CN106380663B - 一种高温耐磨uhmwpe/pi复合材料制备方法 - Google Patents

一种高温耐磨uhmwpe/pi复合材料制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温耐磨UHMWPE/PI复合材料制备方法。组分主要包含基体材料UHMWPE、增强材料PI和相容剂MAH‑g‑LDPE。增强材料PI的质量百分比为20~50 wt%，基体材料UHMWPE和相容剂MAH‑g‑LDPE的总质量百分比为50~80 wt%。本发明制备的复合材料的优势在于：PI与UHMWPE在都熔融的状态下实现共混复合，因此具有良好的界面结合性能；通过加入MAH‑g‑LDPE作为相容剂，进一步增强基础相与增强相的界面粘接能力，使得PI能够很好的分散在UHMWPE基体中。本发明在制备过程中，无需采用有机溶剂，且制备的复合材料无毒，是一种绿色环保的制备方法。

Description

一种高温耐磨UHMWPE/PI复合材料制备方法
技术领域
本发明属于高温摩擦学材料领域，特别涉及一种高温耐磨材料及其制备技术，具体是UHMWPE/PI复合材料制备方法。
背景技术
随着UHMWPE在摩擦材料领域的广泛使用，人们受益于它的优良性能的同时，也受限于其抗磨粒磨损能力和耐热性能的不足。为了提高UHMWPE的耐高温和耐磨性能，目前国内外主要使用的方法是用Al2O3、MnO2、玻璃微珠、SiO2等陶瓷材料和Ag、Co、Cr、Mo等金属材料填充UHMWPE。使用填充改性的方法来提高UHMWPE的耐热与耐磨性能，是利用了填料具有比UHMWPE更为优异的耐热性和耐磨性。但根据国内外研究，无机材料与有机材料之间非常差的界面相容性，会造成填料在UHMWPE基体中分散不均匀，导致复合材料的界面缺陷。当复合材料在磨损过程中受到摩擦力的剪切作用时，界面缺陷容易导致两相分离，从而产生微裂纹，影响材料的机械物理性能，也会降低其使用寿命。PI在高温、高压和高速等苛刻环境下具有优异的减磨抗磨性能和良好的机械性能等特点，理论上是一种用来改性UHMWPE的理想材料，但国内外目前尚未发现关于UHMWPE/PI复合材料的报道。
发明内容
本发明所解决的技术问题是改善UHMWPE的耐热与耐磨损性能，利用耐高温与耐磨损性能优异的PI与UHMWPE共混，旨在提供一种UHMWPE/PI复合材料的制备方法，所制备的材料在尽量保持UHMWPE强度和韧性的基础上，可以在高于UHMWPE热变形的温度下(约84℃)使用，且具备比UHMWPE更低的摩擦系数和更小的磨损量。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种UHMWPE/PI复合材料，其原料中PI粉料的含量为20~50 wt%、UHMWPE粉料与相容剂的总含量为50~80 wt%。相容剂为马来酸酐接枝低密度聚乙烯(MAH-g-LDPE)，其含量为三种聚合物总质量的0.2~8.0 wt%。
其中，PI粉料为均苯型的热塑性聚酰亚胺，分子结构中的苯环结构具有很强的刚性，酰亚胺环的C=O与苯环形成π-π共轭，进一步增强了分子结构的刚性，使其具有非常优异的耐热性能。PI的分子结构式为：
其中，相容剂MAH-g-LDPE是通过化学反应在LDPE分子上接枝数个马来酸酐分子而成，接枝率为8~10%。其分子结构中接枝的马来酸酐具有可再反应性和强极性，可使其与PI具有良好的相容性；LDPE主链具有柔韧性与非极性，使其与UHMWPE具有很好的相容性。MAH-g-LDPE的分子结构式为：
高温耐磨UHMWPE/PI复合材料的制备，包括以下步骤：
(1) 称取基体材料超高分子量聚乙烯UHMWPE、增强材料聚酰亚胺PI、相容剂马来酸酐接枝低密度聚乙烯MAH-g-LDPE粉料，然后通过机械混合方式使三者均匀分散至宏观上看不到分离相，机械混合时间为45~60 min；
(2) 将所得含有相容剂马来酸酐接枝低密度聚乙烯MAH-g-LDPE的UHMWPE/PI共混粉料置于40~60℃烘箱中烘干2~3 h；
(3) 取出烘干料后将其倒入预先清理好的模具中，并放置于热压机中，在50~90MPa压力下预压三次，每次保压1~3 min；
(4) 预压过程完成后卸载，进一步地设置控温仪控制所述热压机的温度以1~5℃/min升高到110~150℃，并保温20~40 min；
(5) 继续设置控温仪控制所述热压机的温度以1~5℃/ min升温至340~360℃，继续保温3~6 h；
(6) 保温结束后将所述热压机压力升高至10~20 MPa，待温度冷却至190~250℃时加压至20~50 MPa，待温度冷却至130~190℃时加压至50~90 MPa，待温度冷却至90~130℃时加压至130~160 MPa；
(7) 自然冷却至室温后脱模，得块状高温耐磨UHMWPE/PI复合材料。
在实际应用中，可根据所需形状对热压制得的UHMWPE/PI复合材料进行切片和打磨。
本发明与现有技术对比的有益效果：
(1) 本发明制备的复合材料以PI作为改善UHMWPE耐高温性能和耐磨性能的增强材料，在两者都熔融的状态下实现共混复合，因此，与目前通用的金属或陶瓷填料等无机材料相比，其具有与UHMWPE更好的界面结合性能，通过加入MAH-g-LDPE作为相容剂，能够增强基础相与增强相的界面粘接能力，使得PI能够很好的分散在UHMWPE基体中；
(2) 本发明的UHMWPE/PI复合材料的制备方法，采用熔融共混法使UHMWPE与PI形成复合材料，本发明在制备UHMWPE/PI复合材料过程中，无需采用有机溶剂，且制备的复合材料无毒，不会对环境造成危害，是一种绿色环保的制备方法；
(3) 本发明制备得到的UHMWPE/PI共混体系。相对于纯UHMWPE，复合材料在100℃的环境温度下的摩擦系数最大减小了28.96%，磨损深度最大降低了54.66%，磨损宽度最大下降了26.39%；复合材料在相对滑动速度为5 m/s的高速摩擦状态下，摩擦系数最大减小了24.39%，磨损重量最大降低了79.03%，磨损高度最大下降了95.84%。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行具体描述，需要特别指出的是以下实施例只适用于对本发明的补充说明，不能理解为对权利要求范围的限制，属于该领域的技术熟练人员根据上述内容对本发明做出一些非本质性的调整。
