CN104927354A - 一种聚酰亚胺基自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种聚酰亚胺基自润滑复合材料及其制备方法，采用多元功能性填料协同复合改性，在聚酰亚胺中引入高强的碳纤维以提高其机械强度和抗磨性，引入固体润滑相石墨改善其减摩性，与此同时，引入少量高强度的纳米碳纤维来保护碳纤维和聚酰亚胺基体，进一步降低其摩擦系数和磨损率，获得高性能聚酰亚胺基自润滑复合材料，满足机械、交通等工业领域对高耐磨润滑材料的需求。

Description

一种聚酰亚胺基自润滑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料领域，尤其是一种聚酰亚胺基自润滑复合材料及其制备方法。
背景技术
随着航空航天、汽车、轮船、机械制造等工业飞速发展，在干摩擦及液压和水环境下使用的高承载的摩擦滑动部件越来越多。自润滑材料技术因其独特优势成为当前润滑技术的发展趋势，高强高耐磨润滑材料的研制也成为了摩擦学领域的研究热点。
聚酰亚胺及其复合材料因具有质轻、抗冲击、耐高温、耐溶剂性能以及良好的减摩抗磨性能，作为润滑材料在国防及民用领域有着广泛应用。纯聚酰亚胺摩擦“跑合”期长、摩擦系数大以及耐磨性差而无法满足高承载、高速等苛刻运行条件的使用要求，因此必须对其改性。为此，科研工作者尝试引入各种填料来改善聚酰亚胺的摩擦学性能的方法已有很多报道，一般采用引入硬质增强相(碳纤维、玻璃纤维、陶瓷以及金属粉末)和固体润滑相(石墨、聚四氟乙烯、二硫化钼以及云母粉等)。但是单一的增强相对聚酰亚胺减摩性的改善效果略显不足，而单一的固体润滑相又常常会伴随复合材料强度的降低。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种聚酰亚胺基自润滑复合材料及其制备方法，采用多元功能性填料协同复合改性，在聚酰亚胺中引入高强的碳纤维以提高其机械强度和抗磨性，引入固体润滑相石墨改善其减摩性，与此同时，引入少量高强度的纳米碳纤维来保护碳纤维和聚酰亚胺基体，进一步降低其摩擦系数和磨损率，获得高性能聚酰亚胺基自润滑复合材料，满足机械、交通等工业领域对高耐磨润滑材料的需求。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种聚酰亚胺基自润滑复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将纳米碳纤维分散于无水乙醇中，依次加入聚酰亚胺、碳纤维和石墨，所述聚酰亚胺、碳纤维、石墨、纳米碳纤维的体积分数分别为65～80％、10～20％、5～15％、3～9％，分散均匀后过滤、烘干、搅拌，得混合料；
(2)将所述混合料依次进行热压成型、保温、冷却、脱模。
进一步，所述聚酰亚胺为单醚酐型，所述聚酰亚胺由4,4’-氧撑双邻苯二甲酸酐和4,4’-二氨基二苯醚聚合而成。
在上述方案中，所述聚酰亚胺的粒径为≤75μm，所述碳纤维平均直径为7μm，长度为25～60μm，所述石墨的粒径为40～500μm，所述纳米碳纤维平均直径为150nm，长度为10-20μm。
在上述方案中，所述热压成型的温度为350～375℃，所述热压成型的压力为25～35MPa，所述保温时间为40～60min。
本发明还包括聚酰亚胺基自润滑复合材料，所述复合材料的邵氏硬度≥85度、压缩强度≥150MPa、吸水率≤0.09wt.％、大气下摩擦系数0.2-0.25、大气下的体积磨损率≤7×10-6mm3/Nm、水润滑下摩擦系数0.09-0.15、水润滑下体积磨损率≤8×10-7mm3/Nm。
本发明的材料是由树脂、增强相、润滑相和纳米材料组成。本发明选用聚酰亚胺树脂作基体是因为其具有良好的热稳定性、高的机械强度、优异的耐溶剂性能，且在高低压、高载下具有较好的摩擦学特性。选用碳纤维作为增强相是因为其具有高的比强度、比模量、低的热膨胀系数、良好的耐蠕变性能和耐腐蚀性能。选用石墨作为润滑相是因为其具有良好的自润滑性能，可以在摩擦配副表面形成致密的润滑膜。选用纳米碳纤维是因为其具有大的比表面积、良好的机械性能以及自润滑性能，可以发挥弥散强化、保护碳纤维和聚酰亚胺基体，同时有助于石墨在摩擦配副表面润滑膜的形成。
