CN103101205B - 聚酰亚胺添加纳米铜和聚四氟乙烯制作保持架管坯的方法 - Google Patents
聚酰亚胺添加纳米铜和聚四氟乙烯制作保持架管坯的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种聚酰亚胺添加纳米铜和聚四氟乙烯制作保持架管坯的方法，第一步要对一定量的纳米铜、聚酰亚胺和聚四氟乙烯进行预处理，第二步从一定量的纳米铜、聚酰亚胺和聚四氟乙烯中按重量份进行重新配比并配制出聚酰亚胺复合材料，第三步对配制出聚酰亚胺复合材料进行球磨处理，第四步在热压机上热压制作保持架管坯，该保持架管坯的最大特点是：依据GB/T1634.2-2004标准在1.80MPa时的热变形温度达到270℃以上，经HotDisk2500S导热系数测量仪测出热导率达到0.2W.(m.K)-1以上，保留聚酰亚胺的高抗拉强度，提高聚酰亚胺的热变形温度和热导率，纳米铜和聚四氟乙烯改善聚酰亚胺的耐磨性和润滑性。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，尤其涉及到一种聚酰亚胺添加纳米铜和聚四氟乙烯制作保持架管坯的方法。
背景技术
聚酰亚胺由于密度小、质轻，常用来制作轴承保持架管坯，常温下具有抗拉强度高、耐磨及自润滑性好等优点。
但国产聚酰亚胺的玻璃化转变温度较低，耐温性较差，尤其是在不大于260℃时的抗拉强度较低，热变形温度较低是聚酰亚胺存在的问题之一。
热导率较小是聚酰亚胺存在的问题之二，聚酰亚胺的热导率≤0.15 W.(m.K)-1，热导率较小时不能将保持架摩擦面上迅速累积的热量传导出去，会使保持架表面软化、磨损加剧，严重影响轴承的正常运转，缩短使用寿命。
在聚酰亚胺中添加其它材料所制作的保持架，以图增大其热变形温度和热导率是当前研究的主要课题。
有关制作保持架管坯过程中保持架模具的尺寸构成以及热压方式是常用的，但其中的某些加工参数会有所不同。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种聚酰亚胺添加纳米铜和聚四氟乙烯制作保持架管坯的方法，纳米铜具有耐高温、热导率大、粒径小等特点，能对聚酰亚胺的功效起到显微增强效果，改善聚酰亚胺的耐热性和耐磨性，添加聚四氟乙烯可显著地改善合成后复合材料的摩擦磨损性能，所制作保持架管坯的热变形温度大于260℃，热导率大于0.15 W.(m.K)-1，保持架管坯具有质轻、耐磨、自润滑及抗拉强度高等优点。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种聚酰亚胺添加纳米铜和聚四氟乙烯制作保持架管坯的方法，该方法经历四步，第一步要对一定量的纳米铜、聚酰亚胺和聚四氟乙烯进行预处理，第二步从一定量的纳米铜、聚酰亚胺和聚四氟乙烯中按重量份进行重新配比并配制出聚酰亚胺复合材料，第三步对配制出聚酰亚胺复合材料进行球磨处理，第四步在热压机上热压制作保持架管坯，第四步中有关保持架模具的尺寸构成以及热压方式借鉴了现有技术，保持架模具包含外套、芯子、冲头和底座，设定保持架的内径为d、外径为D、高度为H，但围绕经球磨处理的所述聚酰亚胺复合材料在第四步中的加工参数有所不同；
第一步预处理
对纳米铜的预处理：在盛有浓度为2%的偶联剂KH-570和无水乙醇的烧杯中加入适量的纳米铜，将烧杯放入超声槽内对纳米铜进行偶联和超声分散，超声槽的超声频率控制在28KHZ、功率控制在900W、时间控制在30分钟，之后再将烧杯置于氮气气氛保护的干燥箱中进行干燥处理，氮气流量控制在80mL/min，干燥箱温度控制在110℃，干燥时间3小时，再从烧杯中取出纳米铜并密封保存备用，重复纳米铜的预处理过程可以积累到一定量的纳米铜；
