CN106867395A - 含poss聚酰亚胺树脂耐油磨耐高温固体润滑涂层材料及方法 - Google Patents

含poss聚酰亚胺树脂耐油磨耐高温固体润滑涂层材料及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含POSS聚酰亚胺耐油磨耐高温固体润滑涂层及方法。包括含POSS聚酰氨酸、二硫化钼和有机溶剂。其中，含POSS聚酰氨酸是由二胺型POSS、芳香族二胺和芳香族二酐在N,N‑二甲基乙酰胺中缩聚配制而成。将上述原料喷涂于被涂覆材料表面，固化过程依次为：(60～100)℃下固化(5～60)min，(120～180)℃下固化(5～60)min,(200～300)℃下固化(5～60)min,(300～400)℃下固化(30～120)min。固化后冷却至室温，得到聚酰亚胺基自润滑复合涂层。本发明涂层具有耐油磨、耐高温、寿命长等特征，可解决航空航天等高技术领域对粘结型固体润滑涂层在高低温、高载荷以及化学介质或油存在等特殊工况下易脱落、使用寿命短的问题。

Description

含POSS聚酰亚胺树脂耐油磨耐高温固体润滑涂层材料及方法
技术领域
本发明属于耐高温自润滑防护涂层领域，涉及一种含POSS聚酰亚胺树脂耐油磨耐高温固体润滑涂层材料及方法。
背景技术
为了解决航空航天等高技术领域高低温、高载荷以及高真空等特殊工况下机械的磨损、黏着、冷焊等摩擦学问题，粘结固体润滑涂层及其技术已经得到了广泛应用。
聚酰亚胺(Polyimide，简称PI)是一类以酰亚胺环为特征结构的环链类高聚物。其主链分子结构中通常含有五元环的酰亚胺结构，含有大量的π-π共轭结构特征，因此表现出非常优异的性能，例如：耐高低温性、突出的尺寸稳定性、良好的力学性能以及抗辐照、耐溶剂、易于加工成型等，通常作为固体润滑涂层的成膜物质来使用。随着现代机械工业以及航空航天工业的飞速发展，气缸活塞等部件经常在高负载、高温条件下使用，由于摩擦热的积累，导致部件温度过高，从而引发部件表面出现烧结，龟裂，拉伤，从而大大缩短设备使用寿命。因此，开发具备更加优异耐高温性能的聚酰亚胺显得尤为质要，近年来，纳米填料在聚合物改性方面的研究发展迅速，其中笼型倍半硅氧烷(POSS)优异的耐热性以及较高的机械强度使得人们将其作为改善高分子热性能的主要原料之一。
同时，为了进一步提高聚酰亚胺涂层的摩擦性能，通常加入固体润滑剂来提高涂层的减摩耐磨特性。中国专利CN102286248A所述以聚四氟乙烯微粉为固体润滑剂，制备的自润滑耐磨涂料具有抗高载和耐磨的特点，但是由于聚四氟乙烯微粉表面自由能较低，与树脂的界面结合力较弱，同时在摩擦过程中随摩擦热的积累导致涂层的摩擦系数的起伏和较大的磨损率。二硫化钼(MoS2)是典型的层状过渡金属硫化物，是应用最广泛的固体润滑剂。其中金属Mo原子层被2个S原子层夹在中间，形成“类三明治”夹层结构，层与层间存在较弱的范德华力，易于滑动故表现出很好的减摩作用。因此，MoS2可作为固体润滑剂加入涂层基体中以提高其摩擦性能。文章《聚酰亚胺粘结MoS2基固体润滑涂层在油介质中的摩擦学性能》所述采用研磨处理的MoS2制备出粘结聚酰亚胺固体润滑涂层，但工业级MoS2粒度处于微米级，容易在涂层基体中形成应力集中点，
