CN103628058B - 一种高耐磨性金属基自润滑ptfe涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高耐磨性金属基自润滑PTFE涂层的制备方法，采用PTFE为原料，其特征是将PTFE或PTFE与添加剂的混合物涂覆到金属基材表面，经过干燥后形成PTFE膜，再利用电子加速器在330℃-355℃的温度下进行辐照，使PTFE处于熔融状态，辐照气氛为惰性气体，使金属基材表面的PTFE分子发生交联，形成三维网状结构。利用该方法得到的交联PTFE涂层，与常规的PTFE高温烧结得到的涂层相比，其耐磨性能可提高5-100倍，甚至更高。该方法的优点在于不需要在PTFE中掺杂其它添加剂就可以获得纯PTFE的高耐磨、高润滑性的涂层，然而根据不同用途，在PTFE中掺杂其它添加剂，能获得更好的耐磨和润滑性的涂层。
Description
技术领域
本发明属于高耐磨性金属基自润滑PTFE(聚四氟乙烯)涂层的制备方法，特别是一种高耐磨性金属基自润滑PTFE涂层的制备方法。
背景技术
聚四氟乙烯(PTFE)涂层在电力、化学、半导体、汽车、医疗、食品等领域具有广泛应用。由于PTFE分子链几乎是线性的，具有强烈的分子内线相互作用，因此极性和表面能很低，导致PTFE涂层与金属基材的结合强度比较低。为克服这些缺陷，一般使用primer(过渡层)或添加其他成份，尽管这些措施可能会影响PTFE涂层的热稳定性及纯度。表面含有PTFE聚合物涂层、具有自润滑功能的金属基无油润滑轴承在各种机械设备中发挥中重要作用，也已经成为一个专门的产业。这种轴承利用了PTFE所具有的润滑性、电绝缘性、以及表面不粘性和耐高低温特性。该类轴承的制造需要两道工艺：首先在不锈钢板上高温烧结一层铜粉，表面形成一层金属铜；然后在铜的表面再高温烧结PTFE，形成致密的PTFE涂层，赋予材料特殊的自润滑功能。为提高PTFE涂层的耐摩擦性能，通常将铜粉、玻璃纤维、碳纤维、石墨、甚至铅粉与PTFE混合并一起烧结。烧结工艺完成后再经过若干加工工艺最终制造成不同尺寸的轴承。
金属基PTFE自润滑涂层具有摩擦系数低的优点，因为PTFE是所有聚合物材料摩擦系数最低的物质，但是由于其特殊的分子结构，PTFE最大的缺点是耐磨性能较低，在较高的载荷下容易发生磨损。而且由于PTFE与金属材料(铜的涂层)相容性较差，因此PTFE涂层的厚度受到一定限制。该类自润滑轴承在实际使用中由于PTFE逐渐磨损而导致寿命较短，为延长使用寿命而需要添加各种助剂提高PTFE涂层的耐磨性能。然而这种通过外部添加助剂的方法对提高PTFE涂层的耐磨效果是非常有限的。
和其它聚合物的交联类似，将线性的PTFE分子链段进行交联形成三维网状的立体结构可以提高抗蠕变性及耐磨性。由于PTFE分子链中氟原子电子云之间强烈的空间位阻及库伦排斥力，因此很难发生交联反应。在电离辐射作用下，PTFE是一种典型的辐射裂解性聚合物(1)。自20世纪90年代以来科学家们发现了PTFE在熔点附近的温度辐照可以发生交联。交联PTFE基本保留了PTFE材料的优点，但熔点和结晶度略微降低、透明度增加。交联PTFE最引人注目的优点是其突出的耐摩擦磨损特性(2)。根据交联程度(或吸收的辐照剂量)的高低，交联PTFE的耐磨性能提高幅度也不相同，当辐照剂量达到300kGy以上时，耐磨性能可以提高1000倍甚至1000倍以上。交联PTFE突出的耐磨特性如果能在金属基PTFE自润滑涂层中得到应用，可以大幅度提高自润滑轴承的使用寿命、提高产品的附加值和竞争力。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术的不足而提供可以大幅度提高自润滑性能和耐磨性能的一种高耐磨性金属基自润滑PTFE涂层的制备方法。
