CN103214788A - 一种耐磨、高强、轻质的聚醚醚酮复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨、高强、轻质的聚醚醚酮复合材料，其原料及配比为：共聚醚醚酮树脂71-83质量份，悬浮聚四氟乙烯树脂5-10质量份，碳纤维粉7-12质量份，三氧化二铝粉5-7质量份，硅烷偶联剂，添加量为三氧化二铝粉质量的0.8-1.5%。本发明聚醚醚酮复合材料具有耐磨损、高强度、自润滑、质轻、耐腐蚀等性能特点，用以取代硬质合金与金属骨架组装成新型滑动轴承，在满足使用寿命要求的情况下，有效降低了轴承产品的成本和重量（重量降低了30%），并且能明显降低泵的功耗和噪音，达到节能降耗的目的。

Description

一种耐磨、高强、轻质的聚醚醚酮复合材料

一、技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种耐磨、高强、轻质的聚醚醚酮复合材料，在新型滑动轴承中作为耐磨材料替代硬质合金使用。

二、背景技术

目前在多级离心泵中采用的滑动轴承是以硬质合金为耐磨材料镶嵌在金属骨架上，组装而成，使用寿命较长，性能比较稳定。但因为硬质合金价位高，该滑动轴承在多级离心泵中又作为辅助轴承，数量较多，所以使得轴承配件的成本过高，而且硬质合金的密度大，使设备重量增加，泵功耗和噪音也明显增大，在当前要求节能降耗和进一步降低泵产品成本的情况下，急需一种耐磨、高强、轻质的新材料来替代硬质合金，制成满足使用要求的滑动轴承产品。

普通配方的聚醚醚酮复合材料具有高强度、自润滑、密度小等特性，可以满足多级离心泵滑动轴承的基本性能要求，而且密度是硬质合金材料的十分之一，可以有效降低设备的配件重量和相关成本，但其耐颗粒磨损性较差，在含有细砂和其它固体颗粒较多的介质中使用寿命有限，限制了其在多级离心泵领域的应用。因此，需要通过配方的改进，来提高聚醚醚酮复合材料的耐颗粒磨损性，替代硬质合金，制造出新型复合滑动轴承，满足不同类型的多级离心泵的需要。

三、发明内容

本发明旨在提供一种能满足滑动轴承使用要求的耐磨、高强、轻质的聚醚醚酮复合材料，所要解决的技术问题是在保证复合材料高强度、轻质的前提下提高其耐颗粒磨损性能。

本发明耐磨、高强、轻质的聚醚醚酮复合材料，其特征在于其原料及配比为：

共聚醚醚酮树脂      71-83质量份，

悬浮聚四氟乙烯树脂  5-10质量份，

碳纤维粉            7-12质量份，

三氧化二铝粉        5-7质量份，

硅烷偶联剂，添加量为三氧化二铝粉质量的0.8-1.5%。

所述共聚醚醚酮树脂的熔融黏度300Pa.s，粉末状，粒径25-35μm，数均分子量4-6万。

所述悬浮聚四氟乙烯树脂为粉末状，粒径25-35μm，数均分子量600-1000万。

所述碳纤维粉的直径5-12μm，长径比6-8：1，拉伸强度≥2GPa，杨氏模量≥250GPa。

所述三氧化二铝粉的粒径25-30μm，纯度≥97%。

所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）。

本发明为了解决现有硬质合金复合滑动轴承成本高、重量大的缺点，以热塑性工程塑料聚醚醚酮为基体的复合材料替代硬质合金，作为滑动轴承的耐磨材料层。本发明复合材料的配方设计由四部分组成：

（1）以共聚醚醚酮树脂作为基体材料。聚醚醚酮树脂是耐高温特种工程塑料，具有优异的耐磨性、物理机械强度和耐化学腐蚀性，耐温等级高，长期使用温度在260℃以上，蠕变性小，耐疲劳性可与合金材料媲美。

（2）以悬浮聚四氟乙烯树脂作为自润滑剂。聚四氟乙烯具有优异的耐高低温性、自润滑性和耐腐蚀性，由于自身的螺旋结构，使其成为是固体材料中摩擦系数最低者，常与聚醚醚酮材料配合使用。