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种含POSS聚酰亚胺树脂耐油磨耐高温固体润滑涂层材料及方法，提供一种具有高承载、低摩擦系数、耐磨性能好、耐高温的含POSS聚酰亚胺固体润滑涂层及其制备方法。通过原位聚合的方法，将合成的POSS引入到聚酰亚胺分子链段中，以得到力学性能和摩擦性能良好的改性聚酰亚胺树脂，作为涂层的基质材料。以高速球磨的类石墨烯二硫化钼为固体润滑剂，通过喷涂法制备含POSS聚酰亚胺耐高温自润滑复合涂层。
技术方案
一种含POSS聚酰亚胺树脂耐油磨耐高温固体润滑涂层材料，其特征在于组份按质量份计为：1～50份含POSS聚酰氨酸、1～50份二硫化钼和10～1000份有机溶剂；所述含POSS聚酰氨酸的组份按质量份计为：1～10份二胺型POSS、10～50份芳香族二胺、10～50份芳香族二酐和100～1000份N,N-二甲基乙酰胺；所述芳香族二酐为均苯四甲酸酐；所述芳香族二胺为4,4′-二氨基二苯醚；所述二胺型POSS是由1mol的八氯丙基POSS与6mol苄胺和2mol的对苯二胺缩合而成，其化学结构如下：
其中：
所述有机溶剂为四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮或N,N-二甲基乙酰胺。
所述的二硫化钼是经过高速球磨法处理的具有类石墨烯结构的MoS2，高速球磨法处理方法为：按质量份计，将10～20份二硫化钼和100～300份氯化钠混匀，加入10～50份的玛瑙球，经100～1000rpm单向球磨1～5h后，采用蒸馏水清洗，在鼓风干燥箱中烘干得到具有类石墨烯结构的MoS2，平均粒径小于10μm的二硫化钼。
一种制备所述含POSS聚酰氨酸的方法，其特征在于：按质量份计，将1～10份二胺型POSS和10～50份芳香族二胺，加入100～1000份N,N-二甲基乙酰胺溶解；再加入10～50份芳香族二酐，在冰浴条件下搅拌5～20h得到棕色透明粘稠状液体；所述所述芳香族二胺为4,4′-二氨基二苯醚；所述二胺型POSS是由1mol的八氯丙基POSS与6mol苄胺和2mol的对苯二胺缩合而成，其化学结构如下：
其中：
一种使用所述含POSS聚酰亚胺树脂耐油磨耐高温固体润滑涂层材料的制备涂层的方法，其特征在于：
步骤1：按照质量分数称取1～50份含POSS聚酰氨酸和1～50份二硫化钼，溶于10～1000份有机溶剂中，超声分散10～60min，形成均匀的二硫化钼/聚酰氨酸悬浮液；
步骤2：采用喷枪，将二硫化钼/聚酰氨酸悬浮液均匀喷涂于被涂覆材料表面后于室温下挥发溶剂，然后放入马弗炉中分段固化，固化过程依次为：在60～100℃下固化5～60min，在120～180℃下固化5～60min，在200～300℃下固化5～60min，在300～400℃下固化30～120min，固化后冷却至室温，即在被涂覆材料表面得到含POSS 聚酰亚胺树脂耐油磨耐高温固体润滑涂层。
所述喷涂于被涂覆材料表面的涂层厚度为25～35μm。
有益效果
本发明提出的一种含POSS聚酰亚胺树脂耐油磨耐高温固体润滑涂层材料及方法，采用高速球磨的方法处理二硫化钼得到具有类石墨烯结构的MoS2，平均粒径小于10μm的二硫化钼；再以选定的二胺型POSS通过原位聚合法引入到聚酰亚胺主链中，得到含POSS聚酰氨酸，极大地提高了POSS在基体中的分散性，从而最大程度的提高涂层基体的耐热性以及机械强度。以含POSS聚酰氨酸和二硫化钼以及有机溶剂的混合，利用MoS2较弱的层间范德华力使其剥离成单层或少层类石墨烯纳米片结构，从而发挥更加优异的减摩耐磨性能。另外，在聚酰亚胺树脂基体中引入耐高温和耐磨性优异的POSS单元，发挥POSS与MoS2的协同作用，使制备的固体润滑涂层具有高承载、耐高温、长寿命的特点。
