CN102504478A - 多级孔聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级孔聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料及其制备方法，解决了聚醚醚酮多孔材料造孔方式简单，孔道结构过于单一的问题；该材料是在聚醚醚酮内添加微米及纳米造孔剂后烧结成型作为基体，然后向基体内部的孔中充填润滑油或脂制成，所述纳米造孔剂是比表面≥50m²/g的介孔氧化钛晶须、分子筛或碳纳米管中的一种或者几种的混合物。本申请复合材料在摩擦过程中，在摩擦面上形成稳定的润滑油膜，具有稳定良好的润滑作用，适用于高温、真空、腐蚀、辐射等特殊环境下应用，可以明显降低摩擦，大幅度提高器件的使用寿命。

Description

多级孔聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型的聚醚醚酮复合材料，同时还涉及该材料的制备方法。

背景技术

随着航空航天、电子电气、机械制造、交通运输等工业部门对高性能塑料的耐磨性，耐温性等提出了越来越苛刻的要求。聚醚醚酮（PEEK）是一种新型的半晶态芳香族塑性特种工程塑料，具有高耐热性、高强度、高模量、高韧性、机械强度高等优异的综合性能。然而，纯PEEK存在摩擦系数高、热变形温度偏低的缺陷，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。为了降低材料的摩擦系数，从而解决摩擦过程中生热快、聚热严重等问题，国内外研究者利用固体润滑剂、纤维、微米颗粒等对其进行共混、填充等增强改性处理；也有研究者用纳米粉末对聚醚醚酮进行共混、增强改性处理，一定程度上降低了材料的摩擦系数，增加了材料的耐磨性。但是，仍然难以满足高温、高载荷、耐腐蚀、耐磨损的要求。

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；中国专利（公开号CN101580753A）涉及了一种聚醚醚酮多孔材料，并采用润滑油脂作为润滑剂制备了聚醚醚酮自润滑材料。但是它们只使用了单一尺度的造孔剂，且造孔方式简单，导致孔道结构过于单一，造孔剂含量较低时，复合材料内部会存在不连通的封闭孔，孔隙率低，影响注油效果，得到的含油脂复合材料的含脂率较低，同时也会影响油脂输送；而造孔剂含量高时，大量微米级孔连通导致漏油、甩油严重，难以保证长时间供油，使得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

本发明的目的是提供一种自润滑耐磨聚醚醚酮复合材料，该材料内部的孔道能形成三维连通的网络空间，在压力和温度作用下，基体内充填的润滑油脂可通过连通的微米及纳米孔道均匀连续的渗出，具有摩擦系数小、磨损率低和自润滑耐磨性能优越等特点。

本发明的另一个目的是提供本申请多级孔聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料的制备方法。

为实现上述发明目的，本申请采用的技术方案是：多级孔聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料，所述复合材料是在聚醚醚酮内添加微米造孔剂后烧结成型作为基体，然后向基体内部的孔中充填润滑油或脂制成，其特征是：组成基体的材料内还含有纳米造孔剂，所述纳米造孔剂是比表面≥50 m²/g的介孔氧化钛晶须、分子筛或碳纳米管中的一种或者几种的混合物，混合物的混合比例任意。

上述分子筛纳米造孔剂，优选其型号为MCM-41、SBA-15或β沸石。

  优选上述复合材料，组成基体的材料内纳米造孔剂的量，按照质量百分比为 0.1～10wt% 。

  优选上述复合材料，组成基体的材料内还添加有聚四氟乙烯固体润滑剂。

  进一步优选上述复合材料，其基体材料按照质量百分比由以下组分组成：

聚醚醚酮                            50～89wt%   

聚四氟乙烯                          0～30wt%

纳米造孔剂                          0.1～10wt%  

微米造孔剂                          10～40wt%

所述微米造孔剂至少包括氯化钠、聚乙二醇、尿素、甲基纤维素、柠檬酸中的一种或几种的混合物，混合物的混合比例任意。

  本发明的多级孔聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料的制备方法是：

A、根据基体材料组成 ，将所需要的原料机械混匀后120℃下干燥2-4小时；

B、将经步骤A处理的复合物料进行热压或冷压烧结成型，制成复合材料的基体；

C、清洗基体内的微米孔；

D、向基体中充填润滑油或脂。

  上述制备方法中步骤B中的烧结成型工艺，其中热压烧结成型工艺为：热压温度370℃，压力10-30MPa下保温0.5-2小时，冷却至110℃后脱模；冷压烧结成型工艺为：冷压压力大小为40-120MPa，343-375℃下烧结2-6小时，自然降温；热压或冷压烧结成型工艺中升降温的速率为2-5℃/min。

