CN104294578A - 一种ptfe/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，包括下列步骤：1）取PTFE/芳纶纤维编织衬垫，浸没于稀土溶液中，进行超声波处理；2）取经过超声波处理后的衬垫，用水淋洗后烘干，即得表面处理后的衬垫。本发明的PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，采用稀土溶液作为超声波处理介质，对衬垫进行超声波改性，利用超声波产生的强烈的空化效应，不仅降低了芳纶纤维表面的自由能，而且使稀土溶液快速充分的浸润纤维的表面，由于稀土元素特殊的4f电子层结构，电负性较小，具有突出的化学活性等特点，可把改性剂中的含氧活性基团引入到纤维表面，增加纤维表面活性基团的浓度，大大提高了衬垫的粘接性能。
Description
技术领域
本发明属于衬垫自润滑关节轴承技术领域，具体涉及一种PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法。
背景技术
关节轴承又称球面滑动轴承（Spherical Plain Bearings），主要是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。衬垫自润滑关节轴承是在关节轴承内外圈之间粘接衬垫形式的自润滑材料制成的。其中，衬垫通常为高分子塑料与塑料基复合材料，因而衬垫自润滑关节轴承具有承载能力高、寿命长、转动灵活、无需润滑等特点，被广泛应用于航空、航天、电力、交通、生物医药和纺织等机械设备，尤其是在要求重载、低速摆动和具有自位能力的机构中。
衬垫作为自润滑关节轴承的润滑层，其性能直接决定着自润滑关节轴承的寿命。自润滑衬垫复合材料大致可以分为三类：金属背衬的层状复合材料、聚合物及其填充复合材料、PTFE纤维织物复合材料（即织物自润滑衬垫）。其中，织物自润滑衬垫由PTFE纤维与芳纶、碳纤维、玻璃纤维等通过不同的编织方式编织，并在酚醛树脂、环氧树脂、氰丙烯酸酯等树脂中浸渍，从而形成一种致密的结构，黏结在关节轴承外圈内表面。现有技术中，专利CN102535167A公开了一种轴承用自润滑复合材料衬垫，是由一种PTFE纤维和至少一种其他纤维编织而成的纤维交织物，在纤维交织物的表面包覆有浸渍材料；其中，所述的其他纤维选用芳纶纤维。该PTFE/芳纶纤维编织衬垫具有强度高、摩擦系数小的特点，但是该衬垫在与关节轴承外圈内表面粘接时，往往会因粘接面的芳纶纤维惰性大、活性低、浸润性差等特点，使得其与胶粘剂之间的界面粘附性差，导致整台设备因轴承衬垫粘接不牢而失效，大大限制了自润滑关节轴承在航空航天、矿山机械等领域的发展与应用。因此，有必要开发一种改善PTFE/芳纶纤维编织衬垫粘接性能的表面改性处理方法。
芳纶纤维表面改性方法目前主要有：表面涂敷法、化学接枝法、等离子体处理等。这些方法在一定程度上改善了纤维与树脂基体间的相互作用，提高了界面间的结合强度。但这些方法应用到处理PTFE/芳纶纤维复合编织衬垫时效果不稳定、容易对纤维造成损伤、力学性能损失严重。
现有技术中，专利CN102605606A公开了一种芳纶纤维的超声波表面改性处理方法，通过选用酰胺类有机溶剂为超声波介质，在超声作用下，酰胺类溶剂能有效地刻蚀纤维表面，同时减少芳纶纤维单丝之间的粘连点，改善表面状态，能够大大提高芳纶纤维/环氧复合材料的层间剪切强度。但是在自润滑关节轴承技术领域中，通过上述方法对PTFE/芳纶纤维编织衬垫进行表面改性处理，超声介质中的酰胺类溶剂虽能有效地刻蚀芳纶纤维，达到提高衬垫与胶粘剂之间界面粘附性的目的，但是也会对聚四氟乙烯纤维造成损伤，严重影响了自润滑关节轴承的摩擦学性能，而且也会存在衬垫与轴承外圈内表面粘结不牢靠的问题，从而严重限制了聚四氟乙烯/芳纶纤维复合材料在自润滑关节轴承中的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，解决现有PTFE/芳纶纤维编织衬垫与关节轴承外圈内表面粘接性差的问题。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，包括下列步骤：