为了实现上述目的，本发明所提供的一种高耐磨性金属基自润滑PTFE涂层的制备方法，采用PTFE为原料，将PTFE或PTFE与添加剂的混合物涂覆到金属基材表面，经过干燥后形成PTFE膜，再利用电子加速器在330℃-355℃的温度下进行辐照，使PTFE处于熔融状态，辐照气氛为惰性气体，使金属基材表面的PTFE分子发生交联，形成三维网状结构。
本发明提供的一种高耐磨性金属基自润滑PTFE涂层的制备方法，可以在辐照先在惰性气体环境下于380℃-390℃温度范围内进行烧结，烧结后再采用电子加速器进行辐照。
所述PTFE为原料可以为乳液、也可以是PTFE粉末，可以是纯度级的PTFE，也可以是非纯度级的，所述经过干燥后形成PTFE膜可以是纯的PTFE膜，也可以是PTFE与添加剂的混合物形成的膜，所述的添加剂可以是玻璃纤维粉末、碳纤维粉末、石墨粉末。
所述利用电子加速器进行辐照，可以采用电子能量为100KeV-3MeV的加速器进行辐照，吸收剂量控制在10kGy-500kGy。
所述金属基材可以是铜基材，所述铜基材可以是在其它金属表面涂覆铜涂层，特别是可以在不锈钢板表面涂覆铜涂层，也可以直接是铜质基材。
所述金属表面涂覆铜涂层，可以是将铜粉摊铺在金属板的一面、然后高温烧结，使金属表面镀上一层一定厚度的金属铜。
本发明得到的辐射交联的PTFE涂层，其耐磨性能可提高5-100倍，甚至更高，并且摩擦系数低，本发明可以采用纯度级PTFE乳液制备纯PTFE涂层，不使用PTFE粉末，在PTFE中不添加其它成分。但是也可以采用非纯度级的PTFE乳液及PTFE粉末，并添加添加剂，再采用电子辐照器辐照时，保持PTFE涂层的温度在330℃-355℃，在这个温度范围以外的温度进行辐照都可能使PTFE发生辐射裂解，不能获得具有高耐磨性的金属基PTFE涂层。
PTFE的分子量通常是几百万甚至千万以上，先将PTFE或PTFE与玻璃纤维、石墨等添加剂的混合物铺涂在预先烧结了一层铜粉的不锈钢板上。本发明就是基于这样的考虑，将PTFE涂层在380℃-390℃进行烧结，然后利用电子束加速器在330℃-355℃且惰性气体(N2或其它气体)保护下进行辐照，通过电离辐照使PTFE在熔融状态下发生分子链之间的交联，形成三维网状结构。也可以不对PTFE涂层进行预烧结，而直接在330℃-355℃且惰性气体保护下进行电子束加速器辐照，同样可以使PTFE涂层发生交联。辐照辐照温度需要严格控制在上述温度范围，温度过高或过低都不能使PTFE交联，反而使其产生裂解导致分子量降低。PTFE涂层经过高温辐照交联后耐磨性能可得到大幅度提升。将金属基PTFE涂层在高温下进行电子束加速器辐照使PTFE发生交联是本发明的关键之处。
本发明采用电子束加速器在高温条件下直接对PTFE涂层进行辐照的方法，使PTFE在烧结的过程中同时发生交联，简化生产工艺。辐照交联反应在惰性气氛中进行，避免空气中氧气的参与而发生辐射裂解反应。辐射交联反应的温度严格控制在330-355℃，避免在过高或过低温度下可能发生的PTFE辐射裂解。本发明不采用交联PTFE粉末在金属表面烧结形成涂层的方案，因为在烧结过程中交联PTFE可能发生裂解而导致性能降低。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