本发明的自润滑、高承载和耐高温聚酰亚胺基涂层特点如下：涂层为深棕色，平整、均匀、清洁，漆膜无气泡、裂纹、无流挂、脱落、漏漆等缺陷。划圈法测定本发明涂层的附着力可达到一级(GB 1720-79)，涂层的最佳涂覆厚度为25～35μm(GB/T13452.2-2008)，干摩擦高负载(1000～4000lb)条件下摩擦系数为0.03～0.06(ASTM D2625–94)，耐冲击性为50kg×cm(GB/T 1723-93)。涂层制备工艺简单，成本低，且具有良好的高温稳定性，可在300℃下各种环境温度、干摩擦或含油介质要求下作为耐高温、自润滑耐磨涂层长期使用。
具体实施方式
现结合实施例对本发明作进一步描述：
制备含POSS聚酰氨酸，按质量份计包括1～50份二胺型POSS以及1～50份4,4′-二氨基二苯醚，加入100～1000份有机溶剂充分溶解，加入10～30份均苯四甲酸酐，冰浴搅拌5～20h得到固含量为10±5％左右的聚酰氨酸。
所述二胺型POSS是由1mol的八氯丙基POSS与6mol苄胺和2mol的对苯二胺缩合而成，其化学结构如下：
其中：
制备高速球磨处理的二硫化钼，处理方式具体为：按质量份计，称取10～20份二硫化钼和100～300份氯化钠混匀，加入10～50份的玛瑙球，经100～1000rpm单向球磨1～5h后，用大量蒸馏水清洗，在鼓风干燥箱中烘干。球磨后的二硫化钼层间距增大，同时层数大大减少。球磨后平均粒径小于10μm，在有机溶剂中分散性能优异。
制备含POSS聚酰亚胺耐高温自润滑复合涂层材料，按照质量分数称取1～50份含POSS聚酰氨酸和1～50份二硫化钼，溶于10～500份有机溶剂中，超声分散10～60min，使之混合均匀得到二硫化钼/聚酰氨酸悬浮液。
在马口铁上制备含POSS聚酰亚胺耐高温自润滑复合涂层：
(1)将所需涂覆的马口铁用砂纸打磨，用丙酮将表面碎屑清洗干净，再进行超声处理。
(2)将二硫化钼/聚酰氨酸悬浮液倒入喷枪中，通过空气压缩机在0.1～0.5MPa无油压缩空气作用下，均匀喷涂于表面打磨和清洁处理的马口铁表面；
(3)将喷涂好的马口铁置于室温下挥发溶剂1h，然后放入马弗炉中分段固化，固化过程依次为：(60～100)℃下固化(5～60)min，(120～180)℃下固化(5～60)min,(200～300)℃下固化(5～60)min,(300～400)℃下固化(30～120)min，固化后冷却至室温，即在马口铁表面得到含POSS聚酰亚胺树脂耐油磨耐高温固体润滑涂层。
实施例1
(1)原料的制备：
含POSS聚酰氨酸的制备：按质量份计，向装有机械搅拌器的三口烧瓶中加入350份N,N-二甲基乙酰胺，5份二胺型POSS以及10份4,4′-二氨基二苯醚，冰浴条件下搅拌溶解后，加入20份均苯四甲酸酐，继续冰浴搅拌8h，得到呈棕色透明粘稠的含POSS聚酰氨酸。
球磨法处理二硫化钼：按质量份计，称取10份工业级二硫化钼和100份氯化钠混匀，加入15份玛瑙球，经500rpm单向球磨1h后，用大量蒸馏水清洗，在鼓风干燥箱中80℃烘干8h。球磨后平均粒径小于10μm，在有机溶剂中分散性能优异。
(2)将所需涂覆的马口铁进行处理
用400目的砂纸按照国标GB/9271-2008(色漆和清漆标准试板)进行打磨处理，再用丙酮将表面的碎屑清洗干净，浸入到无水乙醇中超声清洗2h；
