CN103174022B - 一种自润滑关节轴承织物衬垫涂层材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种自润滑关节轴承织物衬垫涂层材料及其制备方法，涉及一种自润滑涂层材料及其制备方法。涂层组成包括：环氧树脂60~80份、POSS0.1~5份、聚四氟乙烯粉5~25份、稀释剂15~35份、硅烷偶联剂0.5~5份、固化剂10~25份、表面活性剂0.1~1份。本发明提供了一种绿色环保的自润滑耐磨型衬垫涂层材料的制备方法和途径，配方选择与织物本体材料相同的纳米级聚四氟乙烯粉作为填料，不仅大大降低了摩擦系数，还改善了产品的外观；利用POSS的纳米尺度、高表面能、刚性及笼状结构的类“滚珠”效应有效提高了涂层的减摩耐磨及自润滑性能。

Description

一种自润滑关节轴承织物衬垫涂层材料及其制备方法

技术领域

本发明属于涂层技术领域，涉及一种自润滑关节轴承织物衬垫涂层材料及其制备方法，尤其是一种含POSS及聚四氟乙烯粉的自润滑涂层及其制备方法。

背景技术

关节轴承又称球面滑动轴承，主要由一个带外球面的内圈和一个带内球面的外圈组成。根据其工作时是否需要补充润滑剂，关节轴承可分为非自润滑关节轴承和自润滑关节轴承。近年来，自润滑关节轴承在高端轴承领域占据越来越重要的位置，掀起了一股研究热潮，其中最具代表性的是织物衬垫自润滑关节轴。织物衬垫自润滑关节轴承是指内、外圈间含有织物衬垫形式自润滑材料的关节轴承，具有结构简单紧凑，易于装拆，承载能力高，寿命长，转动灵活，免维护等特点，因此在航空、航天、电力、交通、生物医药和纺织等装备中获得了愈来愈广泛的应用，成为这些装备中不可或缺的关键零部件。

织物衬垫自润滑关节轴承的主要失效形式是磨损，磨损使内、外圈间隙过大，衬垫失去正常润滑能力，严重时会造成相关机构咬合卡死。在诸如飞机起落架系统等场合，这种失效常导致灾难性后果。因此织物衬垫表面往往需要涂覆一些涂层，涂层能够有效固定织物、防止走位，而且具有自润滑性质的涂层还能进一步降低摩擦系数。目前用于自润滑关节轴承的织物主要是聚四氟乙烯。

研究发现，约10nm、优选最多3nm的最大空间尺度的化合物具有特别好的润滑性质。多面体齐聚倍半硅氧烷（Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane，简称POSS）是一类笼状结构的有机/无机杂化分子，其尺寸为1~3nm，具有超疏水性、大位阻效应及纳米尺度。通常含POSS的复合材料能具有较好的热性能和机械性能等。

在自润滑涂层领域，刘秀波等（固体自润滑复合材料、固体自润滑涂层的制备方法，中国专利，公开号CN102363853A）以镍铬合金、碳化铬、二硫化钨、氟化钙等为原料，采用激光熔覆的方法在基体材料上形成固体自润滑涂层。这种方法工艺较为复杂，且涂层厚度的均匀性不好控制。郭强等（环氧树脂固体润滑涂层材料及其制备方法，中国专利，公开号CN101717604A）公开了一种含表面修饰氧化石墨的环氧树脂固体润滑涂层及其制备方法，克服了石墨固体润滑剂在树脂溶液中分散性差的问题，但是材料的外观受到了一定的影响，应用受到一定的限制。弗雷克曼等（自润滑涂层及制造自润滑涂层的方法，中国专利，公开号CN102471917A）报道了一种金属层构筑的涂层，其中嵌入了能够通过磨损释放的润滑剂，这种涂层的润滑效果持续长久，但是制备工艺十分复杂，而且无法用于织物、聚合物树脂等材料的涂覆。

目前，用于织物衬垫关节轴承的含POSS组分的自润滑涂层尚未见报道。

本发明提供了一种工艺简单的制备自润滑涂层的方法，将该涂层涂覆在聚四氟乙烯织物的表面，利用环氧树脂优异的粘接性能不仅能够很好固定纤维、防止走位、提高力学性能；而且通过添加与织物成分相同的纳米级聚四氟乙烯粉，解决了环氧树脂摩擦系数大的缺点；此外，尺寸为1~3nm的POSS不仅有效降低了涂层的摩擦系数，还大大提高了其减摩耐磨性能。

发明内容

本发明目的在于提供一种自润滑关节轴承织物衬垫涂层材料及其制备方法。

所述涂层材料的组成包括环氧树脂60~80份、POSS0.1~5份、聚四氟乙烯粉5~25份、稀释剂15~35份、硅烷偶联剂0.5~5份、固化剂10~25份、表面活性剂0.1~1份。