本实施例提供的一种高耐磨性金属基自润滑PTFE涂层的制备方法，选择长度120厘米、宽度20厘米、厚度2毫米的不锈钢板，采用一般的工艺方法将铜粉摊铺在钢板的一面、然后高温烧结，使不锈钢板的表面镀上一层厚度约30微米的金属铜。以该钢板作为金属基材，在本发明所描述的实施例中都使用这种基材。不过本发明的范围不受不锈钢材料种类、尺寸以及金属铜涂层厚度的影响，因为这些因素不是本发明的关键。将纯度级PTFE摊铺到金属基材的铜涂层表面，进行碾压，形成厚度约40微米的PTFE涂层，然后在380℃、氮气气氛下烧结20分钟，得到的样品部分作为对照样1。另外一部分继续在340℃、氮气保护下用电子能量为500KeV的加速器进行辐照，吸收剂量为100kGy，辐照结束后自然冷却，得到样品1。
将得到的对照样1和样品1按照GB3960-83塑料滑动摩擦磨损试验方法评价试样的摩擦磨损性能。试件尺寸切割为长为70毫米、宽60毫米的长方形，在环形盘(ring-on-disc)摩擦磨损测试机上进行耐摩性能对照测试。对偶环为45不锈钢，圆环的内径26毫米，外径30毫米。试件和对偶环用砂纸粗抛光，再用丙酮棉球擦洗干净、晾干。在室温、圆环相对滑动速度27米每分钟、载荷为200牛顿下干滑动滑动摩擦磨损，试验时间10分钟。摩擦磨损试验结束后精确称量试样的质量，并与试验前的质量进行对比，试验前后的质量之差即为磨损导致的质量减轻。对照样1的磨损为120毫克，样品1的磨损为8.0毫克，因此经过100kGy剂量的辐照交联后，交联PTFE涂层的耐磨性能提高15倍。
实施例2：
本实施例提供的一种高耐磨性金属基自润滑PTFE涂层的制备方法，与实施例1基本相同，将含有PTFE涂层的金属板材在340℃、氮气保护下用电子能量为500KeV的加速器进行辐照，吸收剂量为300kGy，辐照结束后自然冷却，得到样品2。
将样品2在环形盘(ring-on-disc)摩擦磨损测试机上进行耐摩性能测试。不锈钢圆环的内径26毫米，外径30毫米。试件和对偶环用砂纸粗抛光，再用丙酮棉球擦洗干净、晾干。在室温、圆环相对滑动速度27米每分钟、载荷为200牛顿下干滑动滑动摩擦磨损，试验时间10分钟。样品2的磨损为1.0毫克，因此经过300kGy剂量的辐照交联后，PTFE涂层的耐磨性能提高120倍。
：实施例3：
本实施例提供的一种高耐磨性金属基自润滑PTFE涂层的制备方法，将PTFE原料与碳纤维粉末、石墨粉末按照80∶10∶10的比例混合均匀，然后摊铺到金属基材的铜涂层表面，进行碾压，形成厚度约50微米的PTFE涂层，然后在380℃、氮气气氛下烧结20分钟。得到的样品部分作为对照样2，另外一部分继续在350℃、氮气保护下用电子能量为1.5MeV的加速器进行辐照，吸收剂量为50kGy，辐照结束后自然冷却，得到样品3。
将得到的对照样2和样品3在环形盘(ring-on-disc)摩擦磨损测试机上进行耐摩性能对照测试。不锈钢圆环的内径26毫米，外径30毫米。试件和对偶环用砂纸粗抛光，再用丙酮棉球擦洗干净、晾干。在室温、圆环相对滑动速度27米每分钟、载荷为200牛顿下干滑动滑动摩擦磨损，试验时间20分钟。对照样2的磨损为180毫克，样品3的磨损为35毫克，因此经过50kGy剂量的辐照交联后，PTFE涂层的耐磨性能提高5.2倍。
实施例4：
本实施例提供的一种高耐磨性金属基自润滑PTFE涂层的制备方法，与实施例3基本相同，将含有PTFE(以及碳纤维和石墨)涂层的金属板材在350℃、氮气保护下用电子能量为1.5MeV的加速器进行辐照，吸收剂量为100kGy，辐照结束后自然冷却，得到样品4。
将得到的样品4在环形盘(ring-on-disc)摩擦磨损测试机上进行耐摩性能测试。不锈钢圆环的内径26毫米，外径30毫米。试件和对偶环用砂纸粗抛光，再用丙酮棉球擦洗干净、晾干。在室温、圆环相对滑动速度27米每分钟、载荷为200牛顿下干滑动滑动摩擦磨损，试验时间20分钟。样品4的磨损为10毫克，因此经过100kGy剂量的辐照交联后，该PTFE涂层的耐磨性能提高18倍。