（3）以高强型碳纤维粉作为增强纤维材料。碳纤维的比重不到钢的1/4，其树脂复合材料的抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为230-430GPa，亦高于钢，是聚醚醚酮复合材料最常用的增强材料之一。

（4）以具有耐颗粒磨损、高硬度、高强度的三氧化二铝粉作为耐磨填料。三氧化二铝几乎不溶于水及非极性有机溶剂，质极硬，机械强度高，耐化学腐蚀性和导热性良好，一般作磨料用，对硬质颗粒的耐磨性非常好，与聚醚醚酮相容性较差，需要通过表面处理提高二者间的界面力，以最大程度提高聚醚醚酮复合材料的耐磨性。

以上配方设计，一方面通过选用耐磨填料和增强纤维提高了复合材料的表面硬度、耐颗粒磨损性和强度，另一方面通过选用自润滑剂，降低了材料的摩擦系数，最终达到提高复合材料耐颗粒磨损性和自润滑性的目的，最终制造出耐颗粒磨损、高强度、自润滑、质轻的聚醚醚酮复合材料，以满足滑动轴承耐磨材料层的使用要求。

本发明聚醚醚酮复合材料的制备方法如下：

1、表面处理

取5-7质量份的三氧化二铝粉，在搅拌机中搅拌，同时喷洒硅烷偶联剂溶液，硅烷偶联剂用量是三氧化二铝粉质量的0.8-1.5wt%，硅烷偶联剂溶液中硅烷偶联剂的质量百分比为20wt%，乙醇的质量百分比为72wt%，水的质量百分比为8wt%；搅拌15-20分钟后取出，在130℃温度下干燥（一般2小时），粉碎后过200-300目标准筛，得到表面处理后的三氧化二铝粉，待用。

2、混合

向搅拌机中添加71-83质量份的共聚醚醚酮树脂和7-12质量份的碳纤维粉，搅拌均匀后再添加5-10质量份的悬浮聚四氟乙烯树脂和步骤1得到的表面处理后的三氧化二铝粉，搅拌均匀后得混合料，取出待用。

3、干燥

将步骤2得到的混合料放到130℃的烘箱中，干燥1-2小时。

4、热压、冷却、脱模

将步骤3得到的干燥后的混合料加入热压机模具模腔中进行压制预成型，压机的压力为65-70MPa，保压加热（热压房间温度控制在18-23℃之间），当物料温度达到375-380℃时保温保压25-35分钟，然后加压到80MPa，保温保压3分钟，压力保持在80MPa，停止加热并自然冷却，当物料温度降到100℃以下时，脱模取出得到聚醚醚酮复合材料。

本发明聚醚醚酮复合材料的制备方法简单，易于操作。

本发明聚醚醚酮复合材料具有耐磨损、高强度、自润滑、质轻、耐腐蚀等性能特点，用以取代硬质合金与金属骨架组装成新型滑动轴承，在满足使用寿命要求的情况下，有效降低了轴承产品的成本和重量（重量降低了30%），并且能明显降低泵的功耗和噪音，达到节能降耗的目的。

与普通配方的聚醚醚酮复合材料相比，本发明通过采用高硬度、耐磨损、高强度三氧化二铝粉末作为耐磨填料，并通过表面处理工艺来改善它与聚醚醚酮的相容性，提高二者间的粘结力，减缓了材料的磨粒磨损，从而提高了聚醚醚酮复合材料的耐硬质颗粒磨损性和硬度，具有更加优异的物理机械性能，具体数值见表1。经实测表明，在相同的试验条件下，本发明的聚醚醚酮复合材料磨耗量更小，磨痕宽度更窄（见表2）。台架试验表明：本发明聚醚醚酮复合材料滑动轴承比普通配方的聚醚醚酮复合材料滑动轴承更加耐磨，在工业水（含少量细砂类杂质）的介质中，产品表面未见明显的划伤沟槽。

