CN104017284A - 一种氯磺化聚乙烯橡胶组合物、及其制备的水润滑橡胶轴承衬套 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氯磺化聚乙烯橡胶组合物、及其制备的水润滑橡胶轴承衬套,属于橡胶轴承技术领域,所述组合物包括如下组分:氯磺化聚乙烯100phr、氧化铅0~30phr、环氧树脂0~20phr、硫磺0~3phr、硬脂酸0.5~2phr、促进剂0.5~3phr、防老剂1~5phr、润滑剂0~15phr、炭黑30~70phr、耐磨剂0~50phr,本发明有益效果为本发明制备的水润滑橡胶轴承衬套摩擦性能和磨耗性能优异,且优于以丁腈橡胶为基体的水润滑橡胶轴承。
Description
技术领域
本发明涉及一种氯磺化聚乙烯橡胶组合物、及其制备的水润滑橡胶轴承衬套,属于橡胶轴承技术领域。
背景技术
尾轴承是船舶推进系统的重要组成部分,其作用是支承螺旋桨轴。随着船舶吨位的增大和航速的提高,这使尾轴承处在严酷工作状态(润滑状态),从而产生严重的摩擦、磨损,致使密封失效在低速、重载、启动、停机等一些特殊工况下,恶劣的润滑状态会导致轴颈与轴承摩擦副产生振动噪声,严重影响水下航行器的安全性、隐蔽性及生存能力。尾轴承的摩擦、磨损、噪声已成为威胁舰船可靠运行的关键因素。
长期以来,船舶尾轴承多使用金属材料,并以矿物油作为润滑介质,这样不仅耗费了大量的油料和贵重金属等战略资源,而且无法解决因油泄漏引发的严重水污染问题。目前,上述问题已经引起全世界范围内的广泛关注,一些发达国家投入了巨额资金进行治理技术和新型装备的研究开发。随着低碳经济时代的到来,“绿色船舶”的理念被提上发展的意识日程上,国际海事组织(IMO)、欧盟以及各大船级社纷纷出台各种规范、标准,从制度上确保海洋环境免受污染。因此,在舰船尾轴承中,具有资源节约与环境友好特点的水润滑轴承取代油润滑轴承,是必然的发展趋势。
水作润滑介质具有无污染、来源广、节能、安全等特点,而橡胶具有高减振、易加工、抗摩擦和抗疲劳等性能。利用橡胶替代金属构件作为轴承摩擦副,用水替代矿物油作为润滑介质(水润滑橡胶轴承),可以从根本上解决金属构件组成的轴承摩擦副存在的磨损大、振动强、噪声高、无功能耗高、可靠性差和寿命较短以及漏油污染等一系列问题,满足经济可持续和环境友好的发展要求。
水润滑尾轴承材料的使用主要经历了三个阶段,目前进入了采用SPA、赛龙、BTG等以橡胶为基体的复合材料的使用阶段。而对船舶尾轴承材料的研制一直是水润滑橡胶轴承领域的关键技术。
Roy L Omdorfif Jr等自20世纪60年代至70年代,对各类水润滑轴承材料的性能开展了广泛的研究,结果表明丁腈橡胶(NBR)是最优良的水润滑轴承材料之一,具有良好的物理化学性能,优异的气密性和良好的吸振性等,是目前在水润滑橡胶轴承材料方面应用最为成功、最为广泛的一种橡胶材料。重庆大学开发的BTG及国外EasyTum等水润滑轴承的摩擦副材料均为丁腈橡胶。
氯磺化聚乙烯(CSM)在水润滑橡胶轴承的制备中尚无公开发表。CSM属于饱和型橡胶,因此,较其它不饱和型橡胶,CSM具有优异的耐臭氧、耐天候老化性能;突出的耐热老化性能,在120~140℃高温下能连续使用数年;良好的耐水、耐油、耐化学品等性能;同时CSM的耐燃性优异,是仅次于氯丁橡胶的耐燃橡胶;在加工过程中,CSM能与天然、丁苯、丁基、丁腈或氯丁等橡胶几乎按任何配比并用,这些特性特别适合于制备水润滑橡胶轴承,有可能成为新型的水润滑橡胶轴承材料。
发明内容
本发明通过采用氯磺化聚乙烯橡胶代替现有丁腈橡胶制备水润滑橡胶轴承衬套,提高了水润滑橡胶轴承的性能,也扩大了氯磺化聚乙烯橡胶的应用领域。
本发明提供了一种氯磺化聚乙烯橡胶组合物,所述组合物包括如下组分:
本发明所述氯磺化聚乙烯的氯含量优选为23~47%、硫含量优选为0.5~1.8%。
本发明所述环氧树脂优选为二酚基丙烷型环氧树脂、有机钛改性二酚基丙烷型环氧树脂、有机硅改性二酚基丙烷型环氧树脂、二酚基丙烷侧链型环氧树脂、酚醛多环氧树脂、丙三醇环氧树脂硅环氧树脂、酚酞环氧树脂、四酚基环氧树脂中的至少一种。
本发明所述促进剂优选为N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺、N,N-二环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺、一硫化四甲基秋兰姆、一硫化四丁基秋兰姆、二硫化四甲基秋兰姆、二硫化四乙基秋兰姆、二硫化四丁基秋兰姆、四硫化双戊亚甲基秋兰姆、2-硫醇基苯并噻唑、二硫化二苯并噻唑、2-(4-吗啉硫代)苯并噻唑、二苯胍中的至少一种。
本发明所述防老剂优选为N-苯基-α-萘胺、N-苯基-β-萘胺、2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉聚合体、N,N-二丁基二硫代氨基甲酸镍、N-异丙基-N'-苯基对苯二胺中的至少一种。
本发明所述润滑剂优选为古马隆、氯化石蜡、石油树脂、合成树脂中的至少一种。
本发明所述合成树脂优选为癸二酸二辛酯、己二酸二辛酯、壬二酸二辛酯、邻苯二甲酸二辛酯中的至少一种。
本发明所述炭黑优选为超耐磨炉法炭黑、中超耐磨炉法炭黑、高耐磨炉法炭黑、通用炉法炭黑和半补强炉法炭黑中的一种。
本发明所述耐磨剂优选为二硫化钼、石墨、聚四氟乙烯和碳纤维中的一种。
本发明的另一目的是提供上述组合物制备水润滑橡胶轴承衬套的方法,所述方法为将100phr的氯磺化聚乙烯、0~30phr的氧化铅、0~20phr的环氧树脂、0~3phr的硫磺、0.5~2phr的硬脂酸、0.5~3phr的促进剂、1~5phr的防老剂、0~15phr的润滑剂、30~70phr的炭黑和0~50phr的耐磨剂经过混炼、模压硫化成型。
本发明的又一目的是提供上述制备方法得到的水润滑橡胶轴承衬套。
本发明有益效果为:
①氯磺化聚乙烯属于饱和型橡胶,分子链不存在不饱和键,具有优异的耐臭氧、耐天候老化和耐热老化性能;
②氯磺化聚乙烯还具有良好的耐水、耐油和耐磨性能,耐水和耐油性能优于丁腈橡胶,生热性低于丁腈橡胶;
③可以代替目前广泛使用的水润滑橡胶轴承材料丁腈橡胶,为水润滑橡胶轴承基体材料提供了新的选择。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明,但不以任何方式限制本发明。
下述船用标准橡胶轴承的邵氏A硬度为70~80度。
对比例1~3
一种水润滑橡胶轴承衬套的制备方法,所述方法将100phr的丁腈橡胶、1.5phr的硫磺、5phr的氧化锌、0.7phr的N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺、1phr的2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉聚合体、1phr的硬脂酸、5phr的古马隆分别与70phr、80phr、90phr的中超耐磨炭黑N220在橡胶混炼设备上进行混合,在成型压力25MPa、硫化温度150℃、硫化时间20min的条件下,模压硫化成型得到水润滑橡胶轴承衬套。
所述丁腈橡胶牌号JSR240,CN含量26%。
对比例4~6
与对比例1的区别为:还分别加入10phr、20phr、30phr的二硫化钼。
实施例1~3
一种水润滑橡胶轴承衬套的制备方法,所述方法将100phr的氯磺化聚乙烯、25phr的氧化铅、1.0phr的硬脂酸、2phr的四硫化双戊亚甲基秋兰姆、0.5phr的二硫化二苯并噻唑、3phr的N,N-二丁基二硫代氨基甲酸镍、10phr的癸二酸二辛酯分别与40phr、50phr、60phr的中超耐磨炭黑N220在橡胶混炼设备上进行混合,在成型压力25MPa、硫化温度160℃、硫化时间10min的条件下,模压硫化成型得到水润滑橡胶轴承衬套。
所述氯磺化聚乙烯橡胶牌号3550,氯含量为35%,硫含量为1.5%。
实施例4~5
与实施例1的区别为:10phr的二酚基丙烷型环氧树脂代替25phr的氧化铅;中超耐磨炭黑N220的用量分别为60phr、70phr;
所述环氧树脂牌号E51。
实施例6~7
与实施例1的区别为:2phr的二硫化四甲基秋兰姆和1phr的硫磺代替2phr的四硫化双戊亚甲基秋兰姆和0.5phr的二硫化二苯并噻唑;中超耐磨炭黑N220的用量分别为30phr、40phr。
实施例8~10
与实施例4的区别为:2phr的二硫化四甲基秋兰姆和1phr的硫磺代替2phr的四硫化双戊亚甲基秋兰姆和0.5phr的二硫化二苯并噻唑;癸二酸二辛酯的用量为5phr;中超耐磨炭黑N220的用量分别为50phr、60phr、70phr。
实施例11~13
与实施例1的区别为:还分别加入10phr、20phr、30phr的二硫化钼。
实施例14~16
与实施例4的区别为:还分别加入10phr、20phr、30phr的二硫化钼。
实施例17~18
与实施例6的区别为:还分别加入10phr、20phr的二硫化钼。
实施例19~20
与实施例9的区别为:还分别加入10phr、20phr的二硫化钼。
应用例1
将对比例1~3制备的水润滑橡胶轴承衬套装配在轴承外圈内表面,构成水润滑橡胶轴承。
性能测试:测试条件为转速500r/min、载荷500N、时间60min,对磨轴衬材料为不锈钢316L,表面粗糙度为Ra=1.6um,润滑介质为海水,测试结果见表1、表2。
表1中超耐磨炭黑N220加入量对橡胶材料硬度的影响
结论:对比例1~3制备的水润滑橡胶轴承衬套硬度均满足船用标准。
表2中超耐磨炭黑N220加入量对橡胶轴承摩擦系数、耐磨性能的影响
结论:随着中超耐磨炭黑N220加入量的增加,橡胶轴承的摩擦系数和磨损量也增加;对比例1的中超耐磨炭黑N220加入量最佳。
应用例2
与应用例1的区别为:对比例4~6制备的水润滑橡胶轴承衬套代替对比例1~3制备的水润滑橡胶轴承衬套,测试结果见表2、表4。
表3二硫化钼加入量对橡胶材料硬度的影响
邵氏A硬度 |
度 | |
对比例1 | 70.2 |
对比例4 | 70.9 |
对比例5 | 71.6 |
对比例6 | 72.0 |
结论:随着二硫化钼加入量的增加,硬度也增加;对比例4~6制备的水润滑橡胶轴承衬套硬度均满足船用标准。
表4二硫化钼加入量对橡胶轴承摩擦系数、磨损性能的影响
结论:随着二硫化钼加入量的增加,橡胶轴承的摩擦系数和磨耗量先降低后增加;对比例4的二硫化钼加入量最佳。
应用例3
将对比例4制备的水润滑橡胶轴承衬套装配在轴承外圈内表面,构成水润滑橡胶轴承。
性能测试:测试条件为载荷500N、时间60min,对磨轴衬材料为不锈钢316L,表面粗糙度为Ra=1.6um,润滑介质为海水,测试结果见表5。
表5转速对橡胶轴承的摩擦系数影响
结论:随着转速的增加,橡胶轴承的摩擦系数先降低后增加;在转速600r/min时,橡胶轴承的摩擦系数最小,且在转速600r/min时,橡胶轴承的磨损量为0.0308~0.0359g。
应用例4
将对比例4制备的水润滑橡胶轴承衬套装配在轴承外圈内表面,构成水润滑橡胶轴承。
性能测试:测试条件为转速500r/min、时间60min,对磨轴衬材料为不锈钢316L,表面粗糙度为Ra=1.6um,润滑介质为海水,测试结果见表6。
表6载荷对橡胶轴承的摩擦系数影响
结论:随着载荷的增加,橡胶轴承的摩擦系数先降低后增加;在载荷500N时,橡胶轴承的摩擦系数最小,且在载荷500N时,橡胶轴承的磨损量为0.0359~0.0427g。
应用例5
与应用例1的区别为:实施例1~3制备的水润滑橡胶轴承衬套代替对比例1~3制备的水润滑橡胶轴承衬套,测试结果见表7、表8。
表7中超耐磨炭黑N220加入量对橡胶材料硬度的影响
结论:实施例1~2制备的水润滑橡胶轴承衬套硬度均满足船用标准。
表8中超耐磨炭黑N220加入量对橡胶轴承摩擦系数、磨损性能的影响
结论:随着中超耐磨炭黑N220加入量的增加,橡胶轴承的摩擦系数和磨损量也增加;实施例1的中超耐磨炭黑N220加入量最佳,且实施例1~3优于对比例1~3。
应用例6
与应用例1的区别为:实施例4~5制备的水润滑橡胶轴承衬套代替对比例1~3制备的水润滑橡胶轴承衬套,测试结果见表9、表10。
表9中超耐磨炭黑N220加入量对橡胶材料硬度的影响
结论:实施例4~5制备的水润滑橡胶轴承衬套硬度均满足船用标准。
表10中超耐磨炭黑N220加入量对橡胶轴承摩擦系数、磨损性能的影响
结论:随着中超耐磨炭黑N220加入量的增加,橡胶轴承的摩擦系数和磨损量也增加;实施例4~5与实施例1~3相比,橡胶轴承的摩擦系数和磨损量均有所改善;实施例4的中超耐磨炭黑N220加入量最佳,且实施例4~5优于对比例1~3。
应用例7
与应用例1的区别为:实施例6~7制备的水润滑橡胶轴承衬套代替对比例1~3制备的水润滑橡胶轴承衬套,测试结果见表11、表12。
表11中超耐磨炭黑N220加入量对橡胶材料硬度的影响
结论:实施例6制备的水润滑橡胶轴承衬套硬度满足船用标准。
表12炭黑加入量对橡胶轴承摩擦系数、磨损性能的影响
结论:实施例6与实施例1~3相比,橡胶轴承的摩擦系数和磨损量均有所改善;实施例6优于对比例1~3。
应用例8
与应用例1的区别为:实施例8~10制备的水润滑橡胶轴承衬套代替对比例1~3制备的水润滑橡胶轴承衬套,测试结果见表13、表14。
表13中超耐磨炭黑N220加入量对橡胶材料硬度的影响
结论:实施例8~10制备的水润滑橡胶轴承衬套硬度均满足船用标准。
表14中超耐磨炭黑N220加入量对橡胶轴承摩擦系数、磨损性能的影响
结论:实施例8~10与实施例4~5相比,橡胶轴承的摩擦系数和磨损量相似;实施例8~10优于对比例1~3。
应用例9
与应用例1的区别为:实施例11~13制备的水润滑橡胶轴承衬套代替对比例1~3制备的水润滑橡胶轴承衬套,测试结果见表15、表16。
表15二硫化钼加入量对橡胶材料硬度的影响
结论:实施例11~13制备的水润滑橡胶轴承衬套硬度均满足船用标准。
表16二硫化钼加入量对橡胶轴承摩擦系数、磨损性能的影响
结论:随着二硫化钼的增加,橡胶轴承的摩擦系数先降低后增加,磨损量增加;实施例11的二硫化钼加入量最佳,且实施例11~13优于对比例4~7。
应用例10
与应用例1的区别为:实施例14~16制备的水润滑橡胶轴承衬套代替对比例1~3制备的水润滑橡胶轴承衬套,测试结果见表17、表18。
表17二硫化钼加入量对橡胶材料硬度的影响
结论:实施例14~16制备的水润滑橡胶轴承衬套硬度均满足船用标准。
表18二硫化钼加入量对橡胶轴承摩擦系数、磨损性能的影响
结论:随着二硫化钼的增加,橡胶轴承的摩擦系数先降低后增加,磨损量增加,实施例15的二硫化钼加入量最佳,且实施例14~16优于对比例4~7。
应用例11
与应用例1的区别为:实施例17~18制备的水润滑橡胶轴承衬套代替对比例1~3制备的水润滑橡胶轴承衬套,测试结果见表19、表20。
表19二硫化钼加入量对橡胶材料硬度的影响
结论:实施例17~18制备的水润滑橡胶轴承衬套硬度均满足船用标准。
表20二硫化钼加入量对橡胶轴承摩擦系数、磨耗性能的影响
结论:随着二硫化钼的增加,橡胶轴承的摩擦系数和磨损量先降低后增加;实施例17的二硫化钼加入量最佳,且实施例17~18优于对比例4~7。
应用例12
与应用例1的区别为:实施例19~20制备的水润滑橡胶轴承衬套代替对比例1~3制备的水润滑橡胶轴承衬套,测试结果见表21、表22。
表21二硫化钼加入量对橡胶材料硬度的影响
结论:实施例19~20制备的水润滑橡胶轴承衬套影响均满足船用标准。
表22二硫化钼加入量对橡胶轴承摩擦系数、磨损性能的影响
结论:随着二硫化钼的增加,橡胶轴承的摩擦系数和磨损量降低,实施例20的二硫化钼加入量最佳,且实施例19~20优于对比例4~7。
应用例13
与应用例3的区别为:实施例11制备的水润滑橡胶轴承衬套代替对比例4制备的水润滑橡胶轴承衬套,测试结果见表23。
表23转速对橡胶轴承的摩擦系数影响
结论:随着转速的增加,橡胶轴承的摩擦系数先降低后增加;在转速600r/min时,橡胶轴承的摩擦系数最小,且在转速600r/min时,橡胶轴承的磨损量为0.0259~0.0317g;实施例11优于对比例4。
应用例14
与应用例3的区别为:实施例15制备的水润滑橡胶轴承衬套代替对比例4制备的水润滑橡胶轴承衬套,测试结果见表24。
表24转速对橡胶轴承的摩擦系数影响
结论:实施例15与实施例11相比,橡胶轴承的摩擦系数均有所改善;随着转速的增加,橡胶轴承的摩擦系数先降低后增加;在转速700r/min时,橡胶轴承的摩擦系数最小,且在转速700r/min时,橡胶轴承的磨损量为0.0262~0.0310g;实施例15优于对比例4。
应用例15
与应用例3的区别为:实施例17制备的水润滑橡胶轴承衬套代替对比例4制备的水润滑橡胶轴承衬套,测试结果见表25。
表25转速对橡胶轴承的摩擦系数影响
结论:随着转速的增加,橡胶轴承的摩擦系数先降低后增加;在转速600r/min时,橡胶轴承的摩擦系数最小,且在转速600r/min时,橡胶轴承的磨损量为0.0105~0.0156g;实施例17优于对比例4。
应用例16
与应用例3的区别为:实施例20制备的水润滑橡胶轴承衬套代替对比例4制备的水润滑橡胶轴承衬套,测试结果见表26。
表26转速对橡胶轴承的摩擦系数影响
结论:随着转速的增加,橡胶轴承的摩擦系数先降低后增加;在转速700r/min时,橡胶轴承的摩擦系数最小,且在转速700r/min时,橡胶轴承磨损量为0.0166~0.0238g;实施例20优于对比例4。
应用例17
与应用例4的区别为:实施例11制备的水润滑橡胶轴承衬套代替对比例4制备的水润滑橡胶轴承衬套,测试结果见表27。
表27载荷对橡胶轴承的摩擦系数影响
结论:随着载荷的增加,橡胶轴承的摩擦系数先降低后增加;在载荷500N时,橡胶轴承的摩擦系数最小,且在载荷500N时,橡胶轴承的磨损量为0.0279~0.0386g;实施例11优于对比例4。
应用例18
与应用例4的区别为:实施例15制备的水润滑橡胶轴承衬套代替对比例4制备的水润滑橡胶轴承衬套,测试结果见表28。
表28载荷对橡胶轴承的摩擦系数影响
结论:随着载荷的增加,橡胶轴承的摩擦系数先降低后增加;在载荷500N时,橡胶轴承的摩擦系数最小,且在载荷500N时,橡胶轴承的磨损量为0.0295~0.0349g;实施例15优于对比例4。
应用例19
与应用例4的区别为:实施例17制备的水润滑橡胶轴承衬套代替对比例4制备的水润滑橡胶轴承衬套,测试结果见表29。
表29载荷对橡胶轴承的摩擦系数影响
结论:随着载荷的增加,橡胶轴承的摩擦系数先降低后增加;在载荷500N时,橡胶轴承的摩擦系数最小,且在载荷500N时,橡胶轴承的磨损量为0.0135~0.0245g;实施例17优于对比例4。