实施例5：
本实施例提供的一种高耐磨性金属基自润滑PTFE涂层的制备方法，是将60％固含量的PTFE乳液喷涂到不金属基材的铜涂层表面，在120℃干燥30分钟使水分完全挥发，形成厚度约30微米的PTFE涂层。然后在390℃、氮气气氛下烧结20分钟。得到的样品部分作为对照样3，另外一部分继续在335℃、氮气保护下用电子能量为1.5MeV的加速器进行辐照，吸收剂量为80kGy，辐照结束后自然冷却，得到样品5。
将得到对照样3和样品5在环形盘(ring-on-disc)摩擦磨损测试机上进行耐摩性能对照测试。不锈钢圆环的内径26毫米，外径30毫米。试件和对偶环用砂纸粗抛光，再用丙酮棉球擦洗干净、晾干。在室温、圆环相对滑动速度27米每分钟、载荷为200牛顿下干滑动滑动摩擦磨损，试验时间10分钟。摩擦磨损试验结束后精确称量试样的质量，并与试验前的质量进行对比，试验前后的质量之差即为磨损导致的质量减轻。对照样3的磨损为135毫克，样品5的磨损为12.0毫克，因此经过100kGy剂量的辐照交联后，PTFE涂层的耐磨性能提高11.3倍。
实施例6：
本实施例提供的一种高耐磨性金属基自润滑PTFE涂层的制备方法，根据实施例5制备的PTFE涂层不经过高温与烧结，直接在比PTFE熔点327℃高出28℃的温度(355℃)下进行辐照交联，在氮气保护下用电子能量为1.5MeV的加速器进行辐照，吸收剂量为150kGy，辐照结束后自然冷却，得到样品6。
将得到的样品6在环形盘(ring-on-disc)摩擦磨损测试机上进行耐摩性能测试。不锈钢圆环的内径26毫米，外径30毫米。试件和对偶环用砂纸粗抛光，再用丙酮棉球擦洗干净、晾干。在室温、圆环相对滑动速度27米每分钟、载荷为200牛顿下干滑动滑动摩擦磨损试验时间10分钟。样品6的磨损为7毫克，因此经过150kGy剂量的辐照交联后，与对照样3相比，该PTFE涂层的耐磨性能提高19倍。该实施例表明PTFE涂层可以不经过高温予烧结、直接在PTFE熔点以上的温度进行辐照交联同样可以获得高耐磨性。
Claims (6)
1.一种高耐磨性金属基自润滑PTFE涂层的制备方法，采用PTFE为原料，其特征是将PTFE或PTFE与添加剂的混合物涂覆到金属基材表面，经过干燥后形成PTFE膜，再利用电子加速器在330℃-355℃的温度下进行辐照，辐照的电子能量为100KeV-3MeV的加速器进行辐照，吸收剂量控制在10kGy-500kGy，使PTFE处于熔融状态，辐照气氛为惰性气体，使金属基材表面的PTFE分子发生交联，形成三维网状结构。
2.根据权利要求1所述的一种高耐磨性金属基自润滑PTFE涂层的制备方法，其特征是在辐照先在惰性气体环境下于380℃-390℃温度范围内进行烧结，烧结后再采用电子加速器进行辐照。
3.根据权利要求1或2所述的一种高耐磨性金属基自润滑PTFE涂层的制备方法，其特征是所述PTFE为原料是乳液、粉末，所述PTFE与添加剂的混合物是PTFE与玻璃纤维粉末或碳纤维粉末或石墨粉末或及其结合的混合物。
4.根据权利要求1或2所述的一种高耐磨性金属基自润滑PTFE涂层的制备方法，其特征是所述金属基材是铜质基材或在其它金属表面涂覆铜涂层。
5.根据权利要求4所述的一种高耐磨性金属基自润滑PTFE涂层的制备方法，其特征是所述金属表面涂覆铜涂层，可以是将铜粉摊铺在金属板的一面、然后高温烧结，使金属表面镀上一层一定厚度的金属铜。
6.根据权利要求5所述的一种高耐磨性金属基自润滑PTFE涂层的制备方法，其特征是所述的在其它金属表面涂覆铜涂层是在不锈钢板表面涂覆铜涂层。
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