四、附图说明

图1是滑动轴承的剖面示意图。

五、具体实施方式

以下通过具体实施方式，对本发明作进一步说明。

本发明实施例中使用的各原料参数为：

共聚醚醚酮树脂的熔融黏度300Pa.s，粒径25-35μm，数均分子量4-6万。

悬浮聚四氟乙烯树脂的粒径25-35μm，数均分子量600-1000万。

碳纤维粉的直径5-12μm，长径比6-8：1，拉伸强度≥2GPa，杨氏模量≥250GPa。

三氧化二铝粉的粒径25-30μm，纯度≥97%。

实施例1：

1、表面处理

取5质量份的三氧化二铝粉，在搅拌机中搅拌，同时喷洒KH550溶液，KH550用量是三氧化二铝粉质量的1wt%，KH550溶液中KH550的质量百分比为20wt%，乙醇的质量百分比为72wt%，水的质量百分比为8wt%；搅拌15-20分钟后取出，在130℃温度下干燥2小时，粉碎后过200-300目标准筛，得到表面处理后的三氧化二铝粉，待用。

2、混合

向搅拌机中添加80质量份的共聚醚醚酮树脂（牌号：021P，生产厂家：盘锦中润特塑有限公司）和7质量份的碳纤维粉，搅拌均匀后再添加8质量份的悬浮聚四氟乙烯树脂和步骤1得到的表面处理后的三氧化二铝粉，搅拌均匀后得混合料，取出待用。

3、干燥

将步骤2得到的混合料放到130℃的烘箱中，干燥1-2小时。

4、热压、冷却、脱模

将步骤3得到的干燥后的混合料加入热压机模具模腔中进行压制预成型，压机的压力为70MPa，保压加热，当物料温度达到380℃时保温保压25分钟，然后加压到80MPa，保温保压3分钟，压力保持在80MPa，停止加热并自然冷却，当物料温度降到100℃以下时，脱模取出，室温静置12小时，得到聚醚醚酮复合材料。通过机械加工制得相关试验件和复合滑动轴承产品，进行相关的性能测试和产品台架试验。

实施例2：

1、表面处理

取8质量份的三氧化二铝粉，在搅拌机中搅拌，同时喷洒KH550溶液，KH550用量是三氧化二铝粉质量的1wt%，KH550溶液中KH550的质量百分比为20wt%，乙醇的质量百分比为72wt%，水的质量百分比为8wt%；搅拌15-20分钟后取出，在130℃温度下干燥2小时，粉碎后过200-300目标准筛，得到表面处理后的三氧化二铝粉，待用。

2、混合

向搅拌机中添加75质量份的共聚醚醚酮树脂（牌号：021P，生产厂家：盘锦中润特塑有限公司）和9质量份的碳纤维粉，搅拌均匀后再添加8质量份的悬浮聚四氟乙烯树脂和步骤1得到的表面处理后的三氧化二铝粉，搅拌均匀后得混合料，取出待用。

3、干燥

将步骤2得到的混合料放到130℃的烘箱中，干燥1-2小时。

4、热压、冷却、脱模

将步骤3得到的干燥后的混合料加入热压机模具模腔中进行压制预成型，压机的压力为70MPa，保压加热，当物料温度达到380℃时保温保压25分钟，然后加压到80MPa，保温保压3分钟，压力保持在80MPa，停止加热并自然冷却，当物料温度降到100℃以下时，脱模取出，室温静置12小时，得到聚醚醚酮复合材料。通过机械加工制得相关试验件和复合滑动轴承产品，进行相关的性能测试和产品台架试验。

实施例3：

1、表面处理

取3质量份的三氧化二铝粉，在搅拌机中搅拌，同时喷洒KH550溶液，KH550用量是三氧化二铝粉质量的1wt%，KH550溶液中KH550的质量百分比为20wt%，乙醇的质量百分比为72wt%，水的质量百分比为8wt%；搅拌15-20分钟后取出，在130℃温度下干燥2小时，粉碎后过200-300目标准筛，得到表面处理后的三氧化二铝粉，待用。

2、混合

向搅拌机中添加83质量份的共聚醚醚酮树脂（牌号：021P，生产厂家：盘锦中润特塑有限公司）和7质量份的碳纤维粉，搅拌均匀后再添加7质量份的悬浮聚四氟乙烯树脂和步骤1得到的表面处理后的三氧化二铝粉，搅拌均匀后得混合料，取出待用。

