CN102785428B

CN102785428B - 一种耐磨损自润滑pps—金属复合材料及其制备方法

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Publication number: CN102785428B
Application number: CN201210272637.7A
Authority: CN
Inventors: 徐继勇; 崔沛; 赵兵; 张旭; 解晨宁; 郭道远
Original assignee: ZHENJIANG JIANGKE ELECTROMECHANICAL ENGINEERING Co Ltd
Current assignee: ZHENJIANG JIANGKE ELECTROMECHANICAL ENGINEERING Co Ltd
Priority date: 2012-08-02
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2032-08-02
Also published as: CN102785428A

Abstract

本发明公开了一种耐磨损自润滑PPS—金属复合材料及其制备方法，由塑料工作层（1）和金属基体（2）组成；金属基体（2）表面经过喷丸毛化，使金属基体（2）和塑料层（1）之间有一定的机械镶嵌力；金属基体（2）与塑料层（1）之间的结合力由分子间化学键和机械镶嵌力组成；塑料工作层（1）材料成分按质量百分含量为：聚苯硫醚树脂（PPS）29～69%，液晶聚合物(LCP)10～30%，热塑性聚酰亚胺树脂(TPI)10～30%，石墨5%，纳米二氧化硅（SiO2）2%，相容剂3%，偶联剂1%。本发明在金属基体（2）表面经过喷丸毛化，使表面粗糙度Ra值达到130um，进一步提高金属与塑料的结合强度，具有良好的耐热性、抗化学腐蚀性、耐磨损、自润滑性、对环境零污染、减振降噪；长期使用温度范围为‑50～265℃，摩擦系数为0.14～0.217，磨损率为0.8～2 X 10‑6mm3/N•m。

Description

一种耐磨损自润滑PPS—金属复合材料及其制备方法

技术领域

本发明提供了一种耐磨损自润滑PPS—金属复合材料及其制备方法。

背景技术

近几年研究发现，磨耗、腐蚀是机械、水利、食品、矿山、运输、化工、冶金等轻工业和重工业共同面临的重要机械零部件的损伤形式，每年在这几方面的经济损失高达数百亿美元。对经常处于摩擦状态的零部件（如轴套、滑板和滑道）提出了越来越高的性能要求。在机械运行过程中，不可避免的会产生摩擦磨损、振动、腐蚀等不良现象，这严重的影响了设备的使用寿命。

目前应用于降低机械运行中摩擦系数的方法有一下几种：

1）在金属轴瓦的接触摩擦表面涂上润滑油已达到减小摩擦的目的，但在高温、高压的苛刻条件下，会产生腐蚀性的气体，限制了其使用工况和对环境产生不利影响。

2）在金属基材表面加工多个凹腔来存储润滑脂或固体润滑剂，可以满足耐热和自润滑的特性，但凹腔的产生会减弱机械零部件的强度、制造加工复杂且裸露的金属表面容易划伤对摩表面。

3）在烧结有青铜粉层的金属基材上复合一层自润滑塑料，可以满足金属与塑料间较强的结合强度、自润滑性能、耐高温性能，但制造工艺繁琐复杂，在我国，铜资源相对于铁资源的广泛性来说属于稀少资源，应节约使用。

发明内容

本发明的一个目的是为克服上述现有技术的不足，提供了一种金属与塑料结合性强、机械强度高、摩擦系数低、耐磨性好的自润滑PPS—金属复合材料。

本发明的第二个目的是提供一种成型工艺简单、性能可靠性，同时具有耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、抗冲击、无污染的自润滑PPS—金属复合材料的制备方法。

本发明一种耐磨损自润滑PPS—金属复合材料采用的技术方案是：由金属基体、塑料工作层组成，其特征是：金属基体表面经过喷丸毛化，使金属基体和塑料层之间有一定的机械镶嵌力；金属基体与塑料层之间的结合力由分子间化学键和机械镶嵌力组成；塑料工作层材料成分按质量百分含量为：聚苯硫醚树脂（PPS）29～69%，液晶聚合物(LCP) 10～30%，热塑性聚酰亚胺树脂(TPI) 10～30%，石墨5%，纳米二氧化硅（SiO2）2%，相容剂3%，偶联剂1%。

