CN1059687C - 纳米微粒填充耐磨材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种低密度耐高温耐磨自润滑纳米微粒填充增强高分子复合材料，由聚醚醚酮、聚芳醚砜、聚砜和聚酰亚胺等热塑性耐高温聚合物、纳米氮化硅、纳米碳化硅和纳米二氧化硅等纳米微粒组成，其产品具有良好的可加工性能，优良耐磨自润滑性能、耐热性能、耐辐射性能，适用于低温、真空、辐射、腐蚀等特殊环境，可广泛应用在航空、航天、微机、机械、化工、纺织、食品、家用电器等行业。
Description
本发明是关于一种耐高温耐磨自润滑纳米微粒填充高分子材料及其制备工艺。
自润滑材料是摩擦学领域近年来为解决特定工况条件下材料的摩擦磨损问题而发展起来的一类具有特殊用途的新材料。普通高分子自润滑复合材料和其它常规整体固体润滑材料在干摩擦条件下的极限PV值一般不超过3～5MPa.m/s，如何解决干摩擦更高PV值工况条件下材料的摩擦磨损问题，是当今尖端科技的发展所迫切需要解决的重大技术难题。
各种填料填充增强高分子复合材料作为一大类材料在许多领域获得了广泛的应用，解决了许多其它材料所不能解决的重大技术难题。纳米材料体系自本世纪八十年代诞生以来，它所具有的独特性质和新的规律，以使人们认识到这一领域是跨世纪材料科学研究的热点，它的发展为常规复合材料的研究和发展增添了新的内容。目前，纳米材料在金属和陶瓷材料领域已有了较大的发展，而在高分子材料领域的研究和应用刚刚起步，国内外尚未见到有关纳米氮化硅、碳化硅和二氧化硅在高分子聚合物中的研究和应用报道。尤其是该类填充材料作为耐高温耐磨自润滑材料，从组成和结构上考虑其摩擦学特性，更尚未见到文献和专利报道。
本发明的目的是提供一种耐高温、低密度、耐磨自润滑的纳米微粒填充高分子复合材料，解决高速重载大PV值干摩擦工况条件和特殊环境下材料的适应性问题和有关的摩擦学问题。
本发明的另一个目的是提供上述耐高温耐磨自润滑纳米微粒填充高分子复合材料的制备工艺。
本发明的目的通过如下措施来实现。
本发明的纳米微粒填充增强高分子复合材料的组成(wt％)：
聚醚醚酮 35～90
聚芳醚砜 0～50
聚 砜 0～30
聚酰亚胺 0～50
纳米氮化硅 2.5～20
纳米碳化硅 0～20
纳米二氧化硅 0～20
本发明优先选用的组成(wt％)：
聚醚醚酮 55～80
聚芳醚砜 10～25
聚 砜 5～20
纳米氮化硅 2.5～10
纳米碳化硅 2.5～10
纳米二氧化硅 2.5～10
上述纳米微粒填充增强耐高温耐磨自润滑高分子复合材料最好选用微粒直径小于80nm的纳米碳化硅、纳米氮化硅和纳米二氧化硅。
聚醚醚酮的粘度为η＝0.6～1.1。优先选用粉末直径小于100μm的聚醚醚酮PEEK原粉，其结构式如下：
聚芳醚砜的粘度为η＝0.16～0.90。优先选用在其主链上附有圈型侧基的改性聚芳醚砜PES-C，其结构式如下：
所用聚砜的粘度最好为η＝0.16～0.60。
聚酰亚胺为可溶性聚酰亚胺。
本发明的制备工艺如下：
1.对市售的聚醚醚酮原粉用150目筛子进行筛分，所得聚醚醚酮粉的直径小于100μm。
2.按如下比例(wt％) 称取各组分：
聚醚醚酮 35～90
聚芳醚砜 0～50
聚 砜 0～30
聚酰亚胺 0～50
纳米氮化硅 2.5～20
纳米碳化硅 0～20
纳米二氧化硅 0～20
3.将按2所称取的纳米氮化硅、纳米碳化硅和二氧化硅加入适量溶剂，超声波处理分散均匀后，加入按2所称取的聚醚醚酮、聚芳醚砜、聚砜，进一步球磨或超声波处理分散均匀。所加入的溶剂可以是乙醇、二甲基甲酰胺，以及氯代烃溶剂中的一种或几种。
