CN104817840A - 一种水润滑轴承用高承载及减振耐磨高分子复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水润滑轴承用高承载及减振耐磨高分子复合材料，该材料通过下列步骤来制备：1）聚氨酯预聚体的制备：在氮气保护下，将甲苯二异氰酸酯（TDI）和经过脱水处理的聚合物二醇在70~140℃反应1~4h后脱气即得聚氨酯预聚体；2）无机填料/环氧树脂复合材料的制备：50~100℃常压条件下，将环氧树脂和无机填料搅拌混合均匀，即得无机填料/环氧树脂复合材料；3）将聚氨酯预聚体和无机填料/环氧树脂复合材料在50~100℃常压下搅拌混合均匀，脱气，然后加入4，4'-亚甲基双-(2-氯苯胺)固化剂，50~100℃常压下混合均匀，倒入80~100℃预热好的模具中，在80~120℃条件下，固化6~12h。本发明所述材料具有机械强度高、摩擦系数小、磨损率低和不使用溶剂等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种水润滑轴承用高承载及减振耐磨高分子复合材料，属于高分子复合材料领域。
背景技术
目前，我国的机电排灌保有量达7000多万kW，已建成泵站46万余座，大中型泵站5500多座。可以预见，随着国民经济的进一步发展，必将有更多的泵站工程投入建设。
高分子水润滑轴承因其结构简单，而且用水作为润滑介质具有无污染和来源广等优点，还能降低和减少摩擦副产生的磨损和冲击等问题，使其在水泵导轴承和舰艇尾轴等部件中获得了广泛应用。高分子水润滑轴承起着承受水泵转动部件径向力和稳定叶轮转动的作用，同时也是大型泵站水泵如轴立式泵（ZLB）的关键易磨易损部件。水润滑轴承磨损时，河水中的泥沙进入轴承间隙，经轴颈的挤压嵌入轴承，轴颈磨损，被磨毛糙的轴颈反过来加速轴承的磨损，恶性循环，轴承磨损加剧，轴颈面层很快大片脱落，轴承间隙增大，造成叶片碰壳。
目前国内高分子水润滑轴承材料主要有橡胶水润滑轴承和树脂基水润滑轴承。然而，这两类水润滑轴承材料都有各自的缺点：橡胶水润滑轴承由于其高弹性而具有良好的泥沙包容性适合于在高泥沙含量的水质条件下使用，并具有良好的减振降噪特性，然而其承载能力低、启动摩擦系数大和制备工艺复杂的劣势也极大地限制了它的应用；树脂基水润滑轴承由于其优异的力学性能而具有良好的承载能力和耐磨性，然而树脂材料硬度高而质脆的特性，使其不能在含有泥沙等杂质的工况下使用。目前国内水润滑轴承的相关专利有：CN201210325590一种以硬质橡胶为内衬水润滑轴承的制造方法，CN201210174107.9一种复合材料背衬水润滑橡胶轴承及其制备方法，CN201220354803水润滑轴承，CN201210431208一种具有高承载力及自润滑性的水润滑轴承，CN201220025915一种带有双螺旋沟槽的水润滑轴承，CN201210140470.9水润滑轴承用超高分子量聚乙烯复合材料。这些专利提供的是橡胶水润滑轴承材料、树脂水润滑轴承材料和水润滑轴承的制备方法，并没有解决橡胶水润滑轴承和树脂水润滑轴承所面临的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水润滑轴承用高承载及减振耐磨高分子复合材料。该材料具有良好的承载能力、减振降噪性能和减摩耐磨性能。
本发明的技术方案：以聚氨酯和环氧树脂为基体材料，并在基体中加入无机填料起增强和减磨耐磨作用。本发明所述材料兼具聚氨酯橡胶材料的高弹性、环氧树脂的高承载特性和无机填料的减摩耐磨特性，可有效提高水润滑轴承用高分子复合材料的的承载性能、减振降噪性能和减摩耐磨性能。
本发明所述水润滑轴承用高承载及减振耐磨高分子复合材料，其特征在于该材料通过下列步骤来制备：
1）聚氨酯预聚体的制备：在氮气保护下，将甲苯二异氰酸酯（TDI）和经过脱水处理的聚合物二醇在70~140℃反应1~4h后脱气即得聚氨酯预聚体；
2）无机填料/环氧树脂复合材料的制备：50~100℃常压条件下，将环氧树脂和无机填料搅拌混合均匀，即得无机填料/环氧树脂复合材料；
