8％，过氧化二异丙苯与异丁烯酸酯的重量比为1/1，

(4)将胶片放入模具中，在160±5℃，压力12±1MPa下硫化成型25分钟即可制得船舶艉轴承用低噪声纳米/高分子复合材料。

采用本发明制备的纳米/高分子复合材料是一种低噪声、低摩擦系数、低磨损、长寿命的船舶艉轴承用纳米/高分子复合材料，可有效降低船舶艉部噪声，提高轴系安全性。

具体实施方式

本发明的船舶艉轴承用低噪声纳米/高分子复合材料由基体和自润滑组分均匀混合组成，自润滑组分/基体的重量比为5/100～15/100。

所述基体为丁腈橡胶、超高分子量聚乙烯和聚四氟乙烯混合物。所述超高分子量聚乙烯的分子量为800～900万，聚四氟乙烯分子量为600～650万。所述丁腈橡胶中丙烯腈含量为42％。

所述自润滑组分为纳米石墨、纳米二硫化钼、短切聚四氟乙烯纤维、碳纤维及碳纳米管的混合物。所述纳米石墨粒径为10-15nm；所述纳米二硫化钼粒径为10-15nm；所述短切聚四氟乙烯纤维长度为20-30nm；所述碳纤维长度为20-30nm，所述碳纳米管直径20-40nm。

实施例1、(1)将自润滑组分进行表面改性处理，

称取10.5g纳米石墨、10.5g纳米二硫化钼，分别放于密封的干粉搅拌器中，以100rpm的转速进行高速搅拌，并在高速搅拌过程中喷洒浓度为10％的锆铝酸盐与钛酸酯复配溶液，锆铝酸盐与钛酸酯重量比为1/1，待混合30分钟后，取出，在100℃烘箱中烘2小时。

将聚四氟乙烯纤维通过机械牵引，依次过浓硫酸、蒸馏水、丙酮溶液彻底清洗表面油酯，牵引速率在50r/min下，然后在短切机上短切为20-30纳米的聚四氟乙烯纤维，短切完毕后将其置于γ放射源下辐照处理，使表面产生羟基等活性基团，接着在干粉混合器中向短切纤维表面喷洒浓度为25％的马来酸酐溶液，对其表面进行接枝成改性聚四氟乙烯纤维，烘干备用。

称取3g纳米碳纤维和3g碳纳米管置于密封的干粉搅拌器中，以100rpm的转速进行高速搅拌，并在高速搅拌过程中喷洒浓度为3％的硅烷偶联剂KH-570溶液，待混合30分钟后，取出，在烘箱中100℃下烘2小时后备用。

改性纳米石墨粒径为10nm、改性纳米二硫化钼粒径为10nm、改性短切聚四氟乙烯纤维长度为20nm、改性碳纤维长度为20nm、改性碳纳米管宜径20nm。

(2)在密炼机中加入160g丁腈橡胶、20g超高分子量聚乙烯、20g聚四氟乙烯，步骤(1)所备用的10.5g改性纳米石墨、10.5g改性纳米二硫化钼、3g改性聚四氟乙烯纤维、3g改性碳纤维和3g改性碳纳米管在温度110℃、辊距3～4mm下混炼15分钟，

超高分子量聚乙烯的分子量为800万，聚四氟乙烯分子量为600万、丁腈橡胶中丙烯腈含量为42％。

(3)在开炼机上加入3.5g过氧化二异丙苯和3.5g异丁烯酸甲酯复介硫化剂，混合10分钟后，按照要求出4mm厚的胶片，

(4)将胶片放入模具中，在155℃，压力11MPa 下硫化成型25分钟即可制得船舶艉轴承用低噪声纳米/高分子复合材料。

制得的复合材料放置1周后测试其摩擦系数。测试结果与国内现用的进口材料摩擦性能及美国军用标准中有关材料性能对比结果见表1。.

表1

表中对比结果表明：采用本发明制备的纳米/高分子复合材料摩擦系数小于国内现用的进口材料的摩擦系数，且摩擦性能满足、甚至超过了美国军用标准要求。

实施例2、同实施例1，不同的是各成分的取量。其中丁腈橡胶170g、超高分子量聚乙烯10g、聚四氟乙烯20g、纳米石墨8g、纳米二硫化钼8g、碳纤维1.2g、碳纳米管2g、短切聚四氟乙烯纤维0.8g、过氧化二异丙苯5g、异丁烯酸甲酯5g。

改性纳米石墨粒径为12nm、改性纳米二硫化钼粒径为13nm、改性短切聚四氟乙烯纤维长度为25nm、改性碳纤维长度为24nm、改性碳纳米管直径30nm。

超高分子量聚乙烯的分子量为850万，聚四氟乙烯分子量为620万、丁腈橡胶中丙烯腈含量为42％。

在开炼机上出4mm厚的胶片，胶片放入模具中，在160℃，压力12MPa 下硫化成型25分钟，即可制得船舶艉轴承用低噪声纳米/高分子复合材料。

制得的复合材料放置1周后测试其摩擦系数。测试结果与国内现用的进口材料摩擦性能及美国军用标准中有关材料性能对比结果见表2。

表2

对比结果表明：本发明的纳米/高分子复合材料摩擦系数小于国内现用的进口材料的摩擦系数，且摩擦性能满足、甚至超过了美国军用标准要求。

实施例3、同实施例1，不同的是各成分的取量。其中丁腈橡胶180g、超高分子量聚乙烯10g、聚四氟乙烯10g、纳米石墨4.5g、纳米二硫化钼4g、碳纤维0.5g、碳纳米管0.5g、短切聚四氟乙烯纤维0.5g、过氧化二异丙苯8g、异丁烯酸甲酯8g。