对聚酰亚胺以及聚四氟乙烯的预处理：将聚酰亚胺以及聚四氟乙烯分别放在真空干燥箱内进行真空干燥，真空干燥箱的真空度控制在-0.1MPa，真空干燥箱的温度控制在80℃，真空干燥2小时后取出并分别密封保存，重复聚酰亚胺以及聚四氟乙烯的预处理过程可以积累到一定量的聚酰亚胺以及一定量的聚四氟乙烯；
第二步从一定量的纳米铜、聚酰亚胺和聚四氟乙烯中按重量份进行重新配比并配制出聚酰亚胺复合材料
按重量份分别取70～75的聚酰亚胺、3～6的聚四氟乙烯并分别在200目筛上进行过筛，先将过筛的聚酰亚胺和20～25的纳米铜一同放入手持式机械搅拌机内搅拌3～5次，每次搅拌的时间控制在20～30秒，每次混料时手持式机械搅拌机的转速控制在10000～12000r/min，最后加入过筛的聚四氟乙烯进行再搅拌，所述再搅拌的次数、时间以及转速同上，配制出聚酰亚胺复合材料；
第三步对配制出聚酰亚胺复合材料进行球磨处理
将所述聚酰亚胺复合材料放入三维球磨机中，球磨机中加入15粒直径为3mm的陶瓷球，球磨8小时后过150目筛进行筛分，去掉筛上料及陶瓷球得到球磨处理的聚酰亚胺复合材料，使用二十倍显微镜观察球磨处理的聚酰亚胺复合材料的色差，无明显色差的聚酰亚胺复合材料即为合格产品并密封保存备用；
第四步在热压机上热压制作保持架管坯
在所述保持架模具中：所述外套的内径=所述D+3mm，所述芯子的外径=所述d-3mm，所述外套高度=所述芯子高度≥ 3H，所述冲头的外径与所述外套的内径相匹配，所述冲头的内径与所述芯子的外径相匹配，所述底座的内径与所述芯子的外径相匹配，所述底座的外径与外所述套的内径相匹配；
将球磨处理的聚酰亚胺复合材料填充在所述保持架模具内并将所述保持架模具置于热压机中，热压机的压力控制在500Kg/cm2，热压机在压制前3分钟要排除所述保持架模具内的空气，3分钟后对所述保持架模具实施加热，40分钟后加热到385℃，当温度达到385℃时热压机的压力加大到1000 Kg/cm2并保温40分钟，在保温40分钟期间热压机要自动保压；保温40分钟后停止加热，继续保压20分钟后停止保压，待温度低于180℃时脱模即制作出保持架管坯，经对该保持架管坯检测：
依据GB/T 1634.2-2004标准，在1.80MPa时的热变形温度达到270℃以
上；经Hot Disk 2500S导热系数测量仪测出热导率达到0.2 W.(m.K)-1以上。
由于采用如上所述技术方案，本发明产生如下积极效果：
1、本发明的聚酰亚胺复合材料既保留了聚酰亚胺的高抗拉强度，同时又提高了聚酰亚胺的热变形温度和热导率，添加纳米铜和聚四氟乙烯改善了聚酰亚胺的耐磨性和润滑性。
2、本发明的聚酰亚胺复合材料具有较高的耐温性和高温抗拉强度、低摩擦、耐磨损、表面光洁度高等特点，质轻有利于减轻保持架自身重量，有利于提高轴承的转速及高速运转时的稳定性。
3、本发明的聚酰亚胺复合保持架材料具有更高的可靠性。
4、由聚酰亚胺复合材料制作出的保持架管坯，其热变形温度大于260℃，热导率大于0.15 W.(m.K)-1，摩擦系数小，磨损量低。
5、纳米铜和聚四氟乙烯是提升聚酰亚胺的有效途径。
6、在润滑油停止供应等极端情况下，由本发明聚酰亚胺复合材料制作的保持架能产生短期熔化润滑层，有效延长断油后发动机的运转时间，避免发动机立即卡死，提高发动机的安全系数。
具体实施方式
本发明是一种聚酰亚胺添加纳米铜和聚四氟乙烯制作保持架管坯的方法，其中纳米铜为增强材料，聚四氟乙烯为润滑改性材料，只要所制作保持架管坯的热变形温度大于260℃，热导率大于0.15 W.(m.K)-1，即达到本发明之目的。
本发明的方法经历四步，第一步要对一定量的纳米铜、聚酰亚胺和聚四氟乙烯进行预处理，第二步从一定量的纳米铜、聚酰亚胺和聚四氟乙烯中按重量份进行重新配比并配制出聚酰亚胺复合材料，第三步对配制出聚酰亚胺复合材料进行球磨处理，第四步在热压机上热压制作保持架管坯，第四步中有关保持架模具的尺寸构成以及热压方式借鉴了现有技术，保持架模具包含外套、芯子、冲头和底座，设定保持架的内径为d=53.8mm、外径为D=59.6mm、高度为H=15.6mm，但围绕经球磨处理的所述聚酰亚胺复合材料在第四步中的加工参数有所不同；