实施例1：
称取重量百分比为20 wt%的聚酰亚胺(PI)、总重量百分比为80 wt%的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)与马来酸酐接枝低密度聚乙烯(MAH-g-LDPE)粉料，然后通过机械混合方式使三者均匀分散至宏观上看不到分离相，机械混合时间为45~60 min；将所得含有相容剂(MAH-g-LDPE)的UHMWPE/PI共混粉料置于40~60℃烘箱中烘干2~3 h；取出烘干料后将其倒入预先清理好的模具中，在50~90 MPa压力下预压三次，每次保压1~3 min；预压过程完成后卸载，设置控温仪控制热压机以1~5℃/ min升高到110~150℃，保温20~40 min；继续升温至340~360℃，保温3~5 h；保温结束后将压力升高至10~20 MPa，待温度冷却至190~250℃时加压至20~50 MPa，待温度冷却至130~190℃时加压至50~90 MPa，待温度冷却至90~130℃时加压至130~160 MPa；自然冷却至室温后脱模，得块状高温耐磨UHMWPE/PI复合材料。
实施例2：
称取重量百分比为30 wt%的聚酰亚胺(PI)、总重量百分比为70 wt%的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)与马来酸酐接枝低密度聚乙烯(MAH-g-LDPE)粉料，然后通过机械混合方式使三者均匀分散至宏观上看不到分离相，机械混合时间为45~60 min；将所得含有相容剂(MAH-g-LDPE)的UHMWPE/PI共混粉料置于40~60℃烘箱中烘干2~3 h；取出烘干料后将其倒入预先清理好的模具中，在50~90 MPa压力下预压三次，每次保压1~3 min；预压过程完成后卸载，设置控温仪控制热压机以1~5℃/ min升高到110~150℃，保温20~40 min；继续升温至340~360℃，保温3~5 h；保温结束后将压力升高至10~20 MPa，待温度冷却至190~250℃时加压至20~50 MPa，待温度冷却至130~190℃时加压至50~90 MPa，待温度冷却至90~130℃时加压至130~160 MPa；自然冷却至室温后脱模，得块状高温耐磨UHMWPE/PI复合材料。
实施例3：
称取重量百分比为40 wt%的聚酰亚胺(PI)、总重量百分比为60 wt%的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)与马来酸酐接枝低密度聚乙烯(MAH-g-LDPE)粉料，然后通过机械混合方式使三者均匀分散至宏观上看不到分离相，机械混合时间为45~60 min；将所得含有相容剂(MAH-g-LDPE)的UHMWPE/PI共混粉料置于40~60℃烘箱中烘干2~3 h；取出烘干料后将其倒入预先清理好的模具中，在50~90 MPa压力下预压三次，每次保压1~3 min；预压过程完成后卸载，设置控温仪控制热压机以1~5℃/ min升高到110~150℃，保温20~40 min；继续升温至340~360℃，保温3~5 h；保温结束后将压力升高至10~20 MPa，待温度冷却至190~250℃时加压至20~50 MPa，待温度冷却至130~190℃时加压至50~90 MPa，待温度冷却至90~130℃时加压至130~160 MPa；自然冷却至室温后脱模，得块状高温耐磨UHMWPE/PI复合材料。
实施例4：
称取重量百分比为50 wt%的聚酰亚胺(PI)、总重量百分比为50 wt%的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)与马来酸酐接枝低密度聚乙烯(MAH-g-LDPE)粉料，然后通过机械混合方式使三者均匀分散至宏观上看不到分离相，机械混合时间为45~60 min；将所得含有相容剂(MAH-g-LDPE)的UHMWPE/PI共混粉料置于40~60℃烘箱中烘干2~3 h；取出烘干料后将其倒入预先清理好的模具中，在50~90 MPa压力下预压三次，每次保压1~3 min；预压过程完成后卸载，设置控温仪控制热压机以1~5℃/ min升高到110~150℃，保温20~40 min；继续升温至340~360℃，保温3~5 h；保温结束后将压力升高至10~20 MPa，待温度冷却至190~250℃时加压至20~50 MPa，待温度冷却至130~190℃时加压至50~90 MPa，待温度冷却至90~130℃时加压至130~160 MPa；自然冷却至室温后脱模，得块状高温耐磨UHMWPE/PI复合材料。
将上述实施例1~4所制备的高温耐磨UHMWPE/PI复合材料以及UHMWPE的摩擦学性能进行对比，所得结果见下表。
100℃环境温度下的摩擦学试验是在高温往复摩擦磨损试验机上进行的，上试样为φ9.42 mm的GCr15球试样，下试样为20 mm×10 mm×7 mm的UHMWPE/PI复合材料方形试样，环境温度为100℃，载荷为50 N，往复频率为6 Hz，摩擦试验时间为1800 s，摩擦行程为8mm，空气介质。
5 m/s高速滑动状态下的摩擦学试验是在销-盘摩擦磨损试验机上进行的，上试样为φ50 mm×10 mm的ZCuSn10Pb1锡青铜圆盘试样，下试样为φ8 mm×17 mm的PI/UHMWPE复合材料销试样，载荷为30 N，相对滑动速度为5 m/s，摩擦试验时间为1800 s，旋转半径为21mm，空气介质。
从上表可以看出，随着复合材料中PI含量的增加，复合材料的摩擦系数与磨损量逐渐降低。本发明所制备的高温耐磨改性UHMWPE/PI复合材料在高温或高速工况下具有比UHMWPE优异的摩擦学性能。
将上述实施例1~4所制备的高温耐磨UHMWPE/PI复合材料以及UHMWPE的硬度与密度进行对比，所得结果见附图1。密度是采用电子天平称重，采用螺纹千分尺测量尺寸，然后经过计算得到。硬度是采用D型邵氏硬度计测量试样表面读数得到。

