CN107338094A - 一种适用于水润滑的超高分子量聚乙烯多元纳米复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于水润滑条件下使用的超高分子量聚乙烯多元纳米复合材料。本发明通过在超高分子量聚乙烯材料中加入增强纤维的同时，添加表面进行改性的可摩擦水解的纳米颗粒。本发明的复合材料在水润滑工况下具有良好的耐磨性能，复合材料在海水介质中使用时，摩擦界面的边界膜在降低聚合物复合材料磨损的同时可有效保护金属对偶表面，降低金属的腐蚀磨损。

Description

一种适用于水润滑的超高分子量聚乙烯多元纳米复合材料
技术领域
本发明涉及一种适用于水润滑条件下使用的超高分子量聚乙烯多元纳米复合材料，属于润滑技术领域。
背景技术
随着人们对生态环境保护意识的提高，利用水代替矿物油或合成油作为润滑剂是一种减少泄油对水体污染行之有效的方案。然而，由于水的粘度低，水膜承载能力差，水润滑摩擦副并非一直处于理想的流体润滑状态。在启停状态和低速、重载工况下，摩擦副常常处于混合润滑甚至边界润滑状态，固-固接触承担主要甚至大部分载荷，因此对材料的摩擦学性能也提出了挑战。聚合物复合材料由于其自润滑，性能可设计性和减震降噪等优异的性能，正在越来越多的应用于水利，水电和航运等装备中。聚合物与金属配副使用，对水润滑条件下运动机构的摩擦学设计具有巨大的应用潜力。深入研究水润滑条件下的聚合物复合材料的摩擦磨损特性对高性能水润滑摩擦副的设计和制备具有重要意义。
常见的用于水润滑工况的聚合物基体材料包括聚四氟乙烯、聚甲醛、聚酰亚胺、聚醚醚酮和环氧树脂等。纯聚合物的力学强度相对较低，限制了其在苛刻环境的应用。为了提高聚合物的自润滑和耐磨性能，通常将增强填料、固体润滑剂以及无机纳米陶瓷颗粒加入到聚合物树脂中。增强填料被证明能够显著提高聚合物基体的抗压强度和耐磨性。然而，水分子在界面的存在极大地限制了固体润滑剂在摩擦过程中向金属对偶表面的转移。因此，传统配方的聚合物复合材料在水润滑条件下难以在对偶表面形成高承载能力的转移膜，大大限制了系统的边界润滑和界面保护能力。尤其在海水介质中，高硬度的增强填料在提高聚合物材料耐磨性能的同时，当其与金属对偶刮擦时，可造成金属表面腐蚀钝化膜的破坏，导致金属腐蚀-磨损的互相促进，对长期服役于海水条件的摩擦副的配合工差要求和系统的可靠性提出挑战。因此，通过在聚合物复合材料中添加功能性填料，调控水润滑界面摩擦化学反应，促进高承载能力反应边界膜在水润滑界面形成，可能是提高系统边界润滑与界面保护效果，同时提高海水润滑条件下金属表面覆盖钝化能力的有效手段。
超高分子量聚乙烯是一种线性结构的热塑性工程塑料，具有优异的耐摩擦磨损、耐冲击、耐腐蚀、耐低温、耐压、耐应力开裂、耐溶胀、抗结垢和自润滑等性能。因此，在工业和民用领域得到了广泛而又重要的应用。然而，文献报导的超高分子量聚乙烯自润滑材料包括纤维增强[Wear，2017，380-381，42-51]或包含氧化物纳米颗粒[Wear，2013，297，1120-1127]。化学稳定性较高的常规陶瓷颗粒不能促进高承载能力和钝化能力的反应边界膜在摩擦界面形成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于水润滑的超高分子量聚乙烯多元纳米复合材料。
本发明通过在超高分子量聚乙烯材料中加入增强纤维的同时，添加表面进行改性的可摩擦水解的纳米颗粒。增强纤维提高聚合物材料的耐磨性能，功能性纳米颗粒在摩擦过程中释放到摩擦界面，并在水润滑界面上发生摩擦化学反应，促进高承载能力与覆盖钝化性好的边界膜的形成，因此，显著降低复合材料的磨损速度，同时对金属对偶起到覆盖保护作用，减缓金属的磨损腐蚀。此外，通过在功能性纳米颗粒的表面接枝离子液体，促进纳米颗粒在金属对偶表面的吸附，可提高边界膜的形成速度和金属对偶表面的覆盖率，进一步提高摩擦副在水润滑条件下的性能。
一种适用于水润滑的超高分子量聚乙烯多元纳米复合材料，其特征在于该材料通过以下步骤来制备：