3、干燥

将步骤2得到的混合料放到130℃的烘箱中，干燥1-2小时。

4、热压、冷却、脱模

将步骤3得到的干燥后的混合料加入热压机模具模腔中进行压制预成型，压机的压力为70MPa，保压加热，当物料温度达到380℃时保温保压25分钟，然后加压到80MPa，保温保压3分钟，压力保持在80MPa，停止加热并自然冷却，当物料温度降到100℃以下时，脱模取出，室温静置12小时，得到聚醚醚酮复合材料。通过机械加工制得相关试验件和复合滑动轴承产品，进行相关的性能测试和产品台架试验。

本发明聚醚醚酮复合材料的物理机械性能见表1：

表1

对比例1：普通配方1号的聚醚醚酮复合材料

取75质量份的共聚醚醚酮树脂（牌号：021P，生产厂家：盘锦中润特塑有限公司）、10质量份的碳纤维粉和15质量份的石墨在搅拌机中均匀混合，放在热压机模具中，加压到70MPa，保压，加热，当物料温度达到380℃时，保温保压25分钟，再继续加压到80MPa，保温保压3分钟，停止加热，压力不变，当物料温度降到100℃以下时，脱模取出复合材料毛坯。室温停放12小时，再通过机械加工制得相关试验件和复合滑动轴承产品，进行相关的性能测试和产品台架试验。

比较例2：普通配方2号的聚醚醚酮复合材料

取75质量份的共聚醚醚酮树脂（牌号：021P，生产厂家：盘锦中润特塑有限公司）、15质量份的碳纤维粉，和10份悬浮聚四氟乙烯树脂在搅拌机中均匀混合，放在热压机模具中，加压到70MPa，保压，加热，当物料温度达到380℃时，保温保压25分钟，再继续加压到80MPa，保温保压3分钟，停止加热，压力不变，当物料温度降到100℃以下时，脱模取出复合材料毛坯。室温停放12小时，再通过机械加工制得相关试验件和复合滑动轴承产品，进行相关的性能测试和产品台架试验。

将实施例1、2、3和对比例1、2制得的聚醚醚酮复合材料加工成试验件，按照GB3960-83的试验要求，进行了材料的耐磨性能测试，测试结果和试验工况见下表2。

表2

经产品台架试验考核，实施例1制备的聚醚醚酮复合材料作为新型滑动轴承产品在运行500小时后，磨损量为0.008mm，无明显的划伤沟槽，产品承载面比较光滑；而对比例1制成的聚醚醚酮复合材料作为新型滑动轴承产品在运行500小时后，磨损量为0.01mm，有较深的划伤沟槽，产品承载面比试验前粗糙很多。

台架试验工况：工作压力≤3.5MPa，主轴转速≤1500rpm，介质：常温工业水，含少量细砂类杂质。

Claims (6)

1.一种耐磨、高强、轻质的聚醚醚酮复合材料，其特征在于其原料及配比为：

共聚醚醚酮树脂      71-83质量份，

悬浮聚四氟乙烯树脂  5-10质量份，

碳纤维粉            7-12质量份，

三氧化二铝粉        5-7质量份，

硅烷偶联剂，添加量为三氧化二铝粉质量的0.8-1.5%。

2.根据权利要求1所述的聚醚醚酮复合材料，其特征在于：

所述共聚醚醚酮树脂的熔融黏度300Pa.s，粒径25-35μm，数均分子量4-6万。

3.根据权利要求1所述的聚醚醚酮复合材料，其特征在于：

所述悬浮聚四氟乙烯树脂的粒径25-35μm，数均分子量600-1000万。

4.根据权利要求1所述的聚醚醚酮复合材料，其特征在于：

所述碳纤维粉的直径5-12μm，长径比6-8：1，拉伸强度≥2GPa，杨氏模量≥250GPa。

5.根据权利要求1所述的聚醚醚酮复合材料，其特征在于：

所述三氧化二铝粉的粒径25-30μm，纯度≥97%。

6.根据权利要求1所述的聚醚醚酮复合材料，其特征在于：

所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷。