CN107216653B - 一种桥梁支座用滑板及其制备方法 - Google Patents

一种桥梁支座用滑板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种桥梁支座用滑板，滑板原料包括聚苯硫醚树脂基体、摩擦性能调节剂、以及增强体系；以重量百分含量计，聚苯硫醚树脂基体为40%~85%、摩擦性能调节剂为5%~20%、增强体系为10%~40%；通过对特种工程塑料进行改性，使得该改性的材料具有承压能力强、摩擦系数小、耐磨性能优异的特点。该方法制备的非金属滑板其摩擦性能与现有的聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯基本一致，但耐磨性能和承载性能将有极大的提高。

Description

一种桥梁支座用滑板及其制备方法
技术领域
本发明属于桥梁支座用高分子材料开发领域，尤其涉及一种桥梁支座用高分子滑板及其制备方法。
背景技术
桥梁作为铁路、公路等线路的必要组成部分，尤其是高速铁路中，桥梁所占比例越来越大。桥梁支座作为连接桥梁与桥墩的“关节”部位，其用量也与日俱增。随着技术的进步，高速铁路列车速度越来越快，重载铁路列车载重量成倍增长，同时高强混凝土的应用逐渐推广，这些都要求支座具有高的承载能力。支座承载能力主要是由摩擦副中非金属滑板的承载能力决定的。目前支座摩擦副的非金属滑板主要有聚四氟乙烯和改性超高分子量聚乙烯，这两种材料的自润滑性好、摩擦系数小和耐磨性好等优点，但是承压能力不高，决定了目前支座的最大竖向设计压应力不能高于45MPa。但是随着支座承载能力要求的提高，支座的竖向设计应力将极大提高，聚四氟乙烯和改性超高分子量聚乙烯远不能满足支座高承载的要求；因此有必要开发一种承载能力高、自润滑性能好、耐磨性能优异的桥梁支座用非金属滑板。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种桥梁支座用滑板及其制备方法，通过对特种工程塑料进行改性，使得该改性的材料具有承压能力强、摩擦系数小、耐磨性能优异的特点。该方法制备的非金属滑板其摩擦性能与现有的聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯基本一致，但耐磨性能和承载性能将有极大的提高。
为实现上述技术问题，所采用的技术方案是：一种桥梁支座用滑板，滑板原料包括聚苯硫醚树脂基体、摩擦性能调节剂、以及增强体系；
以重量百分含量计，聚苯硫醚树脂基体为40％～85％、摩擦性能调节剂为5％～20％、增强体系为10％～40％；
所述的聚苯硫醚树脂基体为注塑级线型高分子量的聚合物树脂；
所述的摩擦性能调节剂由主调节剂和辅助调节剂构成，主调节剂和辅调节剂的重量比为4:1。
本发明所述的主调节剂为聚四氟乙烯微粉，其粒径为25微米～100微米；其中粒径优选25微米～50微米；
本发明所述的辅助调节剂为二硫化钼，二硫化钼的表面经活化处理。
本发明所述的增强体系为混合增强体系，其由增强纤维和纳米颗粒混合而成，其中增强纤维和纳米颗粒的重量比为9:1，增强纤维进行表面活化处理。
本发明所述的增强纤维是玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维中的一种或多种混合。
本发明所述的纳米颗粒是石墨烯。
本发明所述的二硫化钼和增强纤维表面活化处理剂为偶联剂。
本发明所用的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸化合物中的一种；所用偶联剂的量为活化物料量的0.5％～2％；
一种桥梁支座用滑板的制备方法，主要包含以下步骤：