Claims (3)

1.一种高温耐磨UHMWPE/PI复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1) 称取基体材料超高分子量聚乙烯UHMWPE、增强材料聚酰亚胺PI、相容剂马来酸酐接枝低密度聚乙烯MAH-g-LDPE粉料，其中，PI的质量百分比为20-50 wt%，UHMWPE和MAH-g-LDPE的总质量百分比为50-80 wt%；然后通过机械混合方式使三者均匀分散，至宏观上看不到分离相，机械混合时间为45-60 min；
(2) 将所得含有相容剂马来酸酐接枝低密度聚乙烯MAH-g-LDPE的UHMWPE/PI共混粉料置于40-60℃烘箱中烘干2-3 h；
(3) 取出烘干料后并将其倒入预先清理好的模具中，并放置于热压机中，在50-90 MPa压力下预压三次，每次保压1-3 min；
(4) 预压过程完成后卸载，进一步地设置控温仪控制所述热压机的温度以1-5℃/min升高到110-150℃，并保温20-40 min；
(5) 继续设置控温仪控制所述热压机的温度以1-5℃/min升温至340-360℃，继续保温3-6 h；
(6) 保温结束后将所述热压机压力升高至10-20 MPa，待温度冷却至190-250℃时加压至20-50 MPa，待温度冷却至130-190℃时加压至50-90 MPa，待温度冷却至90-130℃时加压至130-160 MPa；
(7)自然冷却至室温后脱模，得块状高温耐磨UHMWPE/PI复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种高温耐磨UHMWPE/PI复合材料的制备方法，其特征在于：使用MAH-g-LDPE作为基体材料UHMWPE与增强材料PI的相容剂。
3.根据权利要求1所述的一种高温耐磨UHMWPE/PI复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中，保温温度为340-360℃，在该保温过程中，基础料与增强料都为熔融状态。
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