4.将按3所形成的混合物进行干燥，干燥方法可以采用自然干燥、电吹风吹干、红外线烘干、真空干燥等方法中的一中或几种。
5.高温压制成型，将按4干燥后的混合物装入模具中加压至3MPa，然后以10℃/min的升温速度升温，待温度升至200～250℃，恒温5分钟，然后加压至5～15MPa，并继续升温至300～360℃，恒温10～60分钟，然后在保压条件下冷却，采用自然冷却或用冰急速冷却的方法使模具温度降到100℃以下脱模即可。在上述热压过程中为防止气泡产生，应随时注意放气。
本发明选用聚醚醚酮和耐温芳香族杂环聚芳醚砜作为主体材料是为了保证产品具有优异的强度和耐热性，同时也考虑了工艺的可行性。所用聚醚醚酮的玻璃化温度为143℃，熔点为334℃，该材料具有优异的机械性能和耐化学药品腐蚀性能。所用聚芳醚砜是主链上附带圈型侧基的聚芳醚砜PES-S，该材料具有优良的工艺适应性能、机械性能和耐高温性能，其玻璃化温度达260℃，短期使用温度可达到400℃。
本发明选用纳米氮化硅、碳化硅和二氧化硅作为填料是为了保证产品同时具有低的摩擦系数和磨损率，而又具有良好的机械性能。
本发明中热压恒温后，冷却方式的选择可以控制产品中高分子材料的结晶状态，进而影响产品的性能，一般而言，随炉自然冷却的产品柔顺性好，用冰急速冷却的产品的刚性则更好。
本发明产品的最大特点是在高速大PV值干摩擦工况条件下具有优异的耐磨自润滑特性。同时，本产品还具有耐高温、低密度、耐超低温和其它特殊环境等特性，该产品具有良好的可加工性能，适宜制作各种形状的小型零部件。
本发明产品的主要性能指标如下：
1.密 度 ～1.44g/cm3
2.抗弯强度 ＞130MPa
3.硬 度 32～38 HBS(5/62.5/60)
4.摩擦系数 ＜0.16
5.磨损率 ＜1.3×10-6mm3/(N.m)
6.适用温度范围 -200℃～+250℃。
本发明产品适用于制作高速大PV值干摩擦工况条件下的摩擦部件，可用于要求高耐温低密度的航空、航天飞行器，作为轴承、滑块和活塞环等部件；由于其抗辐射、真空性能和耐温性能都较好，也适用于原子能反应堆、真空机械的某些零部件；另外由于其无污染、无公害，因而也可广泛应用在微机、机械、化工、纺织、食品、家用电器等行业。
实施例1
称取纳米碳化硅3g、纳米氮化硅2g，加入二甲基甲酰胺50ml，用超声波处理5分钟后加入可溶性的聚酰亚胺15g、聚醚醚酮30g，球磨3小时，然后将该混合物用红外线烘干除去其中溶剂和水汽。放入模具中热压，加压至3MPa，以10℃/min的升温速度升温，待温度升至250℃，恒温5分钟，然后加压至12MPa，并继续升温至340℃，恒温20分钟，然后在保压条件下自然冷却，当模具温度降到100℃以下脱模即可。材料性能满足上述指标。在上述热压过程中每间隔5分钟放气一次。实施例2
称取纳米氮化硅2g、纳米碳化硅2g、纳米二氧化硅1g，加入50ml三氯甲烷，用超声波处理5分钟。加入称取好的聚醚醚酮30g、聚芳醚砜10g、聚砜5g，球磨4小时后，用加热和真空干燥的方法除去溶剂和水汽，放入模具中热压成型。加压至3MPa，以10℃/min的升温速度升温，待温度升至220℃，恒温5分钟，然后加压至12MPa，并继续升温至335℃，恒温25分钟，然后在保压条件下用冰急速冷却，当模具温度降到100℃以下脱模即可。材料性能满足上述指标。在上述热压过程中每间隔5分钟放气一次。实施例3