本发明一种耐磨损自润滑PPS—金属复合材料及其制备方法的技术方案是采用如下步骤：

a)干燥：把聚苯硫醚、液晶聚合物、热塑性聚酰亚胺、石墨、纳米二氧化硅分别鼓风干燥4～8h，温度设定为50～160℃。

b) 称量配料：称量以下组分，以质量分数表示为: 聚苯硫醚树脂（PPS）29～69%，液晶聚合物(LCP) 10～30%，热塑性聚酰亚胺树脂(TPI) 10～30%，石墨5%，纳米二氧化硅（SiO2）2%，相容剂3%，偶联剂1%。

c）混合：将石墨和纳米二氧化硅放入偶联剂中混合均匀；把石墨和纳米二氧化硅取出放在阴凉干燥处让其自然晾干；将LCP、TPI、PPS投入到混料机中混合均匀；再将相容剂投入到混料机中混合均匀；再将石墨和纳米二氧化硅投入到混料机中混合均匀，混合时间为3～10分钟。

d) 造粒：将混合后的原料放入双螺杆挤出机中造粒，挤出机各段温度分别为220～250℃，245～270℃，275～300℃，275～320℃，机头温度为285～320℃，螺杆机的转速为60～200转/分钟。

e) 金属基体喷丸毛化：使用自回收式多功能抛丸机PW-700-01，在金属基体表面喷丸时间为50S，喷丸速度为70m2/h。

f) 金属基体预热：采用烘箱加热，把金属基材置于烘箱中，温度设置为80～120℃，时间定为0.5～1h。

g) 将步骤f)中预热的金属基体放入注射模具模腔内作为嵌件，再将步骤d)中混合塑料投入到注射机的料斗内。注射机参数设定为：料筒温度为250～290℃，注射机后部、中部、前部温度分别为280～300℃、285～310℃、290～320℃；注射机喷嘴温度设为290～330℃；模具温度设为120～140℃；螺杆转速为100～300r/min；注射压力为45～65mpa；注射时间为5～60s；保压时间为10～30s；金属塑料表面复合层的平均厚度为1.5mm，注射结束后，待制件温度降到100～150℃时脱模取件。

h) 将脱模冷却后的材料在180～198℃温度下保温1.5小时即可。

本发明金属基体表面经过喷丸毛化，使表面粗糙度Ra值达到130um，进一步提高金属与塑料的结合强度，具有良好的耐热性、抗化学腐蚀性、自润滑性、对环境零污染、减振降噪；长期在-50～265℃温度范围内使用，仍然呈现出较低的摩擦系数、耐磨损性能。在MM-200型环块摩擦磨损试验机测定时，转速为300rpm，压力为250N，大气室温（25℃）下进行干摩擦。得其使用温度为-50～265℃，摩擦系数为0.14～0.217，磨损率为0.8～2 X 10-6mm3/N•m。材料使用范围广，与金属轴瓦相比可延长摩擦副使用寿命2倍以上。其原因是：

1. 本发明一种耐磨损自润滑PPS—金属复合材料成分中采用的聚苯硫醚。具有优异的机械性能；耐高温，长期使用温度可达260度；耐化学腐蚀；不燃性；成型收缩率可以小到0.15～0.25％；对炭黑、石墨、玻纤、聚四氟乙烯、陶瓷和金属等有特好的润湿作用和粘结性；耐摩擦磨损；优异的导热性能(为一般高聚物的5倍)；价格较低廉。

2. 本发明一种耐磨损自润滑PPS—金属复合材料成分中采用的热致性液晶聚合物。具有高强度、高模量的力学性能；耐热性，在连续使用温度200～300℃时；耐蠕变；减摩耐磨；耐化学腐蚀；熔体粘度低，流动性好；成型尺寸稳定性好。

3. 本发明一种耐磨损自润滑PPS—金属复合材料成分中采用的热塑性聚酰亚胺。具有高强度；耐高温；耐化学腐蚀；介电性能好；抗辐射；高断裂韧性；尺寸稳定性较好；线胀系数较小，非常接近于金属铝材料；耐疲劳；耐滑动磨损和微动磨损；成形加工型优。

4. 本发明一种耐磨损自润滑PPS—金属复合材料成分中采用石墨，纳米二氧化硅，乙烯-马来酸酐-甲基丙烯酸缩水甘油酯三元共聚物，硅烷偶联剂添加到塑料工作层中，使得复合材料进一步提升其摩擦学性能、减振降噪性，具有更好的机械性能，耐压缩抗蠕变、热传导性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明的一种耐磨损自润滑PPS—金属复合材料的组成结构示意图。