3）将聚氨酯预聚体和无机填料/环氧树脂复合材料在50~100℃常压下搅拌混合均匀，脱气，然后加入4，4'-亚甲基双-(2-氯苯胺)固化剂，50~100℃常压下混合均匀，倒入80~100℃预热好的模具中，在80~120℃条件下，固化6~12h。
所述聚合物二醇的脱水条件为：温度80~120℃，真空度0.05~0.1Mpa，时间4~10h。
所述聚合物二醇为聚四氢呋喃二醇（PTMG）、聚乙二醇（PEG）和聚己内酯二醇（PCL）中的一种，数均分子量均为500~5000。
所述TDI与聚合物二醇的摩尔比为1～4:1。
所述环氧树脂为E51和E44中的一种。
所述无机填料为纳米二氧化硅、碳纳米管、碳纤维、石墨和二硫化钼中的一种。
所述无机填料与环氧树脂的质量比为0.1~1.5:1。
所述聚氨酯预聚体与无机填料/环氧树脂复合材料的质量比为2.5~0.1:1。
所述4，4'-亚甲基双-(2-氯苯胺)固化剂的质量为环氧树脂质量的10~45%。
所述步骤1）和步骤3）中脱气的条件均为：真空度0.05~0.1Mpa，时间0.5~2h。
本发明选用聚氨酯作为基体是因其优良的耐磨性、阻尼性和高弹性；选用环氧树脂作为基体是因其优良的力学性能；选用无机材料作为填料是因其优良的耐高温、减摩耐磨和导热性能。
本发明的特点在于无机填料的加入使得聚氨酯/环氧树脂复合材料具有机械强度高、摩擦系数小、磨损率低和不使用溶剂等特点，可以在摩擦表面形成连续稳定的转移膜，从而提高材料的减磨性能，延长产品的使用寿命。该材料适用于导轴承和船舶艉轴等水润滑轴承部件。
本发明产品的主要性能指标如下：
大气下摩擦系数：0.20～0.65；
大气下体积磨损率：≤8.5×10-4 mm3/N·m；
水润滑条件下摩擦系数：0.02~0.001；
水润滑条件下体积磨损率：≤6.5×10-5 mm3/N·m；
拉伸强度：≥15 Mpa；
断裂伸长率：≥100%。
具体实施方式
实施例1
制备工艺如下：
1）聚氨酯预聚体的制备：首先，将聚四氢呋喃二醇在100℃，真空度为0.05MPa下脱水4h；其次，在氮气保护下，按TDI与聚四氢呋喃二醇的摩尔比为1:1的比例，加入化学计量的TDI，并在100℃条件下反应2h；最后，真空度为0.08MPa下脱气2h，即得聚氨酯预聚体，命名为A组分；
2）二氧化硅/E51复合材料的制备：50℃常压条件下，将质量比为0.5:1的二氧化硅和E51搅拌混合均匀，命名为B组分；
3）将质量比为2:1的A组分和B组分，50℃常压搅拌混合均匀，命名为C组分，并在真空度为0.05MPa下脱气0.5h。然后，称取4，4'-亚甲基双-(2-氯苯胺)固化剂的质量为C组分中环氧树脂质量的10%，并将其加入C组分中，50℃常压下搅拌混合均匀，倒入80℃预热好的模具中，在100℃条件下，固化8h。
实施例2
制备工艺如下：
1）聚氨酯预聚体的制备：首先，将聚四氢呋喃二醇在120℃，真空度为0.1MPa下脱水10h；其次，在氮气保护下，按TDI与聚四氢呋喃二醇的摩尔比为2:1的比例，加入化学计量的TDI，并在70℃条件下反应4h；最后，真空度为0.06MPa下脱气1h，即得聚氨酯预聚体，命名为A组分；
2）二硫化钼/E44复合材料的制备：80℃常压条件下，将质量比为1:1的二硫化钼和E44搅拌混合均匀，命名为B组分。
3）将质量比为2.5:1的A组分和B组分，80℃常压下搅拌混合均匀，命名为C组分，并在真空度为0.08MPa下脱气1h。然后，称取4，4'-亚甲基双-(2-氯苯胺)固化剂的质量为C组分中环氧树脂质量的25%，并将其加入到C组分中，80℃常压下混合均匀，倒入100℃预热好的模具中，在120℃条件下，固化6h。
实施例3
制备工艺如下：
1）聚氨酯预聚体的制备：首先，将聚乙二醇在80℃，真空度为0.08MPa下脱水7h；其次，在氮气保护下，按TDI与聚乙二醇的摩尔比为3:1的比例，加入化学计量的TDI，并在140℃条件下反应1h；最后，真空度为0.05MPa下脱气0.5h，即得聚氨酯预聚体，命名为A组分；