1）取PTFE/芳纶纤维编织衬垫，浸没于稀土溶液中，进行超声波处理；
2）取经过超声波处理后的衬垫，用水淋洗后烘干，即得表面处理后的衬垫。
步骤1）中所述稀土溶液由以下重量百分比的组分组成：稀土化合物0.5%～2.5%、氯化铵0.05%～3%、硝酸0.02%～0.5%、尿素0.03%～2.5%，余量为水。
所述稀土溶液所用的水为去离子水。
所述稀土化合物为氧化镧、氧化铈、氯化镧或氯化铈。
步骤1）中所述超声波处理的功率为100～500W，频率为25～50KHz。
所述超声波处理的时间为30～120min。
步骤2）中所述淋洗所用水的温度为25～80℃。所述淋洗所用的水为蒸馏水。
所述淋洗的时间为5～30min。
步骤2）中所述烘干的温度为80～120℃，时间为10～30min。
本发明的PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，采用稀土溶液作为超声波处理介质，对已经成型的PTFE/芳纶纤维编织衬垫进行超声波改性，利用超声波产生的强烈的空化效应，不仅降低了芳纶纤维表面的自由能，而且使稀土溶液快速充分的浸润纤维的表面，由于稀土元素特殊的4f电子层结构，电负性较小，具有突出的化学活性等特点，可把改性剂中的含氧活性基团（如羧基、羟基等）引入到纤维表面，增加纤维表面活性基团的浓度，大大提高了衬垫的粘接性能；本发明的表面处理方法，工艺简单，操作方便，而且还能有效地改善衬垫的柔软度及可粘性，大大提高了工厂的生产效率，适合大规模工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例的PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，包括下列步骤：
1）取PTFE/芳纶纤维编织衬垫，浸没到盛有稀土溶液的超声波处理槽中，打开超声波发生器进行超声波处理，超声功率为100W，频率为50KHz，稀土溶液的温度为25℃，超声波处理时间为30min；
2）取经过超声波处理后的衬垫，用蒸馏水进行充分的淋洗，淋洗用水的温度为50℃，时间为5min，淋洗后将衬垫在80℃的烘箱中烘干，时间为30min，即得表面处理后的衬垫。
其中，所述的稀土溶液是由以下重量百分比的组分组成：氯化镧0.5%、氯化铵0.2%、硝酸0.2%、尿素0.1%，余量为去离子水。
实施例2
本实施例的PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，包括下列步骤：
1）取PTFE/芳纶纤维编织衬垫，浸没到盛有稀土溶液的超声波处理槽中，打开超声波发生器进行超声波处理，超声功率为250W，频率为40KHz，稀土溶液的温度为25℃，超声波处理时间为60min；
2）取经过超声波处理后的衬垫，用蒸馏水进行充分的淋洗，淋洗用水的温度为50℃，时间为10min，淋洗后将衬垫在100℃的烘箱中烘干，时间为20min，即得表面处理后的衬垫。
其中，所述的稀土溶液是由以下重量百分比的组分组成：氧化镧2%、氯化铵0.06%、硝酸0.5%、尿素0.7%，余量为去离子水。
实施例3
本实施例的PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，包括下列步骤：
1）取PTFE/芳纶纤维编织衬垫，浸没到盛有稀土溶液的超声波处理槽中，打开超声波发生器进行超声波处理，超声功率为250W，频率为40KHz，稀土溶液的温度为25℃，超声波处理时间为90min；
2）取经过超声波处理后的衬垫，用蒸馏水进行充分的淋洗，淋洗用水的温度为50℃，时间为15min，淋洗后将衬垫在120℃的烘箱中烘干，时间为5min，即得表面处理后的衬垫。
其中，所述的稀土溶液是由以下重量百分比的组分组成：氧化镧2%、氯化铵0.06%、硝酸0.5%、尿素0.7%，余量为去离子水。
实施例4
本实施例的PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，包括下列步骤：
1）取PTFE/芳纶纤维编织衬垫，浸没到盛有稀土溶液的超声波处理槽中，打开超声波发生器进行超声波处理，超声功率为500W，频率为28KHz，稀土溶液的温度为25℃，超声波处理时间为120min；