图中：1.塑料工作层；2.金属基体。

具体实施方式

如图1所示，耐磨损自润滑PPS—金属复合材料自上而下由塑料工作层1、金属基体2组成。其中塑料工作层1材料的各成分重量百分含量为：聚苯硫醚树脂（PPS）29～69%，液晶聚合物(LCP) 10～30%，热塑性聚酰亚胺树脂(TPI) 10～30%，石墨5%，纳米二氧化硅（SiO₂）2%，相容剂3%，偶联剂1%。

金属基体2的材料为25^#钢、铸铁或铝等金属，金属层2的厚度为2～3mm。金属基体2与塑料层1之间的结合力由分子间化学键和机械镶嵌力组成。

一种耐磨损自润滑PPS—金属复合材料具体的制备方法如下：把聚苯硫醚、液晶聚合物、热塑性聚酰亚胺、石墨、纳米二氧化硅分别鼓风干燥4～8h，温度设定为50～160℃。称量以下组分，以质量分数表示为: 聚苯硫醚树脂（PPS）29～69%，液晶聚合物(LCP) 10～30%，热塑性聚酰亚胺树脂(TPI) 10～30%，石墨5%，纳米二氧化硅（SiO₂）2%，相容剂3%，偶联剂1%。将石墨和纳米二氧化硅放入偶联剂中混合均匀；把石墨和纳米二氧化硅取出放在阴凉干燥处让其自然晾干；将LCP、TPI、PPS投入到混料机中混合均匀；再将相容剂投入到混料机中混合均匀；再将石墨和纳米二氧化硅投入到混料机中混合均匀，混合时间为3～10分钟。将混合后的原料放入双螺杆挤出机中造粒，挤出机各段温度分别为220～250℃，245～270℃，275～300℃，275～320℃，机头温度为285～320℃，螺杆机的转速为60～200转/分钟。使用自回收式多功能抛丸机PW-700-01，在金属基体表面喷丸时间为50S，喷丸速度为70m²/h。采用烘箱加热，把金属基材置于烘箱中，温度设置为80～120℃，时间定为0.5～1h。将预热的金属基体放入注射模具模腔内作为嵌件，再将混合造粒的塑料粒子投入到注射机的料斗内。注射机参数设定为：料筒温度为250～290℃，注射机后部、中部、前部温度分别为280～300℃、285～310℃、290～320℃；注射机喷嘴温度设为290～330℃；模具温度设为120～140℃；螺杆转速为100～300r/min；注射压力为45～65mpa；注射时间为5～60s；保压时间为10～30s；金属塑料表面复合层的平均厚度为1.5mm，注射结束后，待制件温度降到100～150℃时脱模取件。将脱模冷却后的材料在180～198℃温度下保温1.5小时即可。

以下通过4个实施例再来具体说明本发明：

实施例1～4

实施例1～4塑料层配比（重量%）见表1

表1

原料名称	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					PPS	69	49	39	29
LCP	10	20	20	30
					TPI	10	20	30	30
石墨	5	5	5	5
					纳米二氧化硅	2	2	2	2
相容剂	3	3	3	3
					偶联剂	1	1	1	1

将石墨和纳米二氧化硅放入偶联剂中混合均匀；把石墨和纳米二氧化硅取出放在阴凉干燥处让其自然晾干；将LCP、TPI、PPS投入到混料机中混合均匀；再将相容剂投入到混料机中混合均匀；再将石墨和纳米二氧化硅投入到混料机中混合均匀，混合时间为6分钟。

将混合后的原料放入双螺杆挤出机中造粒，挤出机各段温度分别为250℃，270℃，300℃，310℃，机头温度为312℃，螺杆机的转速为100转/分钟。

使用自回收式多功能抛丸机PW-700-01，在金属基体表面喷丸时间为50S，喷丸速度为70m²/h。

采用烘箱加热，把金属基材置于烘箱中，温度设置为80℃，时间定为1h。

预热的金属基体放入注射模具模腔内作为嵌件，再将混合造粒的塑料粒子投入到注射机的料斗内。

注射机参数设定为：料筒温度为260℃，注射机后部、中部、前部温度分别为280℃、310℃、320℃；注射机喷嘴温度设为330℃；模具温度设为120℃；螺杆转速为100r/min；注射压力为50mpa；注射时间为10s；保压时间为30s；金属塑料表面复合层的平均厚度为1.5mm，注射结束后，待制件温度降到100℃时脱模取件。