(3)按质量份计，称取含POSS聚酰氨酸15份和二硫化钼5份，溶于100份N,N-二甲基甲酰胺中，超声分散1h，使之混合均匀；
(4)将上述混合均匀的涂液倒入喷枪中，通过空气压缩机在0.2MPa压力下，均匀喷涂于经过打磨和清洗好的马口铁表面，置于室温下挥发溶剂1h，然后放入马弗炉中分段固化，固化过程依次为：(60～100)℃下固化(5～60)min，(120～180)℃下固化(5～60)min,(200～300)℃下固化(5～60)min,(300～400)℃下固化(30～120)min，各阶段间升温阶段的升温速率为(2～10)℃/min，固化后随炉冷却至室温，即在马口铁表面得到含POSS聚酰亚胺基固体润滑涂层。
实施例2：
(1)原料的制备：
含POSS聚酰氨酸的制备：按质量份计，向装有机械搅拌器的三口烧瓶中加入500份N,N-二甲基乙酰胺，10份二胺型POSS以及20份4,4′-二氨基二苯醚，冰浴条件下搅拌溶解后，加入25份均苯四甲酸酐，继续冰浴搅拌12h，得到呈棕色透明粘稠的含POSS聚酰氨酸。
球磨法处理二硫化钼：按质量份计，称取15份工业级二硫化钼和120份氯化钠混匀，加入20份玛瑙球，经600rpm单向球磨1.5h后，用大量蒸馏水清洗，在鼓风干燥箱中80℃烘干8h。球磨后平均粒径小于10μm，在有机溶剂中分散性能优异。
(2)马口铁处理同实施例1；
(3)按质量份计，称取含POSS聚酰氨酸20份和二硫化钼7份，溶于150份N-甲基-2-吡咯烷酮中，超声分散1h，使之混合均匀；
(4)喷涂过程及固化工艺同实施例1。
实施例3：
(1)原料的制备：
含POSS聚酰氨酸的制备：按质量份计，向装有机械搅拌器的三口烧瓶中加入500份N,N-二甲基乙酰胺，10份二胺型POSS以及15份4,4′-二氨基二苯醚，冰浴条件下搅拌溶解后，加入30份均苯四甲酸酐，继续冰浴搅拌15h，得到呈棕色透明粘稠的聚酰氨酸。
球磨法处理二硫化钼：按质量份计，称取12份工业级二硫化钼和120份氯化钠混匀，加入20份玛瑙球，经800rpm单向球磨2h后，用大量蒸馏水清洗，在鼓风干燥箱中80℃烘干8h。球磨后平均粒径小于10μm，在有机溶剂中分散性能优异。
(2)马口铁处理同实施例1；
(3)按质量份计，称取含POSS聚酰氨酸25份和二硫化钼10份，溶于200份N,N-二甲基乙酰胺中，超声分散1h，使之混合均匀；
(4)喷涂过程及固化工艺同实施例1。
实施例4：
(1)原料的制备：
含POSS聚酰氨酸的制备：按质量份计，向装有机械搅拌器的三口烧瓶中加入800份N,N-二甲基乙酰胺，15份二胺型POSS以及25份4,4′-二氨基二苯醚，冰浴条件下搅拌溶解后，加入40份均苯四甲酸酐，继续冰浴搅拌18h，得到呈棕色透明粘稠的含POSS聚酰氨酸。
球磨法处理二硫化钼：按质量份计，称取15份工业级二硫化钼和200份氯化钠混匀，加入20份玛瑙球，经800rpm单向球磨3h后，用大量蒸馏水清洗，在鼓风干燥箱中100℃烘干8h。球磨后平均粒径小于10μm，在有机溶剂中分散性能优异。
(2)马口铁处理同实施例1；
(3)按质量份计，称取含POSS聚酰氨酸30份和二硫化钼15份，溶于300份N-甲基-2-吡咯烷酮中，将上述溶液用机械搅拌0.5h后置于超声波中分散1h，使上述原料混合均匀；
(4)喷涂过程及固化工艺同实施例1。
上述实施例中所述的份均指质量份。
以上实施例中所制备的涂层各项性能指标如表1所示。
表1各种实例条件下的摩擦学性能数据
