CN105273183B

CN105273183B - 复合摩擦材料及其制备方法和制备装置

Info

Publication number: CN105273183B
Application number: CN201510808329.5A
Authority: CN
Inventors: 邓鑫
Original assignee: Central South University of Forestry and Technology
Current assignee: Central South University of Forestry and Technology
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2018-10-12
Anticipated expiration: 2035-11-20
Also published as: CN105273183A

Abstract

本发明公开了一种复合摩擦材料及其制备方法和制备装置。制备方法包括(1)将己内酰胺单体与催化剂反应，得第一反应液；(2)将己内酰胺单体、聚醚多元醇、异氰酸酯化合物和表面带有‑OH基团的固体润滑剂反应，得第二反应液；(3)将第一、二反应液混合，加热成型，得复合摩擦材料。制备装置包括第一反应釜、第二反应釜、真空泵、模具和加热炉，第一、二反应釜通过第一、二缓冲管路与真空泵连通，第一、二缓冲管路上设有缓冲釜，第一、二反应釜通过第一、二出料管与模具上的混合入料管连通。本发明的方法和装置制得的复合摩擦材料在保证拉伸强度和弯曲强度性能的同时，室温及低温冲击韧性、摩擦磨损性能均得到大幅提高。

Description

复合摩擦材料及其制备方法和制备装置

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，涉及一种复合摩擦材料及其制备方法和制备装置，具体涉及一种聚酰胺6/聚氨酯/固体润滑剂复合摩擦材料及其制备方法和制备装置。

背景技术

聚合物材料的表面硬度低，承载能力差，易磨损，为了改善其摩擦学性能，需对聚合物进行物理或化学改性，制成聚合物基复合材料，使其具有优异的摩擦学特性，广泛地应用于需要干摩擦、重载荷、低转速等场合。聚酰胺6复合材料的摩擦特性比较突出，但其耐磨性、自润滑性欠佳，磨损率较大，且在同时要求高冲击性和耐磨性的场合，复合材料制品的使用常常受到限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有优良的摩擦磨损性能、较高的室温及低温冲击韧性、较高的拉伸强度和弯曲强度的复合摩擦材料及其制备方法和制备装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种复合摩擦材料，所述复合摩擦材料是先利用己内酰胺单体、聚醚多元醇和异氰酸酯化合物制备酰基己内酰胺封端的聚氨酯预聚物，再将表面带有-OH基团的固体润滑剂与酰基己内酰胺封端的聚氨酯预聚物反应，最后引发己内酰胺阴离子聚合得到。

上述的复合摩擦材料中，优选的，所述复合摩擦材料在载荷为78.5N～150N，滑行速度为500rpm～1500rpm的条件下，摩擦系数为0.08～0.15，磨损率为1×10^-5mm³/Nm～14.5×10^-5mm³/Nm；所述复合摩擦材料的邵氏硬度为78～85，拉伸强度为50MPa～68MPa；所述复合摩擦材料与纯聚酰胺6相比，室温冲击强度提高2～6倍，-50℃时的低温冲击强度提高1～4倍。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种复合摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将己内酰胺单体与催化剂加入第一反应釜中，加热至熔融，真空脱水，得到己内酰胺阴离子，即第一反应液；

(2)先将己内酰胺单体加入第二反应釜中，加热至熔融后，真空脱水，然后将聚醚多元醇和异氰酸酯化合物加入第二反应釜中，经第一反应后，再加入表面带有-OH基团的固体润滑剂进行第二反应，得到第二反应液；

(3)将第一反应液和第二反应液混合，浇铸至模具中，经加热成型后，得到复合摩擦材料。

上述的复合摩擦材料的制备方法中，优选的，所述步骤(1)和步骤(2)中，所述己内酰胺单体的总质量与所述催化剂的质量之比(即步骤(1)中己内酰胺单体和步骤(2)中己内酰胺单体的总质量与步骤(1)中催化剂的质量之比)为95～99∶1～5；所述步骤(1)中的己内酰胺单体与所述步骤(2)中的己内酰胺单体的质量比为35～60∶40～65。

上述的复合摩擦材料的制备方法中，优选的，所述步骤(2)中，所述异氰酸酯化合物与所述表面带有-OH基团的固体润滑剂的质量比为1～6∶5～20，所述聚醚多元醇与所述异氰酸酯化合物的质量比为2～6∶1～3，所述己内酰胺单体与所述聚醚多元醇的质量比为70～95∶5～30。

上述的复合摩擦材料的制备方法中，优选的，所述步骤(1)中，所述己内酰胺单体的加热温度为120℃～160℃，所述真空脱水的时间为5min～20min；所述步骤(2)中，所述己内酰胺单体的加热温度为120℃～160℃，所述真空脱水的时间为5min～20min，所述第一反应的反应时间为0.5h～1.5h，所述第二反应的反应时间为0.5h～1.5h；所述步骤(3)中，所述加热成型的温度为150℃～180℃，所述加热成型的时间为30min～60min。

上述的复合摩擦材料的制备方法中，优选的，所述步骤(2)中，所述聚醚多元醇包括聚醚二元醇和聚醚三元醇中的一种或两种；所述异氰酸酯化合物包括己二异氰酸酯(HDI)、二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)和三苯甲烷三异氰酸酯(JQ-1胶)中的一种或多种；所述表面带有-OH基团的固体润滑剂包括表面带有-OH基团的胶体石墨、表面带有-OH基团的二硫化钼和表面带有-OH基团的聚四氟乙烯中的一种或多种；所述步骤(1)中，所述催化剂包括金属钠、钠的氢化物、醇钠、氢氧化钠、碳酸钠、金属钾、钾的氢化物、氢氧化钾和有机金属化合物中的一种或多种。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的复合摩擦材料或者上述的制备方法制得的复合摩擦材料的制备装置，所述制备装置包括第一反应釜、第二反应釜、真空泵、模具和加热炉；所述第一反应釜通过第一缓冲管路与所述真空泵连通，所述第二反应釜通过第二缓冲管路与所述真空泵连通，所述第一缓冲管路、第二缓冲管路上均设有缓冲釜；所述模具上设有一混合入料管，所述第一反应釜通过第一出料管与所述混合入料管连通，所述第二反应釜通过第二出料管与所述混合入料管连通，所述模具通过运输部件输送至所述加热炉。

上述的复合摩擦材料的制备装置中，优选的，所述第一反应釜、第二反应釜上均设有温度控制仪，所述温度控制仪的控温范围为30℃～300℃；所述第一缓冲管路、第二缓冲管路上均设有真空表；所述第一缓冲管路、第二缓冲管路上的缓冲釜均设为两个。

上述的复合摩擦材料的制备装置中，优选的，所述第一反应釜与所述第一缓冲管路上的缓冲釜之间采用不锈钢管，所述不锈钢管的长度为2m～4m；所述第二反应釜与所述第二缓冲管路上的缓冲釜之间采用不锈钢管，所述不锈钢管的长度为2m～4m。

本发明是通过己内酰胺阴离子聚合的方法制备聚酰胺6/聚氨酯嵌段共聚物，大幅度提高其室温和低温的冲击性能，并采用表面带有-OH基团的固体润滑剂改性该嵌段共聚物的摩擦磨损性能，最终获得一种聚酰胺6/聚氨酯/固体润滑剂复合摩擦材料。本发明提供了该复合摩擦材料的制备方法，在适当的配方下，保证材料拉伸强度和弯曲强度性能的同时，室温及低温冲击韧性与摩擦磨损性能得到大幅度的改善。

本发明的聚酰胺6/聚氨酯/固体润滑剂复合摩擦材料的制备方法中，所包含的反应方程式举例如下：

第一步：以催化剂氢氧化钠为例，真空脱水过程中发生如下反应：

第二步：以聚醚二元醇和MDI(4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯)为例，按合成聚氨酯预聚物与己内酰胺单体的重量比5-50∶100的比例计算聚醚二元醇和MDI的用量。