本发明的特点在于所制备的聚酰亚胺基自润滑复合材料具有强度高、耐磨性突出、摩擦系数低等优点，且具有低的吸水率，在水环境、高承载等极端苛刻条件下保持优异的润滑性能。该聚酰亚胺基自润滑复合材料可运用于重载、高速以及水环境等恶劣运行条件。
采用多元填料，发挥不同填料协同耦合增强作用，实现聚酰亚胺基复合材料高减摩抗磨性。该材料可作为润滑材料用在工作于重载、高速、大气环境以及水环境等苛刻运行条件的机械部件，延长设备的使用寿命。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
首先，将纳米碳纤维分散到无水乙醇中，超声分散30分钟；其次，依次加入聚酰亚胺、碳纤维和石墨，超声分散处理，过滤烘干，然后机械搅拌混合15分钟；所述的原料的组成和体积分数为聚酰亚胺65％、碳纤维20％、石墨15％、纳米碳纤维3％；最后，采用热压烧结技术，将混好的料热压成型，模压温度为350℃，压力35MPa，保温保压40分钟，自然冷却至室温，脱模。
实施例2
首先，将纳米碳纤维分散到无水乙醇中，超声分散60分钟；其次，依次加入聚酰亚胺、碳纤维和石墨，超声分散处理，过滤烘干，然后机械搅拌混合15分钟；所述的原料的组成和体积分数为聚酰亚胺70％、碳纤维12％、石墨10％、纳米碳纤维9％；最后，将混好的料放入模具中热压成型，模压温度为360℃，压力30MPa，保温保压50分钟，自然冷却至室温，脱模。
实施例3
首先，将纳米碳纤维分散到无水乙醇中，超声分散50分钟；其次，依次加入聚酰亚胺、碳纤维和石墨，超声分散处理，过滤烘干，然后机械搅拌混合15分钟；所述的原料的组成和体积分数为聚酰亚胺75％、碳纤维10％、石墨10％、纳米碳纤维5％；最后，将混好的料放入模具中热压成型，模压温度为360℃，压力30MPa，保温保压60分钟，自然冷却至室温，脱模。
实施例4
首先，将纳米碳纤维分散到无水乙醇中，超声分散50分钟；其次，依次加入聚酰亚胺、碳纤维和石墨，超声分散处理，过滤烘干，然后机械搅拌混合15分钟；所述的原料的组成和体积分数为聚酰亚胺80％、碳纤维15％、石墨5％、纳米碳纤维5％；最后，将混好的料放入模具中热压成型，模压温度为375℃，压力25MPa，保温保压40分钟，自然冷却至室温，脱模。
表1 四个实施例所得聚酰亚胺基自润滑复合材料的性能指标
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种聚酰亚胺基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将纳米碳纤维分散于无水乙醇中，依次加入聚酰亚胺、碳纤维和石墨，所述聚酰亚胺、碳纤维、石墨、纳米碳纤维的体积分数分别为65～80％、10～20％、5～15％、3～9％，分散均匀后过滤、烘干、搅拌，得混合料；
(2)将所述混合料依次进行热压成型、保温、冷却、脱模。
2.如权利要求1所述的聚酰亚胺基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述聚酰亚胺为单醚酐型，所述聚酰亚胺由4,4’-氧撑双邻苯二甲酸酐和4,4’-二氨基二苯醚聚合而成。
3.如权利要求1或2所述的聚酰亚胺基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述聚酰亚胺的粒径为≤75μm，所述碳纤维平均直径为7μm，长度为25～60μm，所述石墨的粒径为40～500μm，所述纳米碳纤维平均直径为150nm，长度为10-20μm。
4.如权利要求3所述的聚酰亚胺基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述热压成型的温度为350～375℃，所述热压成型的压力为25～35MPa，所述保温时间为40～60min。
5.如权利要求1～4中任意一项所述的聚酰亚胺基自润滑复合材料的制备方法得到的聚酰亚胺基自润滑复合材料，其特征在于，所述复合材料的邵氏硬度≥85度、压缩强度≥150MPa、吸水率≤0.09wt.％、大气下摩擦系数0.2～0.25、大气下的体积磨损率≤7×10-6mm3/Nm、水润滑下摩擦系数0.09-0.15、水润滑下体积磨损率≤8×10-7mm3/Nm。
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