改性纳米石墨粒径为15nm、改性纳米二硫化钼粒径为15nm、改性短切聚四氟乙烯纤维长度为30nm、改性碳纤维长度为30nm、改性碳纳米管直径40nm。

超高分子量聚乙烯的分子量为900万，聚四氟乙烯分子量为650万、丁腈橡胶中丙烯腈含量为42％。

在开炼机上出4mm厚的胶片，胶片放入模具中，在165℃，压力13MPa下硫化成型25分钟，即可制得船舶艉轴承用低噪声纳米/高分子复合材料。

制得的复合材料放置1周后测试其摩擦系数。测试结果与国内现用的进口材料摩擦性能及美国军用标准中有关材料性能对比结果见表3。

表3

对比结果表明：本发明的纳米/高分子复合材料摩擦系数小于国内现用的进口材料的摩擦系数，且摩擦性能满足、甚至超过了美国军用标准要求。

用实施例3的纳米/高分子复合材料制造了船舶艉部轴承陆上台架试验缩比样机，对缩比轴承进行了545小时的加速磨损试验。

磨损试验条件为：轴承比压0.45MPa，轴的转速为0.27m/s～6.08m/s，润滑水流速为13L/min，运行时间545小时。

整个试验过程未出现异常噪声，试验结束后测出缩比轴承的磨损速率为0.099μm/h，该磨损速率远小于Railko水润滑轴承材料NF22。

加速磨损试验结果表明：本发明的纳米/高分子复合材料磨损速率较小，具有优良的耐磨损性能和较长的使用寿命。

用实施例3的纳米/高分子复合材料制造了船舶艉部轴承1∶2陆上台架试验缩比样机，测试其振动特性，并与国内船舶现用轴承1∶2陆上台架试验样机的噪声特性进行了对比。

对比结果表明：用本发明实施例3的纳米/高分子复合材料制成的船舶艉部轴承1∶2陆上台架试验缩比样机在20～200rpm转速范围内无异常噪声；振动加速度级比现用轴承材料降低10dB以上。

Claims (2)

1.船舶艉轴承用低噪声纳米/高分子复合材料，其特征在于是由下述方法制备的，制备的具体步骤如下：

(1)将自润滑组分进行表面改性处理，

纳米石墨、纳米二硫化钼表面改性处理：将自润滑组分重量比为35～45％的纳米石墨、35～40％纳米二硫化钼置于密封的干粉搅拌器中，以100rpm的转速进行高速搅拌，高速搅拌过程中喷洒浓度为10％的锆铝酸盐与钛酸酯复配溶液，锆铝酸盐与钛酸酯重量比为1/1，待混合30分钟后，取出，在烘箱中100℃下烘2小时后备用；

聚四氟乙烯纤维表面改性处理：将自润滑组分重量百分比为5～10％聚四氟乙烯纤维束通过机械牵引，依次过浓硫酸、蒸馏水、丙酮溶液彻底清洗表面油酯，然后将清洗好的纤维束在短切机上短切为20-30纳米的聚四氟乙烯纤维，再置于γ放射源下辐照处理30分钟，使表面产生羟基等活性基团，接着在干粉混合器中向短切纤维表面喷洒浓度为25％的马来酸酐溶液，对其表面进行接枝反应2小时，接枝完毕后烘干备用；

纳米碳纤维和碳纳米管表面改性处理：将自润滑组分重量百分比为5～10％的纳米碳纤维、4-10％的碳纳米管置于密封的干粉搅拌器中，以100rpm的转速进行高速搅拌，并在高速搅拌过程中喷洒浓度为3％的硅烷偶联剂KH-570溶液，待混合30分钟后，取出，在烘箱中100℃下烘2小时后备用：

(2)在密炼机中加入基体，步骤(1)所备用的改性纳米石墨、纳米二硫化钼、短切聚四氟乙烯纤维、纳米碳纤维和碳纳米管在温度110℃、辊距3～4mm下混炼15分钟；

所述自润滑组分/基体的重量比为5/100～15/100；

所述基体为重量百分比为80～90％丁腈橡胶、5～10％超高分子量聚乙烯和5～10％聚四氟乙烯的混合物；

所述自润滑组分为重量百分比为35～45％纳米石墨、35～40％纳米二硫化钼、5～10％短切聚四氟乙烯纤维、5～10％碳纤维及4～10％碳纳米管的混合物；

(3)在开炼机上加入过氧化二异丙苯和异丁烯酸甲酯复合硫化剂，混合10分钟后，按照要求出4mm厚的胶片；

(4)将胶片放入模具中，在160±5℃，压力12±1MPa下硫化成型25分钟即可制得船舶艉轴承用低噪声纳米/高分子复合材料；

所述复合硫化剂是过氧化二异丙苯和异丁烯酸甲酯，复合硫化剂与基体的重量比为3.5～8％，过氧化二异丙苯与异丁烯酸甲酯的重量比为1/1；

所述超高分子量聚乙烯的分子量为800～900万；

所述丁腈橡胶中丙烯腈含量为42％，聚四氟乙烯分子量为600～650万。

2.根据权利要求1所述的船舶艉轴承用低噪声纳米/高分子复合材料，其特征在于所述纳米石墨粒径为10-15nm，所述纳米二硫化钼粒径为10-15nm，所述短切聚四氟乙烯纤维长度为20-30nm，所述碳纤维长度为20-30nm，所述碳纳米管直径20-40nm。