聚醚二元醇与MDI反应，再与己内酰胺单体反应，最后得到酰基己内酰胺封端的聚氨酯预聚物，其方程式如下：

固体润滑剂与酰基己内酰胺封端的聚氨酯预聚物之间的反应方程式如下：

第三步：将第一反应釜和B中的反应液迅速混合后，经加热成型，得本发明的复合摩擦材料。

本发明的制备方法中，固体润滑剂的表面不需要进行另外的表面修饰，在合成过程中，直接添加到合成聚氨酯预聚物的反应釜中。

本发明的制备装置中，第一反应釜、第二反应釜分别与一根2～4米的不锈钢管和两个缓冲釜连接，且缓冲釜与真空泵连接，其原因是：在真空泵作用下，反应釜中反应液沸腾的冲击力大，反应液很容易被抽入缓冲釜或真空泵，因此为使反应液在被冲上管道后能方便的回落到反应釜中，设计反应釜与一根2～4米的不锈钢管连接；在不锈钢管后设计两个缓冲釜，是防止反应液沸腾冲击堵住真空泵。

本发明的制备装置中，真空泵采用工业用油真空泵，作用是使原液在真空状态下，爆沸，混合均匀。

本发明的制备装置中，第一反应釜和B连接一根注入模具的管道(即混合入料管)，可将第一反应釜、B的反应液混合后注入模具，然后快速运入加热炉中成型，加热炉的温度控制范围为30～300℃。

本发明中，将计量好的原料分别加入制备装置的第一反应釜和第二反应釜中，使形成己内酰胺阴离子、合成PU活性预聚物、预聚物与固体润滑剂的反应等步骤在规定的时间内完成，然后混合注入加热后的模具中成型。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的复合摩擦材料具有优异的室温和低温冲击韧性，并且固体润滑剂的存在使复合材料保持韧性的基础上，其摩擦磨损性能得到改善，使该材料在同时要求摩擦磨损性能和高低温韧性的领域中得到广泛的应用。通过调节聚氨酯预聚物以及固体润滑剂的含量可以得到综合性能优良的复合摩擦材料以适应不同的使用环境。该复合摩擦材料可用于提速货车用主摩擦板、心盘磨耗盘、旁承磨耗板和机车减振垫等，也可用于桥梁的缓冲垫、减震垫板等，广泛应用于机械、化工、交通运输等领域。

2、本发明的制备方法是通过己内酰胺阴离子聚合聚酰胺6复合摩擦材料，该方法聚合温度低、工艺简单，制备的聚酰胺6复合材料具有结晶度高、分子量大且分布均匀、质量轻、力学性能好，使用温度范围宽等优点。

3、对本发明合适配方条件下制备的复合摩擦材料进行性能分析和评估，得到如下基本性能，能满足不同使用环境的要求：

(1)与纯聚酰胺6相比，复合摩擦材料的室温冲击强度提高2～6倍，低温冲击强度(-50℃)提高1～4倍；

(2)复合摩擦材料的邵氏硬度为78～85；

(3)复合摩擦材料的拉伸强度为50～68MPa；

(4)复合摩擦材料的摩擦系数为0.08～0.15，磨损率为1～14.5(×10^-5mm³/Nm)(载荷为78.5～150N，滑行速度为500～1500rpm)。

4、本发明的制备装置是自主设计的，特点在于，设计两个反应釜装置可以使一些反应同时进行，如形成己内酰胺阴离子、合成聚氨酯预聚物、预聚物与固体润滑剂的反应等在规定的时间内同时完成；设计缓冲管路是防止反应釜中反应液被抽入缓冲釜或真空泵，同时保证反应液在被冲上缓冲管道后能回落至反应釜；设计两个缓冲釜也是防止反应液沸腾冲击堵住真空泵。