在上述参数的设置下，本发明的四步分述如下：
第一步预处理
对纳米铜的预处理：在盛有浓度为2%的偶联剂KH-570和无水乙醇的烧杯中加入适量的纳米铜，将烧杯放入超声槽内对纳米铜进行偶联和超声分散，超声槽的超声频率控制在28KHZ、功率控制在900W、时间控制在30分钟，之后再将烧杯置于氮气气氛保护的干燥箱中进行干燥处理，氮气流量控制在80mL/min，干燥箱温度控制在110℃，干燥时间3小时，再从烧杯中取出纳米铜并密封保存备用，重复纳米铜的预处理过程可以积累到一定量的纳米铜。
对聚酰亚胺以及聚四氟乙烯的预处理：将聚酰亚胺以及聚四氟乙烯分别放在真空干燥箱内进行真空干燥，真空干燥箱的真空度控制在-0.1MPa，真空干燥箱的温度控制在80℃，真空干燥2小时后取出并分别密封保存，重复聚酰亚胺以及聚四氟乙烯的预处理过程可以积累到一定量的聚酰亚胺以及一定量的聚四氟乙烯。
第二步从一定量的纳米铜、聚酰亚胺和聚四氟乙烯中按重量份进行重新配比并配制出聚酰亚胺复合材料
以下重量份按公斤计：
当聚酰亚胺取70重量份时，则纳米铜取25重量份，聚四氟乙烯取5重量份。
当聚酰亚胺取72重量份时，则纳米铜取22重量份，聚四氟乙烯取6重量份。
当聚酰亚胺取75重量份时，则纳米铜取20重量份，聚四氟乙烯取5重量份。
按上述重量份先将聚酰亚胺、聚四氟乙烯分别在200目筛上进行过筛，将过筛的聚酰亚胺及纳米铜一同放入手持式机械搅拌机内搅拌3～5次，每次搅拌的时间控制在20～30秒，每次混料时手持式机械搅拌机的转速控制在10000～12000r/min，最后加入过筛的聚四氟乙烯进行再搅拌，所述再搅拌的次数、时间以及转速同上，配制出聚酰亚胺复合材料。
第三步对配制出聚酰亚胺复合材料进行球磨处理
将所述聚酰亚胺复合材料放入三维球磨机中，球磨机中加入15粒直径为3mm的陶瓷球，球磨8小时后过150目筛进行筛分，去掉筛上料及陶瓷球得到球磨处理的聚酰亚胺复合材料，使用二十倍显微镜观察球磨处理的聚酰亚胺复合材料的色差，无明显色差的聚酰亚胺复合材料即为合格产品并密封保存备用。
聚酰亚胺呈黄色粉末，纳米铜呈棕红色粉末，聚四氟乙烯呈白色粉末，经第三步得到的聚酰亚胺复合材料呈灰褐色，使用二十倍显微镜观察聚酰亚胺复合材料时若颜色均为灰褐色即称为无明显色差，这种色差是肉眼不能观察到的。
第四步在热压机上热压制作保持架管坯
在所述保持架模具中：所述外套的内径=所述D+3mm=62.6mm，所述芯子的外径=所述d-3mm=50.8mm，所述外套高度=所述芯子高度≥ 3H=46.8mm，所述冲头的外径与所述外套的内径相匹配，所述冲头的内径与所述芯子的外径相匹配，所述底座的内径与所述芯子的外径相匹配，所述底座的外径与外所述套的内径相匹配。
将球磨处理的聚酰亚胺复合材料填充在所述保持架模具内并将所述保持架模具置于热压机中，热压机的压力控制在500Kg/cm2，热压机在压制前3分钟要排除所述保持架模具内的空气，3分钟后对所述保持架模具实施加热，40分钟后加热到385℃，当温度达到385℃时热压机的压力加大到1000 Kg/cm2并保温40分钟，在保温40分钟期间热压机要自动保压；保温40分钟后停止加热，继续保压20分钟后停止保压，待温度低于180℃时脱模即制作出保持架管坯。
下表是保持架管坯检测的相关性能参数。
通过上表可以分析出：由聚酰亚胺添加纳米铜和聚四氟乙烯制作出的保持架管坯具有密度小，质轻且有利于减轻轴承整体的重量，有利于提高轴承的转速及高速运转时的稳定性。
此外热变形温度大于260℃甚至达到278℃，热导率大于0.15 W.(m.K)-1甚至达到0.58 W.(m.K)-1，这些检测数据充分反映出聚酰亚胺复合材料能承受较高的温度，达到了本发明预期要求之目的。虽然纳米铜和聚四氟乙烯是常见之物，但经过本发明的开发利用，所产生的预期效果是本领域意想不到的。