称取纳米氮化硅4g、纳米二氧化硅2g，加入50ml乙醇中用超声波处理5～10分钟，然后加入聚醚醚酮30g、聚砜15g，再用超声波处理15分钟混合均匀。将该混合物用真空加热干燥的方法除去溶剂和水汽后，放入模具热压成型。加压至3MPa，以10℃/min的升温速度升温，待温度升至200℃，恒温5分钟，然后加压至5MPa，并继续升温至320℃，恒温30分钟，然后在保压条件下自然冷却，当模具温度降至100℃以下脱模即可。材料性能满足上述指标。在上述热压过程中，每间隔5分钟放气一次。实施例4
称取纳米氮化硅2g、纳米二氧化硅1g，加入50ml乙醇中用超声波处理5分钟，然后加入聚醚醚酮42g、聚芳醚砜5g，再用超声波处理15分钟混合均匀。将该混合物用真空加热干燥的方法除去溶剂和水汽后，放入模具热压成型。加压至3MPa，以10℃/min的升温速度升温，待温度升至260℃，恒温5分钟，然后加压至15MPa，并继续升温至345℃，恒温20分钟，然后在保压条件下自然冷却，当模具温度降至100℃以下脱模即可。材料性能满足上述指标。在上述热压过程中，每间隔5分钟放气一次。实施例5
称取纳米氮化硅1g、纳米碳化硅2g、纳米二氧化硅1g，加入50ml三氯乙烷，用超声波处理5分钟。加入称取好的聚醚醚酮17.5g、聚芳醚砜20g、聚砜8.5g，球磨4.5小时后，用加热和真空干燥的方法除去溶剂和水汽，放入模具中热压成型。加压至3MPa，以10℃/min的升温速度升温，待温度升至225℃，恒温15分钟，然后加压至10MPa，并继续升温至325℃，恒温35分钟，然后在保压条件下用冰急速冷却，当模具温度降到100℃以下脱模即可。材料性能满足上述指标。在上述热压过程中每间隔5分钟放气一次。
Claims (2)
1、一种纳米微粒填充耐高温耐磨自润滑高分子复合材料其特征在于组成(wt.％)为：
聚醚醚酮 35～90
聚芳醚砜 0～50
聚 砜 0～30
聚酰亚胺 0～50
纳米氮化硅 2.5～20
纳米碳化硅 0～20
纳米二氧化硅 0～20
其中，纳米碳化硅、纳米氮化硅和纳米二氧化硅的微粒直径小于80nm，聚醚醚酮的粘度为η＝0.6～1.1，其结构式为
聚芳醚砜是其主链上附带圈型侧基的改性聚芳醚砜PES-C，粘度为η＝0.16～0.90，其结构式为
聚砜的粘度为η＝0.16～0.6，所用聚酰亚胺为可熔性聚酰亚胺。
2、一种纳米微粒填充耐高温耐磨自润滑高分子复合材料的制备工艺，其特征在于：
(1)按如下比例(wt％)称取各组分：
聚醚醚酮 35～90
聚芳醚砜 0～50
聚 砜 0～30
聚酰亚胺 0～50
纳米氮化硅 2.5～20
纳米碳化硅 0～20
纳米二氧化硅 0～20
(2)将按(1)称取的纳米氮化硅、纳米碳化硅和纳米二氧化硅中加入适量溶剂，用超声波进行处理，使其充分分散均匀，所加入的溶剂可以是乙醇、二甲基甲酰胺，以及氯代烃溶剂中的一种或几种；
(3)将按(1)称取的聚醚醚酮、聚芳醚砜、聚砜和聚酰亚胺加到按(2)所制成的纳米微粒分散液中，用超声波或球磨的方法进行处理，充分混合分散均匀，并使其干燥；
(4)将按(3)处理后的混合物放入模具中，加压至3MPa，然后以10℃/min的升温速度升温，待温度升至200～250℃，恒温5分钟，然后加压至5～15MPa，并继续升温至300～360℃，恒温10～60分钟，然后在保压条件下冷却，采用自然冷却或用冰急速冷却的方法使模具温度降到100℃以下脱模即可。
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