附图说明

图1为本发明实施例1中复合摩擦材料的制备工艺流程图。

图2为本发明实施例1中复合摩擦材料的制备装置结构示意图。

图3为本发明实施例1中复合摩擦材料的扫描电镜图。

图例说明：

1、第一反应釜；2、第二反应釜；3、真空泵；4、模具；5、加热炉；6、第一缓冲管路；7、第二缓冲管路；8、缓冲釜；9、混合入料管；10、第一出料管；11、第二出料管；12、运输部件；13、温度控制仪；14、真空表。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。

实施例1：

一种本发明的复合摩擦材料的制备方法，工艺流程如图1所示，包括以下步骤：

(1)将410g己内酰胺单体和8.2g催化剂氢氧化钠加入第一反应釜1中加热至130℃，熔融，抽真空(真空度-0.1MPa)，脱水20min，得到第一反应液(己内酰胺阴离子)。

(2)在第二反应釜2中加入己内酰胺单体400g，在130℃下熔融，真空脱水10min，真空度为-0.1MPa，将72g聚醚二元醇(已抽真空1小时)和18g二苯甲烷二异氰酸酯MDI添加到第二反应釜2中，反应0.5h，最后加入干燥后的表面带有-OH基团的胶体石墨润滑剂(也可选用表面带有-OH基团的二硫化钼润滑剂、聚四氟乙烯润滑剂)45g，再反应0.5h，得到第二反应液。

(3)将第一反应釜1中的第一反应液和第二反应釜2中的第二反应液迅速混合后，浇铸到已预热至170℃的模具4中，保温30min后冷却，得到复合摩擦材料，即胶体石墨改性聚酰胺6/聚氨酯嵌段共聚物的复合摩擦材料。

通过上述本实施例的方法制得的复合摩擦材料经扫描电镜观察到，胶体石墨均匀分散在共聚物的基体中(如图3所示)，该复合摩擦材料的性能如下：拉伸强度：65MPa；室温(25℃)缺口冲击强度：22.3KJ/m²(纯聚酰胺6的室温缺口冲击强度：7KJ/m2)；低温冲击强度(-50℃)：7.2KJ/m²(纯聚酰胺6的低温冲击强度：4.8KJ/m²)；邵氏硬度：78；摩擦系数：0.08；磨损率：7.8×10^-5mm³/Nm(载荷为78.5N，滑行速度为1000rpm)。

一种上述本实施例的复合摩擦材料的制备方法采用的制备装置，如图2所示，但本发明的方法并不仅限于使用该制备装置。该复合摩擦材料的制备装置包括第一反应釜1、第二反应釜2、真空泵3、模具4和加热炉5；第一反应釜1通过第一缓冲管路6与真空泵3连通，第二反应釜2通过第二缓冲管路7与真空泵3连通，第一缓冲管路6、第二缓冲管路7上均设有缓冲釜8；模具4上设有一混合入料管9，第一反应釜1通过第一出料管10与混合入料管9连通，第二反应釜2通过第二出料管11与混合入料管9连通，模具4通过运输部件12(具体为运输车)输送至加热炉5。

本实施例中，第一反应釜1、第二反应釜2上均设有温度控制仪13，温度控制仪13的控温范围为30℃～300℃；第一缓冲管路6、第二缓冲管路7上均设有真空表14；第一缓冲管路6、第二缓冲管路7上的缓冲釜8均设为两个，沿反应釜至真空泵3的方向，第一缓冲管路6上的缓冲釜为第一缓冲釜和第二缓冲釜，第二缓冲管路7上的缓冲釜为第三缓冲釜和第四缓冲釜。

本实施例中，第一反应釜1与第一缓冲管路6上的缓冲釜8之间(即第一反应釜1与第一缓冲釜之间)采用不锈钢管，不锈钢管的长度为2m；第二反应釜2与第二缓冲管路7上的缓冲釜8之间(即第二反应釜2与第三缓冲釜之间)采用不锈钢管，不锈钢管的长度为2m。