将脱模冷却后的材料在180℃温度下保温1.5小时即可。

对实施例1～4所得的耐磨损自润滑PPS—金属复合材料样品1～4进行以下试验：通过测定体系的摩擦系数和磨损率，研究自润滑金属基复合材料的摩擦性能。

具体数据见表2

表2

测试项目	单位	样品1	样品2	样品3	样品4
						摩擦系数	0.213～0.217	0.171～0.179	0.14～0.143	0.164～0.17
磨损率	mm³/N·m	1.7～2 X 10^-6	1.3～1.5X 10^-6	0.8～1 X 10^-6	1.2～1.5 X 10^-6

Claims

1.一种耐磨损自润滑PPS—金属复合材料，由塑料工作层(1)、金属基体(2)组成，其特征是：金属基体(2)表面经过喷丸毛化，使金属基体(2)和塑料层(1)之间有一定的机械镶嵌力；塑料工作层(1)材料成分按质量百分含量为：聚苯硫醚树脂(PPS)29～69％，液晶聚合物(LCP)10～30％，热塑性聚酰亚胺树脂(TPI)10～30％，石墨5％，纳米二氧化硅(SiO2)2％，相容剂3％，偶联剂1％。

2.根据权利要求1所述的耐磨损自润滑PPS—金属复合材料，其特征是：所述的液晶聚合物为热致性液晶聚合物(TLCP)。

3.根据权利要求1所述的耐磨损自润滑PPS—金属复合材料，其特征是：所述的相容剂为乙烯-马来酸酐-甲基丙烯酸缩水甘油酯三元共聚物(EMG)。

4.根据权利要求1所述的耐磨损自润滑PPS—金属复合材料，其特征是：所述的偶联剂为硅烷偶联剂，选用KH550或KH570中的一种。

5.根据权利要求1所述的耐磨损自润滑PPS—金属复合材料，其特征是：金属基体为25^#钢、铸铁或铝。

6.一种实现权利要求1～5任一所述的耐磨损自润滑PPS—金属复合材料的制备方法，其特征是采用如下步骤：

a)干燥：把聚苯硫醚、液晶聚合物、热塑性聚酰亚胺、石墨、纳米二氧化硅分别鼓风干燥4～8h，温度设定为50～160℃；

b)称量配料：称量以下组分，以质量分数表示为:聚苯硫醚树脂(PPS)29～69％，液晶聚合物(LCP)10～30％，热塑性聚酰亚胺树脂(TPI)10～30％，石墨5％，纳米二氧化硅(SiO₂)2％，相容剂3％，偶联剂1％；

c)混合：将石墨和纳米二氧化硅放入偶联剂中混合均匀；把石墨和纳米二氧化硅取出放在阴凉干燥处让其自然晾干；将LCP、TPI、PPS投入到混料机中混合均匀；再将相容剂投入到混料机中混合均匀；再将石墨和纳米二氧化硅投入到混料机中混合均匀，混合时间为3～10分钟；

d)造粒：将混合后的原料放入双螺杆挤出机中造粒，挤出机各段温度分别为220～250℃，245～270℃，275～300℃，275～320℃，机头温度为285～320℃，螺杆机的转速为60～200转/分钟；

e)金属基体(2)喷丸毛化：使用自回收式多功能抛丸机PW-700-01，在金属基体(2)表面喷丸时间为50S，喷丸速度为70m²/h；

f)金属基体(2)预热：采用烘箱加热，把金属基材(2)置于烘箱中，温度设置为80～120℃，时间定为0.5～1h；

g)将步骤f)中预热的金属基体(2)放入注射模具模腔内作为嵌件，再将步骤d)中混合塑料投入到注射机的料斗内；

注射机参数设定为：料筒温度为250～290℃，注射机后部、中部、前部温度分别为280～300℃、285～310℃、290～320℃；注射机喷嘴温度设为290～330℃；模具温度设为120～140℃；螺杆转速为100～300r/min；注射压力为45～65mpa；注射时间为5～60s；保压时间为10～30s；金属塑料表面复合层的平均厚度为1.5mm，注射结束后，待制件温度降到100～150℃时脱模取件；

h)将脱模冷却后的材料在180～198℃温度下保温1.5小时即可。