上述制备方法中步骤D充填充填润滑油或脂采用高温真空浸渍或压铸工艺，其中采用高温浸渍工艺时真空度为0.01-0.2bar；采用压铸工艺时油脂渗透时间为2-24小时。

所述制备方法中步骤D充填的润滑油脂为通用锂基润滑脂、HP高温润滑脂、二甲基硅油、羟基硅油中的一种或者几种的混合物，混合物的混合比例任意，其中润滑油分解温度大于140℃，润滑脂的滴点范围为150-350℃。

   本发明的设计思想：本申请的复合材料，组成其基体的材料中另外含有的纳米造孔剂，是具有孔道及空腔结构特征的含纳米孔材料，如介孔氧化钛晶须为纤维形貌的氧化钛，且晶须自身含2-50nm范围的孔；分子筛是由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成的孔道和空腔体系（孔径为0.3~50.0 nm）；碳纳米管是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级）的一维材料（管的内径为1~50.0 nm）。因为纳米造孔剂具有上述结构特征，使得该纳米造孔剂在复合材料内具有多重作用。首先它可以连通复合材料内部尺寸较大的微孔、封闭孔，构筑连通的三维空间网络结构，起到更好的输送油脂的作用；其次，与碳纤维增强改性PEEK相比，由于碳纤维尺寸粗大、硬度高，磨粒磨损明显，而含纳米孔道的纳米造孔剂能起到微区增强的作用，孔道可以收集储存部分磨屑、减少磨粒磨损。此外，有利于在摩擦面上形成薄层油膜润滑，且随着表层的油膜的消耗，在载荷和摩擦热耦合的作用下，纳米及微米多级复合孔可以更好的输送润滑油脂，控制油脂释放速度，解决长时间的润滑耐磨问题。

本发明的有益效果：本发明的多级孔聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料，因为其内部有大的微米孔道能储存润滑油脂，而纳米造孔剂通过自身纳米孔将大的微孔连通起来，在复合材料内部构成三维连通的网络空间。在摩擦过程中，润滑油脂可以在载荷和摩擦热的耦合作用下通过连通的纳米孔道均匀连续的渗出，在摩擦面上形成稳定的润滑油膜，最终起到稳定良好的润滑作用，解决了实际应用中聚醚醚酮聚热严重、散热难等问题。所以本发明的多级孔聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料，适用于高温、真空、腐蚀、辐射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、滑片、轴承、导轨、填料环等，可以明显降低摩擦、大幅度提高器件的使用寿命。

具体实施方式

实施例1：

基体材料选用50g的聚醚醚酮粉末，30gNaCl，15g聚四氟乙烯，5g介孔氧化钛晶须机械混匀后，干燥3小时。将干燥的混合粉末装入模具，在压力为10MPa热压成型。370℃下保温2小时。用蒸馏水超声洗涤孔道。在150℃，0.1bar下采用真空浸渍通用锂基脂12小时，得到含脂率27.2%聚醚醚酮复合材料。将该材料在MPX-2000摩擦磨损试验机上测试摩擦磨损性能，测试条件200N、1.4m/s，测试时间2小时。

比较例1：

基体材料选用50g聚醚醚酮，30gNaCl，15g聚四氟乙烯，5g无孔氧化钛晶须，烧结条件同实施例1，然后清洗孔道及真空浸渍，制得含脂率20.7%聚醚醚酮复合材料。摩擦磨损试验条件同实施例1。

比较例2：

基体材料选用70g聚醚醚酮，30gNaCl，经热压烧结、孔道清洗及真空浸渍处理，制得含脂率24.1%聚醚醚酮复合材料，热压烧结条件同实施例1。摩擦磨损试验条件同实施例1。

比较例3：

基体材料选用85g聚醚醚酮，15g碳纤维，热压烧结制得聚醚醚酮复合材料。热压烧结条件同实施例1。摩擦磨损实验条件同实施例1。

将实施例1和比较例1、比较例2、比较例3的摩擦磨损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
			实施例1	1.07E-16	0.019
比较例1	15.8E-16	0.027
			比较例2	19.5E-16	0.0278
比较例3	87.6E-16	0.186

实施例2：

基体材料选用65g聚醚醚酮粉末，30g聚乙二醇(纯度99.5%)，5gβ沸石混匀，干燥3小时。100MPa冷压成型，370℃下烧结6小时自然降温。用乙醇、蒸馏水洗涤孔道。在150℃，0.07bar下采用真空浸渍通用锂基脂，得到含脂率18.2%聚醚醚酮复合材料。测试条件150N、1.4m/s，2小时测试摩擦磨损性能。

比较例4：

基体材料选用100g聚醚醚酮，经冷压烧结制得纯聚醚醚酮材料。冷压烧结条件同实施例2。摩擦磨损试验条件同实施例2。将实施例2和比较例4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
			实施例2	9.11E-16	0.0247
比较例4	98.73E-16	0.158