本实施例的制备装置的工作原理是：将方法中的步骤(1)在第一反应釜1中进行，步骤(2)在第二反应釜2中进行，第一缓冲管路6、第二缓冲管路7、缓冲釜8均是用于防止反应液沸腾冲击堵住真空泵3。待两个反应釜的反应达到合适的程度后，第一反应釜1的第一反应液通过第一出料管10流进混合入料管9，第二反应釜2的第二反应液通过第二出料管11流进混合入料管9，两种反应液在混合入料管9中混合后，送至模具4中，再由运输部件12快速运入加热炉5进行成型，最终得到本发明的复合摩擦材料。

采用本实施例的制备装置，制备方法中的步骤(1)和步骤(2)可以在同一时间完成，然后混合浇铸成型，简化工艺程序。第一反应釜1和第二反应釜2分别与温度控制仪13连接，温度控制仪13的控制范围为30～300℃。制备装置中的真空泵3采用工业用油真空泵，作用是使原液在真空状态下，爆沸，混合均匀。加热炉5的温度控制范围为30～300℃。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种复合摩擦材料，其特征在于，所述复合摩擦材料是先利用己内酰胺单体、聚醚多元醇和异氰酸酯化合物制备酰基己内酰胺封端的聚氨酯预聚物，再将表面带有-OH基团的固体润滑剂与酰基己内酰胺封端的聚氨酯预聚物反应，最后引发己内酰胺阴离子聚合得到；

所述复合摩擦材料在载荷为78.5N～150N，滑行速度为500rpm～1500rpm的条件下，摩擦系数为0.08～0.15，磨损率为1×10^-5mm³/Nm～14.5×10^-5mm³/Nm；所述复合摩擦材料的邵氏硬度为78～85，拉伸强度为50MPa～68MPa；所述复合摩擦材料与纯聚酰胺6相比，室温冲击强度提高2～6倍，-50℃时的低温冲击强度提高1～4倍。

2.一种复合摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将己内酰胺单体与催化剂加入第一反应釜中，加热至熔融，真空脱水，得到己内酰胺阴离子，即第一反应液；

（2）先将己内酰胺单体加入第二反应釜中，加热至熔融后，真空脱水，然后将聚醚多元醇和异氰酸酯化合物加入第二反应釜中，经第一反应后，再加入表面带有-OH基团的固体润滑剂进行第二反应，得到第二反应液；

（3）将第一反应液和第二反应液混合，浇铸至模具中，经加热成型后，得到复合摩擦材料；

所述步骤（1）和步骤（2）中，所述己内酰胺单体的总质量与所述催化剂的质量之比为95～99∶1～5；所述步骤（1）中的己内酰胺单体与所述步骤（2）中的己内酰胺单体的质量比为35～60∶40～65；

所述步骤（2）中，所述异氰酸酯化合物与所述表面带有-OH基团的固体润滑剂的质量比为1～6∶5～20，所述聚醚多元醇与所述异氰酸酯化合物的质量比为2～6∶1～3，所述己内酰胺单体与所述聚醚多元醇的质量比为70～95∶5～30。

3.根据权利要求2所述的复合摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述己内酰胺单体的加热温度为120℃～160℃，所述真空脱水的时间为5min～20min；所述步骤（2）中，所述己内酰胺单体的加热温度为120℃～160℃，所述真空脱水的时间为5min～20min，所述第一反应的反应时间为0.5h～1.5h，所述第二反应的反应时间为0.5h～1.5h；所述步骤（3）中，所述加热成型的温度为150℃～180℃，所述加热成型的时间为30min～60min。

4.根据权利要求2或3所述的复合摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述聚醚多元醇包括聚醚二元醇和聚醚三元醇中的一种或两种；所述异氰酸酯化合物包括己二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯和三苯甲烷三异氰酸酯中的一种或多种；所述表面带有-OH基团的固体润滑剂包括表面带有-OH基团的胶体石墨、表面带有-OH基团的二硫化钼和表面带有-OH基团的聚四氟乙烯中的一种或多种；所述步骤（1）中，所述催化剂包括金属钠、钠的氢化物、醇钠、氢氧化钠、碳酸钠、金属钾、钾的氢化物、氢氧化钾和有机金属化合物中的一种或多种。