2）碳纤维/E51复合材料的制备：100℃常压条件下，将质量比为1:1的碳纤维和E51搅拌混合均匀，命名为B组分。
3）将质量比为1.5:1的A组分和B组分，100℃常压下搅拌混合均匀，命名为C组分，并在真空度为0.1MPa下脱气2h。然后，称取4，4'-亚甲基双-(2-氯苯胺)固化剂的质量为C组分中环氧树脂质量的25%，并将其加入到C组分中，100℃常压下混合均匀，倒入100℃预热好的模具中，在80℃条件下，固化12h。
实施例4
制备工艺如下：
1）聚氨酯预聚体的制备：首先，将聚己内酯二醇在100℃，真空度为0.08MPa下脱水8h；其次，在氮气保护下，按TDI与聚己内酯二醇的摩尔比为2:1的比例，加入化学计量的TDI，并在120℃条件下反应2h；最后，真空度为0.08MPa下脱气2h，即得聚氨酯预聚体，命名为A组分；
2）石墨/E44复合材料的制备：60℃常压条件下，将质量比为0.1:1的石墨和E44搅拌混合均匀，命名为B组分。
3）将质量比为1.75:1的A组分和B组分，60℃常压下搅拌混合均匀，命名为C组分，并在真空度为0.05MPa下脱气1h。然后，称取4，4'-亚甲基双-(2-氯苯胺)固化剂的质量为C组分中环氧树脂质量的35%，并将其加入到C组分中，60℃常压下混合均匀，倒入90℃预热好的模具中，在120℃条件下，固化9h。
实施例5
制备工艺如下：
1）聚氨酯预聚体的制备：首先，将聚己内酯二醇在100℃，真空度为0.07MPa下脱水9h；其次，在氮气保护下，按TDI与聚己内酯二醇的摩尔比为4:1的比例，加入化学计量的TDI，并在90℃条件下反应2.5h；最后，真空度为0.08MPa下脱气1h，即得聚氨酯预聚体，命名为A组分；
2）碳纳米管/E51复合材料的制备：90℃常压条件下，将质量比为0.75:1的碳纳米管和 E51搅拌混合均匀，命名为B组分。
3）将质量比为0.1:1的A组分和B组分，90℃常压下搅拌混合均匀，命名为C组分，并在真空度为0.05MPa下脱气1h。然后，称取4，4'-亚甲基双-(2-氯苯胺)固化剂的质量为C组分中环氧树脂质量的35%，并将其加入到C组分中，90℃常压下混合均匀，倒入100℃预热好的模具中，在100℃条件下，固化12h。
实施例6
制备工艺如下：
1）聚氨酯预聚体的制备：首先，将聚四氢呋喃二醇在100℃，真空度为0.08MPa下脱水8h；其次，在氮气保护下，按TDI与聚四氢呋喃二醇的摩尔比为2.5:1的比例，加入化学计量的TDI，并在80℃条件下反应2h；最后，真空度为0.08MPa下脱气2h，即得聚氨酯预聚体，命名为A组分；
2）碳纤维/E44复合材料的制备：70℃常压条件下，将质量比为0.25:1的碳纤维和E44搅拌混合均匀，命名为B组分。
3）将质量比为1.5:1的A组分和B组分，70℃常压下搅拌混合均匀，命名为C组分，并在真空度为0.08MPa下脱气2h。然后，称取4，4'-亚甲基双-(2-氯苯胺)固化剂的质量为C组分中环氧树脂质量的20%，并将其加入到C组分中，70℃常压下混合均匀，倒入100℃预热好的模具中，在90℃条件下，固化11h。
实施例7
制备工艺如下：
1）聚氨酯预聚体的制备：首先，将聚己内酯二醇在100℃，真空度为0.08MPa下脱水8h；其次，在氮气保护下，按TDI与聚己内酯二醇的摩尔比为1.5:1的比例，加入化学计量的TDI，并在90℃条件下反应1h；最后，真空度为0.07MPa下脱气2h，即得聚氨酯预聚体，命名为A组分；
2）二氧化硅/E51复合材料的制备：80℃常压条件下，将质量比为1.5:1的二氧化硅和E51搅拌混合均匀，命名为B组分。
3）将质量比为0.75:1的A组分和B组分，80℃常压下搅拌混合均匀，命名为C组分，并在真空度为0.08MPa下脱气2h。然后，称取4，4'-亚甲基双-(2-氯苯胺)固化剂的质量为C组分中环氧树脂质量的30%，并将其加入到C组分中，80℃常压下混合均匀，倒入85℃预热好的模具中，在110℃条件下，固化8h。
实施例8
制备工艺如下：