同时，聚酰亚胺复合材料具有较高的环状抗拉强度，260℃时的环状拉伸强度保持率上常温下的40%。
聚酰亚胺复合材料的摩擦系数小、磨损量少，则表示制作出的保持架具有良好的自润滑性和耐磨特性。
为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和本发明范围内的实施例的所有变化和改进。
Claims (1)
1.一种聚酰亚胺添加纳米铜和聚四氟乙烯制作保持架管坯的方法，该方法经历四步，第一步要对一定量的纳米铜、聚酰亚胺和聚四氟乙烯进行预处理，第二步从一定量的纳米铜、聚酰亚胺和聚四氟乙烯中按重量份进行重新配比并配制出聚酰亚胺复合材料，第三步对配制出聚酰亚胺复合材料进行球磨处理，第四步在热压机上热压制作保持架管坯，保持架模具包含外套、芯子、冲头和底座，设定保持架的内径为d、外径为D、高度为H，其特征是：
第一步预处理：
对纳米铜的预处理：在盛有浓度为2%的偶联剂KH-570和无水乙醇的烧杯中加入适量的纳米铜，将烧杯放入超声槽内对纳米铜进行偶联和超声分散，超声槽的超声频率控制在28KHZ、功率控制在900W、时间控制在30分钟，之后再将烧杯置于氮气气氛保护的干燥箱中进行干燥处理，氮气流量控制在80mL/min，干燥箱温度控制在110℃，干燥时间3小时，再从烧杯中取出纳米铜并密封保存备用，重复纳米铜的预处理过程可以积累到一定量的纳米铜；
对聚酰亚胺以及聚四氟乙烯的预处理：将聚酰亚胺以及聚四氟乙烯分别放在真空干燥箱内进行真空干燥，真空干燥箱的真空度控制在-0.1MPa，真空干燥箱的温度控制在80℃，真空干燥2小时后取出并分别密封保存，重复聚酰亚胺以及聚四氟乙烯的预处理过程可以积累到一定量的聚酰亚胺以及一定量的聚四氟乙烯；
第二步从一定量的纳米铜、聚酰亚胺和聚四氟乙烯中按重量份进行重新配比并配制出聚酰亚胺复合材料：
按重量份分别取70～75的聚酰亚胺、3～6的聚四氟乙烯并分别在200目筛上进行过筛，先将过筛的聚酰亚胺和20～25的纳米铜一同放入手持式机械搅拌机内搅拌3～5次，每次搅拌的时间控制在20～30秒，每次混料时手持式机械搅拌机的转速控制在10000～12000r/min，最后加入过筛的聚四氟乙烯进行再搅拌，所述再搅拌的次数、时间以及转速同上，配制出聚酰亚胺复合材料；
第三步对配制出聚酰亚胺复合材料进行球磨处理：
将所述聚酰亚胺复合材料放入三维球磨机中，球磨机中加入15粒直径为3mm的陶瓷球，球磨8小时后过150目筛进行筛分，去掉筛上料及陶瓷球得到球磨处理的聚酰亚胺复合材料，使用二十倍显微镜观察球磨处理的聚酰亚胺复合材料的色差，无明显色差的聚酰亚胺复合材料即为合格产品并密封保存备用；
第四步在热压机上热压制作保持架管坯：
在所述保持架模具中：所述外套的内径=所述D+3mm，所述芯子的外径=所述d-3mm，所述外套高度=所述芯子高度≥ 3H，所述冲头的外径与所述外套的内径相匹配，所述冲头的内径与所述芯子的外径相匹配，所述底座的内径与所述芯子的外径相匹配，所述底座的外径与外所述套的内径相匹配；
将球磨处理的聚酰亚胺复合材料填充在所述保持架模具内并将所述保持架模具置于热压机中，热压机的压力控制在500Kg/cm2，热压机在压制前3分钟要排除所述保持架模具内的空气，3分钟后对所述保持架模具实施加热，40分钟后加热到385℃，当温度达到385℃时热压机的压力加大到1000 Kg/cm2并保温40分钟，在保温40分钟期间热压机要自动保压；保温40分钟后停止加热，继续保压20分钟后停止保压，待温度低于180℃时脱模即制作出保持架管坯，经对该保持架管坯检测：
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