(1)原料准备：以重量百分含量计，取40％～85％聚苯硫醚树脂基体、5％～20％摩擦性能调节剂、10％～40％增强体系在110-130℃下干燥2小时，备用；
(2)活化处理：将增强纤维、二硫化钼活化处理，110-130℃干燥2h，然后粉碎备用；
(3)制备混合料：将步骤(1)制成的聚苯硫醚树脂基体、摩擦性能调节剂、增强体系按照质量配比放入高混机中进行高速混合，得到混合料；
(4)挤出造粒：将步骤(3)所制得的混合料加入双螺杆挤出机内进行挤出造粒；挤出机各段加热温度设定范围为270℃～310℃，从料斗到口模方向温度逐渐升高；并将挤出机口模基础的料条冷却、切粒；
(5)注塑成型：将步骤(4)所造粒子放入干燥箱中110-130℃干燥2小时，倒入注塑机料斗中，根据需要的滑板尺寸，采用相应的模具进行注塑成型，得到所需要的支座滑板。
本发明所述的滑板的厚度为4～12mm。
本发明采用聚合物共混改性的方法制备的改性聚苯硫醚支座非金属滑板，具有以下优点：
(1)承载能力高。聚苯硫醚刚度相比聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯大的多，具有较好的承载能力，是高承载力非金属滑板的优选基体。碳纤维和芳纶纤维都具有高强度、高模量等特性；而石墨烯是目前世界上已知的最坚硬、力学强度最高的材料；利用两者协同增强效应，共混改性后材料的承载能力得到了极大的提升。因此，该材料制备的非金属滑板相比聚四氟乙烯或超高分子量聚乙烯滑板的承载能力大大提高。
(2)摩擦系数小。采用自润滑性能优异的聚四氟乙烯作为主性能调节剂，再配以润滑效果好二硫化钼作为辅助润滑剂，在摩擦过程中聚四氟乙烯可以在对摩面形成转移膜，同时层状的二硫化钼在滑动过程中能够产生完成的滑移膜，起到润滑减摩的作用，主辅调节剂的共同作用使得改性的聚苯硫醚材料具有较小的摩擦系数。
(3)耐磨性好。材料的硬度在一定程度上反应了材料的耐磨性能；聚苯硫醚基体自身强度高、硬度大，具有较好的耐磨性；玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维高强度、高模量，也具有很强的耐磨性；石墨烯作为目前世界上最坚硬的物质，其耐磨性毋庸置疑。采用纤维和石墨烯协同增强的聚苯硫醚其硬度是聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯的4～5倍；同时在聚四氟乙烯、二硫化钼等减摩效果优异的物质帮助下，共混改性后的聚苯硫醚的耐磨性相比聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯的耐磨性将提升2～3倍。
(4)生产工艺简单、效率高。以往用的聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯均采用压制成型，其中热压成型工序用时较长、能源利用率低，且每次成型的滑板数量少，效率低；而改性聚苯硫醚非金属滑板采用混料—挤出造粒—注塑的成型工艺，其生产工序少，各工序的生产工艺过程简单，同时采用注塑成型效率高、节省能源。
具体实施方式
一种桥梁支座用滑板，含有聚苯硫醚树脂基体、摩擦性能调节剂、增强体系；
以重量百分含量计，40％～85％聚苯硫醚树脂基体、5％～20％摩擦性能调节剂、10％～40％增强体系；
所述的聚苯硫醚树脂基体为注塑级线型高分子量的聚合物树脂；
所述的摩擦性能调节剂由主调节剂和辅助调节剂构成，主调节剂和辅调节剂的重量比为4:1；
进一步的，主调节剂为聚四氟乙烯微粉，其粒径为25微米～100微米，其中粒径优选25微米～50微米；
进一步的，辅助调节剂为二硫化钼，其表面必须经活化处理，改善其在树脂基体中的分散效果和提高与树脂基体的相容性；
所述的增强体系主要是混合增强体系，由增强纤维和纳米颗粒混合而成，其中增强纤维和纳米颗粒的重量比为9:1；
进一步的，所述的增强纤维是玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维中的一种或多种混合，其中优选碳纤维；
进一步的，所述的纳米颗粒是石墨烯；
更进一步，所述的增强纤维必须进行表面活化处理，以提升增强体系与聚苯硫醚树脂基体的相容性；
进一步的，二硫化钼和增强纤维表面活化处理剂为偶联剂，所用的偶联剂主要是硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸化合物中的一种；所用偶联剂的量为活化物料量的0.5％～2％，其取量是针对不同的活化物料量单独取量；
本发明还提供了上述改性材料的制备工艺，主要包含以下步骤：
(1)原料准备：将所用的聚苯硫醚、聚四氟乙烯等树脂在105℃下干燥2小时备用；
(2)活化处理：将增强纤维、二硫化钼等用偶联剂表面处理，110℃干燥2h，然后粉碎备用；
(3)制备混合料：将树脂基体、摩擦性能调节剂、增强体系按照一定的质量配比放入高混机中进行高速混合，得到混合料；
(4)挤出造粒：将步骤(3)所制得的混合料加入双螺杆挤出机内进行挤出造粒；挤出机各段加热温度设定范围为270℃～310℃，从料斗到口模方向温度逐渐升高；并将挤出机口模基础的料条冷却、切粒。
(5)注塑成型：将步骤(4)所造粒子放入干燥箱中120℃干燥2小时，倒入注塑机料斗中，根据需要的滑板尺寸，采用相应的模具进行注塑成型，得到所需要的支座滑板。
进一步的所用滑板的厚度在4～12mm，其形状可以是各种不同形状。
实施例1
本发明材料的制备，各物料按以下重量配比进行配料：85％聚苯硫醚、4％聚四氟乙烯微粉、1％二硫化钼、9％碳纤维、1％石墨烯；
先用碳纤维的1％的硅烷偶联剂KH550对碳纤维进行表面处理，用二硫化钼重量比的1％的硅烷偶联剂KH550对二硫化钼进行表面处理，然后，将聚苯硫醚、聚四氟乙烯及表面活化处理的碳纤维和二硫化钼放置于110℃的真空干燥箱中干燥2小时；将碳纤维粉碎后与聚苯硫醚、聚四氟乙烯、二硫化钼、石墨烯等放入高速混合机中高速搅拌分散。将混合分散好的混合料导入挤出机的料斗中，挤出机各段加热温度设定在270℃～310℃之间，待各段温度达到设定温度后进行挤出造粒。将所造粒子在110℃下干燥2小时后倒入注塑机料斗进行注塑，最终获得所需要的滑板。
实施例2
本发明材料的制备，各物料按以下重量配比进行配料：40％聚苯硫醚、16％聚四氟乙烯微粉、4％二硫化钼、36％碳纤维、4％石墨烯；
先用碳纤维重量比的2％的硅烷偶联剂KH550对碳纤维进行表面处理，用二硫化钼重量比的2％的硅烷偶联剂KH550对二硫化钼进行表面处理，然后将聚苯硫醚、聚四氟乙烯及表面活化处理的碳纤维和二硫化钼放置于130℃的真空干燥箱中干燥2小时；将碳纤维粉碎后与聚苯硫醚、聚四氟乙烯、二硫化钼、石墨烯等放入高速混合机中高速搅拌分散。将混合分散好的混合料导入挤出机的料斗中，挤出机各段加热温度设定在270℃～310℃之间，待各段温度达到设定温度后进行挤出造粒。将所造粒子在130℃下干燥2小时后倒入注塑机料斗进行注塑，最终获得所需要的滑板。
实施例3
本发明材料的制备，各物料按以下重量配比进行配料：60％聚苯硫醚、12％聚四氟乙烯微粉、3％二硫化钼、23.5％碳纤维、2.5％石墨烯；
先用碳纤维重量比的1.5％的硅烷偶联剂KH550对碳纤维进行表面处理，用二硫化钼重量比的1.5％的硅烷偶联剂KH550对二硫化钼进行表面处理，然后将聚苯硫醚、聚四氟乙烯及表面活化处理的碳纤维和二硫化钼放置于120℃的真空干燥箱中干燥2小时；将碳纤维粉碎后与聚苯硫醚、聚四氟乙烯、二硫化钼、石墨烯等放入高速混合机中高速搅拌分散。将混合分散好的混合料导入挤出机的料斗中，挤出机各段加热温度设定在270℃～310℃之间，待各段温度达到设定温度后进行挤出造粒。将所造粒子在120℃下干燥2小时后倒入注塑机料斗进行注塑，最终获得所需要的滑板。
实施例4
本发明材料的制备，各物料按以下重量配比进行配料：50％聚苯硫醚、28％聚四氟乙烯微粉、7％二硫化钼、13.5％玻璃纤维、1.5％石墨烯；
先用玻璃纤维重量比的1.5％的钛酸酯偶联剂对玻璃纤维进行表面处理，用二硫化钼重量比的1.5％的钛酸酯偶联剂对二硫化钼进行表面处理，然后将聚苯硫醚、聚四氟乙烯及表面活化处理的玻璃纤维和二硫化钼放置于120℃的真空干燥箱中干燥2小时；将玻璃纤维粉碎后与聚苯硫醚、聚四氟乙烯、二硫化钼、石墨烯等放入高速混合机中高速搅拌分散。将混合分散好的混合料导入挤出机的料斗中，挤出机各段加热温度设定在270℃～310℃之间，待各段温度达到设定温度后进行挤出造粒。将所造粒子在120℃下干燥2小时后倒入注塑机料斗进行注塑，最终获得所需要的滑板。
实施例5
本发明材料的制备，各物料按以下重量配比进行配料：70％聚苯硫醚、8％聚四氟乙烯微粉、2％二硫化钼、18％芳纶纤维、2％石墨烯；
先用芳纶纤维量比的1％的铝酸酯偶联剂对芳纶纤维进行表面处理，用二硫化钼重量比的1％的铝酸酯偶联剂对二硫化钼进行表面处理，然后将聚苯硫醚、聚四氟乙烯及表面活化处理的芳纶纤维和二硫化钼放置于115℃的真空干燥箱中干燥2小时；将芳纶纤维粉碎后与聚苯硫醚、聚四氟乙烯、二硫化钼、石墨烯等放入高速混合机中高速搅拌分散。将混合分散好的混合料导入挤出机的料斗中，挤出机各段加热温度设定在270℃～310℃之间，待各段温度达到设定温度后进行挤出造粒。将所造粒子在115℃下干燥2小时后倒入注塑机料斗进行注塑，最终获得所需要的滑板。
实施例6
本发明材料的制备，各物料按以下重量配比进行配料：70％聚苯硫醚、8％聚四氟乙烯微粉、2％二硫化钼、10％碳纤维、8％芳纶纤维、2％石墨烯；
先用碳纤维重量比的1.5％的硅烷偶联剂KH550对碳纤维进行表面处理，用芳纶纤维重量比的1.5％的硅烷偶联剂KH550对芳纶纤维进行表面处理，用二硫化钼重量比的1.5％的硅烷偶联剂KH550对二硫化钼进行表面处理，然后将聚苯硫醚、聚四氟乙烯及表面活化处理的碳纤维、芳纶纤维和二硫化钼放置于115℃的真空干燥箱中干燥2小时；将纤维粉碎后与聚苯硫醚、聚四氟乙烯、二硫化钼、石墨烯等放入高速混合机中高速搅拌分散。将混合分散好的混合料导入挤出机的料斗中，挤出机各段加热温度设定在270℃～310℃之间，待各段温度达到设定温度后进行挤出造粒。将所造粒子在115℃下干燥2小时后倒入注塑机料斗进行注塑，最终获得所需要的滑板。
实施例7
本发明材料的制备，各物料按以下重量配比进行配料：40％聚苯硫醚、16％聚四氟乙烯微粉、4％二硫化钼、20％碳纤维、16％玻璃纤维、4％石墨烯；
先用碳纤维重量比的1.5％的钛酸酯偶联剂对碳纤维进行表面处理，先用玻璃纤维重量比的1.5％的钛酸酯偶联剂对玻璃纤维进行表面处理，先用二硫化钼重量比的1.5％的钛酸酯偶联剂对二硫化钼进行表面处理，然后将聚苯硫醚、聚四氟乙烯及表面活化处理的碳纤维、玻璃纤维和二硫化钼放置于115℃的真空干燥箱中干燥2小时；将碳纤维和玻璃纤维粉碎后与聚苯硫醚、聚四氟乙烯、二硫化钼、石墨烯等放入高速混合机中高速搅拌分散。将混合分散好的混合料导入挤出机的料斗中，挤出机各段加热温度设定在270℃～310℃之间，待各段温度达到设定温度后进行挤出造粒。将所造粒子在115℃下干燥2小时后倒入注塑机料斗进行注塑，最终获得所需要的滑板。