所述环氧树脂商品环氧树脂，即分子中含有两个或多个环氧基团的化合物，如缩水甘油醚，缩水甘油胺，缩水甘油酯等；其中缩水甘油醚有双酚A型、双酚F型、及双酚S型等；缩水甘油胺有苯胺缩水甘油胺、二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺等；缩水甘油酯有二缩水甘油对（邻）苯二甲酸酯等。

所述POSS结构如下：

其中R为非反应性基团，为异丁基、异辛基、乙基、环己基、环戊基、苯基等；R₁为活性官能团，主要是含氨基或环氧基的官能团。

所述聚四氟乙烯粉由优选辐照法制备，粒径为200~600nm。

所述稀释剂为二缩水甘油醚、多缩水甘油醚、环氧丙烷丁基醚、环氧丙烷苯基醚、二环氧丙烷乙基醚、三环氧丙烷丙基醚或丙酮。

所述硅烷偶联剂采用通式为Y(CH₂)_nSiX₃的硅烷偶联剂，其中，n=0~3；X为氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基、乙酰氧基等，Y为氨基或环氧基。

所述固化剂为与环氧树脂配合使用的胺类或酸酐类化合物等，胺类如乙二胺、二乙烯三胺、间苯二胺等；酸酐类如邻苯二甲酸酐、均苯四甲酸酐、甲基环己烯四羧酸酐等。

所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯醇或阿拉伯胶。

所述自润滑关节轴承织物衬垫涂层材料的制备方法为：根据涂层配方组成，首先将表面活性剂、聚四氟乙烯粉、硅烷偶联剂、POSS、固化剂依次溶于稀释剂中，搅拌0.5~1h得到均匀乳液；其次，超声振荡下往乳液中分批逐量加入环氧树脂，搅拌1~2h至均匀。

使用时，将织物用同种稀释剂清洗干净后刷涂本发明所制备的涂层材料，40~60℃下用鼓风烘箱烘1~2h，然后施加0.2~0.3Mpa的压力并升温至150~170℃保温2~3h固化。

本发明提供了一种工艺简单的制备含POSS组分和聚四氟乙烯粉的自润滑涂层的方法，具有以下特点：

（1）针对自润滑关节轴承最常用的聚四氟乙烯织物，选择环氧树脂对其进行编织纤维之间的固位，防止织物走位引起的摩擦磨损。

（2）涂层材料能有效浸渍纤维，选择与织物成分相同的纳米聚四氟乙烯粉作为主润滑剂，不仅与织物之间有良好的亲和性，提高了自润滑性能，在保证力学性能的前提下又克服了环氧树脂摩擦系数大的缺点。

（3）添加尺寸为1~3nm的POSS不仅进一步降低了涂层的摩擦系数，还大大提高了其减摩耐磨性能。

附图说明

图1涂覆了自润滑涂层的关节轴承织物衬垫示意图

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

0.5份聚乙烯醇、5份四氟乙烯粉、2份氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂、2份氨丙基POSS、20份4,4’-二氨基二苯砜先后溶于35份丙酮中，搅拌1h后在超声振荡下分10次共添加80份环氧树脂E51，继续搅拌1h即得到自润滑涂层。聚四氟乙烯织物用丙酮清洗干净，使用本发明涂层进行薄层刷涂，置于鼓风烘箱中50℃烘1h，取出,施加0.2Mpa的压力并升温（程序升温，2h内）至160℃固化2h。

图1是涂覆了自润滑涂层的关节轴承织物衬垫示意图。织物衬垫是自润滑关节轴承中最为核心的部分，显然，本发明涂层填充了织物纤维之间的空隙，当织物衬垫受到挤压和摩擦时能有效固定纤维，防止走位；不仅如此，在保证力学性能的前提下，暴露在摩擦面的涂层材料还能有效降低摩擦系数，延长轴承的使用寿命。

涂层的摩擦磨损性能采用往复摆动摩擦磨损实验，条件为：常温，摆动角度为±10°，接触应力52Mpa，摆动频率2Hz，每次实验连续摆动次数2.5×10⁴次。测得摩擦系数为0.045，比磨损率为5.3±1.4（×10^-6mm³/Nm）。

实施例2

0.5份聚乙烯醇、10份四氟乙烯粉、2.5份氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂、2份氨丙基POSS、20份4,4’—二氨基二苯砜先后溶于35份丙酮中，搅拌1h后在超声振荡下分10次共添加80份环氧树脂E51，继续搅拌1h即得到自润滑涂层。聚四氟乙烯织物用丙酮清洗干净，使用本发明涂层进行薄层刷涂，置于鼓风烘箱中50℃烘1h，取出施加0.2Mpa的压力并升温（程序升温，2h内）至160℃固化2h。固化完成后测得摩擦系数为0.037，比磨损率为3.1±0.9（×10^-6mm³/Nm）。