1）聚氨酯预聚体的制备：首先，将聚乙二醇在100℃，真空度为0.08MPa下脱水8h；其次，在氮气保护下，按TDI与聚己内酯二醇的摩尔比为3:1的比例，加入化学计量的TDI，并在110℃条件下反应1.5h；最后，真空度为0.08MPa下脱气1h，即得聚氨酯预聚体，命名为A组分；
2）碳纳米管/E44复合材料的制备：100℃常压条件下，将质量比为0.45:1的碳纳米管和E44搅拌混合均匀，命名为B组分。
3）将质量比为0.5:1的A组分和B组分，100℃常压下搅拌混合均匀，命名为C组分，并在真空度为0.05MPa下脱气0.5h。然后，称取4，4'-亚甲基双-(2-氯苯胺)固化剂的质量为C组分中环氧树脂质量的45%，并将其加入到C组分中，100℃常压下混合均匀，倒入80℃预热好的模具中，在110℃条件下，固化8h。
实施例9
制备工艺如下：
1）聚氨酯预聚体的制备：首先，将聚乙二醇在100℃，真空度为0.08MPa下脱水8h；其次，在氮气保护下，按TDI与聚乙二醇的摩尔比为4:1的比例，加入化学计量的TDI，并在90℃条件下反应1.5h；最后，真空度为0.08MPa下脱气2h，即得聚氨酯预聚体，命名为A组分；
2）二硫化钼/E44复合材料的制备：60℃常压条件下，将质量比为0.75:1的二硫化钼和E44搅拌混合均匀，命名为B组分。
3）将质量比为1:1的A组分和B组分，60℃常压下搅拌混合均匀，命名为C组分，并在真空度为0.08MPa下脱气2h。然后，称取4，4'-亚甲基双-(2-氯苯胺)固化剂的质量为C组分中环氧树脂质量的15%，并将其加入到C组分中，60℃常压下混合均匀，倒入95℃预热好的模具中，在120℃条件下，固化8h。
Claims (10)
1.水润滑轴承用高承载及减振耐磨高分子复合材料，其特征在于该材料通过下列步骤来制备：
1）聚氨酯预聚体的制备：在氮气保护下，将甲苯二异氰酸酯和经过脱水处理的聚合物二醇在70~140℃反应1~4h后脱气即得聚氨酯预聚体；
2）无机填料/环氧树脂复合材料的制备：50~100℃常压条件下，将环氧树脂和无机填料搅拌混合均匀，即得无机填料/环氧树脂复合材料；
3）将聚氨酯预聚体和无机填料/环氧树脂复合材料在50~100℃常压下搅拌混合均匀，脱气，然后加入4，4'-亚甲基双-(2-氯苯胺)固化剂，50~100℃常压下混合均匀，倒入80~100℃预热好的模具中，在80~120℃条件下，固化6~12h。
2.如权利要求1所述的水润滑轴承用高承载及减振耐磨高分子复合材料，其特征在于所述聚合物二醇的脱水条件为：温度80~120℃，真空度0.05~0.1Mpa，时间4~10h。
3.如权利要求1所述的水润滑轴承用高承载及减振耐磨高分子复合材料，其特征在于所述聚合物二醇为聚四氢呋喃二醇、聚乙二醇和聚己内酯二醇中的一种，数均分子量均为500~5000。
4.如权利要求1所述的水润滑轴承用高承载及减振耐磨高分子复合材料，其特征在于所述TDI与聚合物二醇的摩尔比为1～4:1。
5.如权利要求1所述的水润滑轴承用高承载及减振耐磨高分子复合材料，其特征在于所述环氧树脂为E51和E44中的一种。
6.如权利要求1所述的水润滑轴承用高承载及减振耐磨高分子复合材料，其特征在于所述无机填料为纳米二氧化硅、碳纳米管、碳纤维、石墨和二硫化钼中的一种。
7.如权利要求1所述的水润滑轴承用高承载及减振耐磨高分子复合材料，其特征在于所述无机填料与环氧树脂的质量比为0.1~1.5:1。
8.如权利要求1所述的水润滑轴承用高承载及减振耐磨高分子复合材料，其特征在于所述聚氨酯预聚体与无机填料/环氧树脂复合材料的质量比为2.5~0.1:1。
9.如权利要求1所述的水润滑轴承用高承载及减振耐磨高分子复合材料，其特征在于所述4，4'-亚甲基双-(2-氯苯胺)固化剂的质量为环氧树脂质量的10~45%。
10.如权利要求1所述的水润滑轴承用高承载及减振耐磨高分子复合材料，其特征在于所述步骤1）和步骤3）中脱气的条件均为：真空度0.05~0.1Mpa，时间0.5~2h。
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