2）取经过超声波处理后的衬垫，用蒸馏水进行充分的淋洗，淋洗用水的温度为50℃，时间为20min，淋洗后将衬垫在110℃的烘箱中烘干，时间为10min，即得表面处理后的衬垫。
其中，所述的稀土溶液是由以下重量百分比的组分组成：氯化镧1%、氯化铵0.25%、硝酸0.07%、尿素0.18%，余量为去离子水。
实施例5
本实施例的PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，包括下列步骤：
1）取PTFE/芳纶纤维编织衬垫，浸没到盛有稀土溶液的超声波处理槽中，打开超声波发生器进行超声波处理，超声功率为100W，频率为50KHz，稀土溶液的温度为50℃，超声波处理时间为30min；
2）取经过超声波处理后的衬垫，用蒸馏水进行充分的淋洗，淋洗用水的温度为50℃，时间为5min，淋洗后将衬垫在80℃的烘箱中烘干，时间为30min，即得表面处理后的衬垫。
其中，所述的稀土溶液是由以下重量百分比的组分组成：氯化铈1%、氯化铵0.05%、硝酸0.5%、尿素2.5%，余量为去离子水。
实施例6
本实施例的PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，包括下列步骤：
1）取PTFE/芳纶纤维编织衬垫，浸没到盛有稀土溶液的超声波处理槽中，打开超声波发生器进行超声波处理，超声功率为250W，频率为40KHz，稀土溶液的温度为25℃，超声波处理时间为60min；
2）取经过超声波处理后的衬垫，用蒸馏水进行充分的淋洗，淋洗用水的温度为50℃，时间为10min，淋洗后将衬垫在100℃的烘箱中烘干，时间为20min，即得表面处理后的衬垫。
其中，所述的稀土溶液是由以下重量百分比的组分组成：氧化铈1%、氯化铵1%、硝酸0.2%、尿素0.03%，余量为去离子水。
实施例7
本实施例的PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，包括下列步骤：
1）取PTFE/芳纶纤维编织衬垫，浸没到盛有稀土溶液的超声波处理槽中，打开超声波发生器进行超声波处理，超声功率为250W，频率为40KHz，稀土溶液的温度为25℃，超声波处理时间为90min；
2）取经过超声波处理后的衬垫，用蒸馏水进行充分的淋洗，淋洗用水的温度为50℃，时间为15min，淋洗后将衬垫在120℃的烘箱中烘干，时间为5min，即得表面处理后的衬垫。
其中，所述的稀土溶液是由以下重量百分比的组分组成：氧化铈1%、氯化铵1%、硝酸0.2%、尿素0.03%，余量为去离子水。
实施例8
本实施例的PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，包括下列步骤：
1）取PTFE/芳纶纤维编织衬垫，浸没到盛有稀土溶液的超声波处理槽中，打开超声波发生器进行超声波处理，超声功率为500W，频率为28KHz，稀土溶液的温度为25℃，超声波处理时间为120min；
2）取经过超声波处理后的衬垫，用蒸馏水进行充分的淋洗，淋洗用水的温度为50℃，时间为20min，淋洗后将衬垫在110℃的烘箱中烘干，时间为10min，即得表面处理后的衬垫。
其中，所述的稀土溶液是由以下重量百分比的组分组成：氯化铈0.5%、氯化铵3%、硝酸0.2%、尿素0.03%，余量为去离子水。
实验例
本实验例对实施例1-8所得表面处理后的PTFE/芳纶纤维编织衬垫进行剥离强度测定。测定方法：将待测定的衬垫粘在关节轴承外圈的内表面，按照美国航空标准SAE-AS81820进行剥离强度测定。结果如表1所示。
其中，对比例1的表面处理方法为：采用去离子水作为超声波处理介质，替换稀土溶液，对PTFE/芳纶纤维编织衬垫进行超声波处理，其余同实施例7。
对比例2的表面处理方法为：常温条件下，将PTFE/芳纶纤维编织衬垫置于稀土溶液中浸泡处理90min，取出后在120℃烘箱中烘干5min，然后放在空气中平衡24h；其中，所述的稀土溶液同实施例5。
表1剥离强度测试结果
| PTFE/芳纶纤维编织衬垫 | 剥离强度(N/mm) |
| 实施例1 | 1.5741 |
| 实施例2 | 1.5729 |