实施例3

1.0份聚乙烯醇、5份四氟乙烯粉、5份氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂、5份氨丙基POSS、20份4,4’—二氨基二苯砜先后溶于35份丙酮中，搅拌1h后在超声振荡下分10次共添加80份环氧树脂E51，继续搅拌1h即得到自润滑涂层。聚四氟乙烯织物用丙酮清洗干净，使用本发明涂层进行薄层刷涂，置于鼓风烘箱中50℃烘1h，取出施加0.2Mpa的压力并升温（程序升温，2h内）至160℃固化2h。固化完成后测得摩擦系数为0.038，比磨损率为2.1±0.5（×10^-6mm³/Nm）。

实施例4

0.5份聚乙烯醇、10份四氟乙烯粉、2.5份氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂、2份氨丙基POSS、15份4,4’—二氨基二苯砜先后溶于35份丙酮中，搅拌1h后在超声振荡下分10次共添加70份环氧树脂E51，继续搅拌1h即得到自润滑涂层。聚四氟乙烯织物用丙酮清洗干净，使用本发明涂层进行薄层刷涂，置于鼓风烘箱中50℃烘1h，取出施加0.2Mpa的压力并升温（程序升温，2h内）至160℃固化2h。固化完成后测得摩擦系数为0.035，比磨损率为2.9±0.8（×10^-6mm³/Nm）。

实施例5

0.5份聚乙烯醇、5份四氟乙烯粉、2份氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂、2份氨丙基POSS、20份4,4’-二氨基二苯砜先后溶于35份丙酮中，搅拌1h后在超声振荡下分10次共添加80份环氧树脂E51，继续搅拌1h即得到自润滑涂层。聚四氟乙烯织物用丙酮清洗干净，使用本发明涂层进行薄层刷涂，置于鼓风烘箱中50℃烘1h，取出,施加0.3Mpa的压力并升温（程序升温，2h内）至160℃固化2h。测得摩擦系数为0.036，比磨损率为5.3±1.2（×10^-6mm³/Nm）。

Claims (9)

1.一种自润滑关节轴承织物衬垫涂层材料，其特征在于其包括环氧树脂60～80份(重量份，下同)、氨丙基POSS 0.1～5份、纳米级聚四氟乙烯粉5～25份、稀释剂15～35份、硅烷偶联剂0.5～5份、固化剂10～25份、表面活性剂0.1～1份。

2.根据权利要求1所述的一种自润滑关节轴承织物衬垫涂层材料，其特征在于所述环氧树脂为商品环氧树脂，分子中含有两个或多个环氧基团的化合物。

3.根据权利要求1所述的一种自润滑关节轴承织物衬垫涂层材料，其特征在于所述POSS结构如下：

其中R为非反应性基团，为异丁基、异辛基、乙基、环己基、环戊基、苯基；R₁为活性官能团，为氨丙基。

4.根据权利要求1所述的一种自润滑关节轴承织物衬垫涂层材料，其特征在于所述纳米级聚四氟乙烯粉由辐照法制备，粒径为200～600nm。

5.根据权利要求1所述的一种自润滑关节轴承织物衬垫涂层材料，其特征在于所述稀释剂为多缩水甘油醚、环氧丙烷丁基醚、环氧丙烷苯基醚、二环氧丙烷乙基醚、三环氧丙烷丙基醚或丙酮的一种或数种。

6.根据权利要求1所述的一种自润滑关节轴承织物衬垫涂层材料，其特征在于所述硅烷偶联剂采用通式为Y(CH₂)_nSiX₃的硅烷偶联剂，其中，n＝0～3；X为氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基、乙酰氧基，Y为氨基或环氧基。

7.根据权利要求1所述的一种自润滑关节轴承织物衬垫涂层材料，其特征在于所述固化剂为与环氧树脂配合使用的胺类或酸酐类化合物。

8.根据权利要求1所述的一种自润滑关节轴承织物衬垫涂层材料，其特征在于所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯醇或阿拉伯胶。

9.如权利要求1所述的一种自润滑关节轴承织物衬垫涂层材料的制造方法，其特征在于根据涂层配方组成，首先将表面活性剂、聚四氟乙烯粉、硅烷偶联剂、POSS、固化剂依次溶于稀释剂中，搅拌0.5～1h得到均匀乳液；其次，超声振荡下往乳液中分批逐量加入环氧树脂，搅拌1～2h至均匀,制得涂层材料；

使用时，将织物用同种稀释剂清洗干净后刷涂前述所制备的涂层材料，40～60℃下用鼓风烘箱烘1～2h，然后施加0.2～0.3MPa的压力并升温至150～170℃保温2～3h固化。