本方法的技术优势在于：一方面，将制备的二胺型POSS通过原位聚合法引入到聚酰亚胺主链中，极大地提高了POSS在基体中的分散性，从而最大程度的提高涂层基体的耐热性以及机械强度。另一方面，对二硫化钼进行高速球磨处理，球磨后的二硫化钼层间距增大，同时堆积层数大大减少，极大地改善了在有机溶剂中分散性。并且，该固体润滑涂层充分发挥POSS与MoS2的协同作用，使制备的具备优异的耐高温性、减摩耐磨性以及耐久性，操作工艺容易，维修保养方便，可适用于在高真空、高载荷以及高低温等极端条件下对固体润滑涂层的高性能要求，具有良好的经济价值。

Claims (6)

1.一种含POSS聚酰亚胺树脂耐油磨耐高温固体润滑涂层材料，其特征在于组份按质量份计为：1～50份含POSS聚酰氨酸、1～50份二硫化钼和10～1000份有机溶剂；所述含POSS聚酰氨酸的组份按质量份计为：1～10份二胺型POSS、10～50份芳香族二胺、10～50份芳香族二酐和100～1000份N,N-二甲基乙酰胺；所述芳香族二酐为均苯四甲酸酐；所述芳香族二胺为4,4′-二氨基二苯醚；所述二胺型POSS是由1mol的八氯丙基POSS与6mol苄胺和2mol的对苯二胺缩合而成，其化学结构如下：
其中：
2.根据权利要求1所述含POSS聚酰亚胺树脂耐油磨耐高温固体润滑涂层材料，其特征在于：所述有机溶剂为四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮或N,N-二甲基乙酰胺。
3.根据权利要求1所述含POSS聚酰亚胺树脂耐油磨耐高温固体润滑涂层材料，其特征在于：所述的二硫化钼是经过高速球磨法处理的具有类石墨烯结构的MoS2，高速球磨法处理方法为：按质量份计，将10～20份二硫化钼和100～300份氯化钠混匀，加入10～50份的玛瑙球，经100～1000rpm单向球磨1～5h后，采用蒸馏水清洗，在鼓风干燥箱中烘干得到具有类石墨烯结构的MoS2，平均粒径小于10μm的二硫化钼。
4.一种制备权利要求1所述含POSS聚酰氨酸的方法，其特征在于：按质量份计，将1～10份二胺型POSS和10～50份芳香族二胺，加入100～1000份N,N-二甲基乙酰胺溶解；再加入10～50份芳香族二酐，在冰浴条件下搅拌5～20h得到棕色透明粘稠状液体；所述所述芳香族二胺为4,4′-二氨基二苯醚；所述二胺型POSS是由1mol的八氯丙基POSS与6mol苄胺和2mol的对苯二胺缩合而成，其化学结构如下：
其中：
5.一种使用权利要求1或2或3所述含POSS聚酰亚胺树脂耐油磨耐高温固体润滑涂层材料的制备涂层的方法，其特征在于：
步骤1：按照质量分数称取1～50份含POSS聚酰氨酸和1～50份二硫化钼，溶于10～1000份有机溶剂中，超声分散10～60min，形成均匀的二硫化钼/聚酰氨酸悬浮液；
步骤2：采用喷枪，将二硫化钼/聚酰氨酸悬浮液均匀喷涂于被涂覆材料表面后于室温下挥发溶剂，然后放入马弗炉中分段固化，固化过程依次为：在60～100℃下固化5～60min，在120～180℃下固化5～60min，在200～300℃下固化5～60min，在300～400℃下固化30～120min，固化后冷却至室温，即在被涂覆材料表面得到含POSS聚酰亚胺树脂耐油磨耐高温固体润滑涂层。
6.根据权利要求5所述使用方法，其特征在于：所述喷涂于被涂覆材料表面的涂层厚度为25～35μm。
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