| 实施例3 | 1.6830 |
| 实施例4 | 1.7843 |
| 实施例5 | 1.74724 |
| 实施例6 | 1.84845 |
| 实施例7 | 1.92251 |
| 实施例8 | 1.6732 |
| 对比例1 | 0.93707 |
| 对比例2 | 0.72717 |
| 未经表面处理 | 0.65738 |
从表1可以看出，实施例1-8所得表面处理后的PTFE/芳纶纤维编织衬垫的剥离强度，远远大于对比例1和对比例2，以及未经表面处理的衬垫。这是因为：采用超声波和稀土溶液配合使用，不但可以利用超声波产生的强烈的空化效应，降低芳纶纤维表面的自由能，而且还使稀土溶液快速充分的浸润到纤维的表面，由于稀土元素特殊的4f电子层结构，电负性较小，具有突出的化学活性等特点，可把改性剂中的含氧活性基团(如羧基、羟基等)引入到纤维表面，增加纤维表面活性基团的浓度，两者的协同作用，大大提高了衬垫的剥离强度，进而显著提高了其粘接性能。
Claims (9)
1.一种PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，其特征在于：包括下列步骤：
1）取PTFE/芳纶纤维编织衬垫，浸没于稀土溶液中，进行超声波处理；
2）取经过超声波处理后的衬垫，用水淋洗后烘干，即得表面处理后的衬垫。
2.根据权利要求1所述的PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，其特征在于：步骤1）中所述稀土溶液由以下重量百分比的组分组成：稀土化合物0.5%～2.5%、氯化铵0.05%～3%、硝酸0.02%～0.5%、尿素0.03%～2.5%，余量为水。
3.根据权利要求2所述的PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，其特征在于：所述稀土化合物为氧化镧、氧化铈、氯化镧或氯化铈。
4.根据权利要求1、2或3所述的PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，其特征在于：所述稀土溶液的温度为25～50℃。
5.根据权利要求1所述的PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，其特征在于：步骤1）中所述超声波处理的功率为100～500W，频率为25～50KHz。
6.根据权利要求1或5所述的PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，其特征在于：所述超声波处理的时间为30～120min。
7.根据权利要求1所述的PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，其特征在于：步骤2）中所述淋洗所用水的温度为25～80℃。
8.根据权利要求1或7所述的PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，其特征在于：所述淋洗的时间为5～30min。
9.根据权利要求1所述的PTFE/芳纶纤维编织衬垫的表面处理方法，其特征在于：步骤2）中所述烘干的温度为80～120℃，时间为10～30min。
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Application publication date: 20150121 Assignee: Taizhou Kejin Bearings Co., Ltd. Assignor: Henan University of Science and Technology Contract record no.: X2019980000621 Denomination of invention: A surface treatment method of PTFE / aramid fiber woven liner Granted publication date: 20160518 License type: Exclusive License Record date: 20191118 |