实施例8
本发明材料的制备，各物料按以下重量配比进行配料：40％聚苯硫醚、16％聚四氟乙烯微粉、4％二硫化钼、15％玻璃纤维、21％芳纶纤维、4％石墨烯；
先用玻璃纤维重量比的2％的铝酸酯偶联剂对玻璃纤维进行表面处理，先用芳纶纤维重量比的2％的铝酸酯偶联剂对芳纶纤维进行表面处理，先用二硫化钼重量比的2％的铝酸酯偶联剂对二硫化钼进行表面处理，然后将聚苯硫醚、聚四氟乙烯及表面活化处理的玻璃纤维、芳纶纤维和二硫化钼放置于120℃的真空干燥箱中干燥2小时；将纤维粉碎后与聚苯硫醚、聚四氟乙烯、二硫化钼、石墨烯等放入高速混合机中高速搅拌分散。将混合分散好的混合料导入挤出机的料斗中，挤出机各段加热温度设定在270℃～310℃之间，待各段温度达到设定温度后进行挤出造粒。将所造粒子在120℃下干燥2小时后倒入注塑机料斗进行注塑，最终获得所需要的滑板。
针对所制备的滑板进行承压性能、摩擦系数、线磨耗率等性能进行测试。其中摩擦系数和线磨耗率按照GB/T17955-2009、TB/T3320-2013中规定的硅脂润条件测试；测试结果见表1：
Figure GDA0001367033570000071
Figure GDA0001367033570000081

Claims (3)

1.一种桥梁支座用滑板，其特征在于：滑板原料包括聚苯硫醚树脂基体、摩擦性能调节剂、以及增强体系；
以重量百分含量计，聚苯硫醚树脂基体为40％～85％、摩擦性能调节剂为5％～20％、增强体系为10％～40％；
所述的聚苯硫醚树脂基体为注塑级线型高分子量的聚合物树脂；
所述的摩擦性能调节剂由主调节剂和辅助调节剂构成，主调节剂和辅调节剂的重量比为4:1，主调节剂为聚四氟乙烯微粉，其粒径为25微米～100微米，辅助调节剂为二硫化钼，二硫化钼的表面经活化处理；
增强体系由增强纤维和纳米颗粒混合而成，其中增强纤维和纳米颗粒的重量比为9:1，增强纤维进行表面活化处理；
所述的增强纤维是玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维中的一种或多种混合；
所述的纳米颗粒是石墨烯；
所述的二硫化钼和增强纤维表面活化处理剂为偶联剂；
所用的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸化合物中的一种；所用偶联剂的量为活化物料量的0.5％～2％。
2.如权利要求1所述的一种桥梁支座用滑板的制备方法，其特征在于：主要包含以下步骤：
(1)原料准备：以重量百分含量计，取40％～85％聚苯硫醚树脂基体、5％～20％摩擦性能调节剂、10％～40％增强体系在110-130℃下干燥2小时，备用；
(2)活化处理：将步骤(1)中准备的增强纤维、二硫化钼活化处理，110-130℃干燥2h，然后粉碎备用；
(3)制备混合料：将步骤(1)准备的聚苯硫醚树脂基体、摩擦性能调节剂、增强体系未活化处理的原材料和步骤(2)经过活化处理的增强纤维、二硫化钼按照质量配比放入高混机中进行高速混合，得到混合料；
(4)挤出造粒：将步骤(3)所制得的混合料加入双螺杆挤出机内进行挤出造粒；挤出机各段加热温度设定范围为270℃～310℃，从料斗到口模方向温度逐渐升高；并将挤出机口模基础的料条冷却、切粒；
(5)注塑成型：将步骤(4)所造粒子放入干燥箱中110-130℃干燥2小时，倒入注塑机料斗中，根据需要的滑板尺寸，采用相应的模具进行注塑成型，得到所需要的支座滑板。
3.如权利要求2所述的一种桥梁支座用滑板的制备方法，其特征在于：所述的滑板的厚度为4～12mm。
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