实施例3：

基体材料选用65g的聚醚醚酮粉末，30g柠檬酸(纯度99.5%)，5g碳纳米管机械混匀，干燥3小时。120MPa冷压成型，烧结工艺同实施例2。乙醇清洗孔道，所得材料的孔隙率为19.3%。压铸二甲基硅油10小时，得含油率19.3%的聚醚醚酮自润滑复合材料。100N, 1.4m/s，测试时间2小时。摩擦系数为：0.0351，磨损率为：5.7×10^-16 m³/( N·m)。

实施例4：

基体材料选用70g的聚醚醚酮粉末，20g甲基纤维素，10g介孔氧化钛晶须机械混匀，干燥3小时。50MPa冷压成型，烧结工艺同实施例2。乙醇清洗孔道，所得材料的孔隙率为28.3%。在150℃，0.05bar下采用真空浸渍HP高温脂24小时，得含油率28.3%的聚醚醚酮自润滑复合材料。摩擦磨损试验条件同实施例1，摩擦系数为0.0235，磨损率为：7.65×10^-16 m³/( N·m)。

实施例5：

基体材料选用40g的聚醚醚酮粉末，40gNaCl，10g聚四氟乙烯，10g介孔氧化钛晶须机械混匀，干燥3小时。40MPa冷压成型，烧结工艺同实施例2。清洗孔道，所得材料的孔隙率为46.2%。在150℃，0.03bar下采用真空浸渍二甲基硅油8小时，得含油率46.2%的聚醚醚酮自润滑复合材料。

实施例6：

基体材料选用59.9g的聚醚醚酮粉末，10gNaCl，30g聚四氟乙烯，0.1g SBA-15或MCM-41机械混匀，干燥3小时。将干燥后的混合粉末在压力120MPa冷压成型。烧结工艺同实施例2。清洗孔道，所得材料的孔隙率为6.8%。压铸二甲基硅油24小时，得含油率6.8%的聚醚醚酮自润滑复合材料。

Claims (9)

1.多级孔聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料，所述复合材料是在聚醚醚酮内添加微米造孔剂后烧结成型作为基体，然后向基体内部的孔中充填润滑油或脂制成，其特征是：组成基体的材料内还含有纳米造孔剂，所述纳米造孔剂是比表面≥50 m²/g的介孔氧化钛晶须、分子筛或碳纳米管中的一种或者几种的混合物，混合物的混合比例任意。

2.按照权利要求1所述的多级孔聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料，其特征在于：所述分子筛的型号为MCM-41、SBA-15或β沸石。

3.按照权利要求1所述的多级孔聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料，其特征在于：组成基体的材料内还包括聚四氟乙烯固体润滑剂。

4.按照权利要求1所述的多级孔聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料，其特征在于：组成基体的材料内纳米造孔剂的量，按照质量百分比为 0.1～10wt% 。

5.按照权利要求1所述的多级孔聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料，其特征在于：组成基体的材料按照质量百分比由以下组分组成：

聚醚醚酮                             50～89wt%   

聚四氟乙烯                          0～30wt%

纳米造孔剂                           0.1～10wt%  

微米造孔剂                          10～40wt%

所述微米造孔剂包括氯化钠、聚乙二醇、尿素、甲基纤维素、柠檬酸中的一种或几种的混合物，混合物的混合比例任意。

6.制备权利要求1所述的多级孔聚醚醚酮自润滑耐磨复合材料，具体的制备方法是：

A、根据基体材料组成 ，将所有原料在120℃下干燥2-4小时，机械混匀；

B、然后将已经混匀的复合物料采用热压或冷压烧结成型，制成复合材料的基体；

C、清洗基体内的微米孔；

D、向基体中充填润滑油或脂。

7.按照权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤B中的烧结成型工艺，其中热压烧结成型工艺为：热压温度370℃，压力10-30MPa下保温0.5-2小时，冷却至110℃后脱模；冷压烧结成型工艺为：冷压压力大小为40-120MPa，343-375℃下烧结2-6小时，自然降温；热压或冷压烧结成型工艺中升降温的速率为2-5℃/min。

8.按照权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤D中充填润滑油或脂采用的是高温真空浸渍或压铸工艺，其中采用高温浸渍工艺时真空度为0.01-0.2bar；采用压铸工艺时渗透时间为2-24小时。

9.按照权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤D充填的润滑油或脂为通用锂基润滑脂、HP高温润滑脂、二甲基硅油、羟基硅油中的一种或者几种的混合物，混合物的混合比例任意，其中润滑油分解温度大于140℃，润滑脂的滴点范围为150-350℃。