应用例20
与应用例4的区别为:实施例20制备的水润滑橡胶轴承衬套代替对比例4制备的水润滑橡胶轴承衬套,测试结果见表30。
表30载荷对橡胶轴承的摩擦系数影响
结论:随着载荷的增加,橡胶轴承的摩擦系数先降低后增加;在载荷500N时,橡胶轴承的摩擦系数最小,且在载荷500N时,橡胶轴承的磨损量为0.0209~0.0332g;实施例20与对比例4相似。
综上所述,测试条件为转速100r/min、载荷100~700N,四种配方下的CSM作为水润滑橡胶轴承的基体材料,其摩擦性能和磨耗性能绝大部分优于使用NBR基体制备的水润滑橡胶轴承。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种氯磺化聚乙烯橡胶组合物,其特征在于:所述组合物包括如下组分:
2.根据权利要求1所述的组合物,其特征在于:所述氯磺化聚乙烯的氯含量为23~47%、硫含量为0.5~1.8%。
3.根据权利要求1所述的组合物,其特征在于:所述环氧树脂为二酚基丙烷型环氧树脂、有机钛改性二酚基丙烷型环氧树脂、有机硅改性二酚基丙烷型环氧树脂、二酚基丙烷侧链型环氧树脂、酚醛多环氧树脂、丙三醇环氧树脂硅环氧树脂、酚酞环氧树脂、四酚基环氧树脂中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的组合物,其特征在于:所述促进剂为N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺、N,N-二环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺、一硫化四甲基秋兰姆、一硫化四丁基秋兰姆、二硫化四甲基秋兰姆、二硫化四乙基秋兰姆、二硫化四丁基秋兰姆、四硫化双戊亚甲基秋兰姆、2-硫醇基苯并噻唑、二硫化二苯并噻唑、2-(4-吗啉硫代)苯并噻唑、二苯胍中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的组合物,其特征在于:所述防老剂为N-苯基-α-萘胺、N-苯基-β-萘胺、2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉聚合体、N,N-二丁基二硫代氨基甲酸镍、N-异丙基-N'-苯基对苯二胺中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的组合物,其特征在于:所述润滑剂为古马隆、氯化石蜡、石油树脂、合成树脂中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的组合物,其特征在于:所述炭黑为超耐磨炉法炭黑、中超耐磨炉法炭黑、高耐磨炉法炭黑、通用炉法炭黑和半补强炉法炭黑中的一种。
8.根据权利要求1所述的组合物,其特征在于:所述耐磨剂为二硫化钼、石墨、聚四氟乙烯和碳纤维中的一种。
9.由权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的组合物制备水润滑橡胶轴承衬套的方法,其特征在于:所述方法为将100phr的氯磺化聚乙烯、0~30phr的氧化铅、0~20phr的环氧树脂、0~3phr的硫磺、0.5~2phr的硬脂酸、0.5~3phr的促进剂、1~5phr的防老剂、0~15phr的润滑剂、30~70phr的炭黑和0~50phr的耐磨剂经过混炼、模压硫化成型。
10.权利要求9所述的制备方法得到的水润滑橡胶轴承衬套。
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