1)制备离子液体接枝的六方氮化硼：将六方氮化硼在氢氧化钠溶液中100-120℃加热回流1.5-3小时，过滤取出之后加入3-氯丙基三甲氧基硅烷丙酮溶液，45-60℃搅拌反应16-24小时，通过常规分离得到处理的六方氮化硼；将其与氯化亚铜、2，2联吡啶以及离子液体1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐的二甲基甲酰胺溶液混合搅拌，在氮气气氛下，45-60℃反应12-18小时即得1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐接枝的六方氮化硼；
2)按超高分子量聚乙烯49.5-94.5wt%、碳纤维5-30wt%以及1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐接枝的六方氮化硼0.5-10wt%的配方，在高速混料机中以8000-20000r/min进行充分混合，然后转移至模具中热压烧结，2-4小时室温升至180-220℃，冷却过程中每隔10-20min进行排气，加压至6-12MPa，待冷却至80-120℃脱模。
本发明所述的六方氮化硼，其粒径为50-200nm。
本发明所述的氢氧化钠的浓度是1.5-2.5mol/L。
本发明所述的六方氮化硼与3-氯丙基三甲氧基硅烷的摩尔比是1:1-1:20。
本发明所述的3-氯丙基三甲氧基硅烷丙酮溶液的浓度为1.0-10.0mol/L。
本发明所述的六方氮化硼与氯化亚铜的摩尔比是200:1-1000:1。
本发明所述的六方氮化硼与2，2联吡啶的摩尔比是200:1-1000:1。
本发明所述的六方氮化硼与离子液体1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐的摩尔比为1:1-1:30。
本发明所述的1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐的二甲基甲酰胺溶液的浓度为1.0-20.0mol/L。
本发明所述的超高分子量聚乙烯分子量为200-500万。
本发明所述的碳纤维直径为5-15μm，长度为30-300μm。
本发明的关键在于在超高分子量聚乙烯基体中添加功能性纳米颗粒，在水润滑摩擦界面构筑稳定性高而且覆盖钝化能力强的反应边界膜。
本发明所述超高分子量聚乙烯多元纳米复合材料在水润滑工况下具有良好的耐磨性能。
本发明将离子液体接枝的六方氮化硼用作功能填料能够促进水润滑摩擦界面高性能反应边界膜的形成。
本发明所述超高分子量聚乙烯多元纳米复合材料在海水介质中使用时，摩擦界面的边界膜在降低聚合物复合材料磨损的同时可有效保护金属对偶表面，降低金属的腐蚀磨损。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步说明本发明，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。所述试剂和原料，如无特殊说明，均从商业途径获得。
实施例1
将4.0g六方氮化硼在2.0mol/L氢氧化钠溶液中100℃加热回流2小时，过滤取出之后加入100ml2.0mol/L3-氯丙基三甲氧基硅烷丙酮溶液，50℃搅拌反应16小时，通过常规分离得到处理的六方氮化硼；将4.0g处理的六方氮化硼、20.0mg氯化亚铜、40.0mg2，2联吡啶以及200ml12mol/L1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐的二甲基甲酰胺溶液混合搅拌，在氮气气氛下，50℃反应12小时即得1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐接枝的六方氮化硼。
将32.4g超高分子量聚乙烯、6.8g碳纤维以及3.3g1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐接枝的六方氮化硼，在高速混料机中以10000r/min的速度进行充分混合，然后转移至50mm×60mm的模具中热压烧结，2小时室温升至200℃，冷却过程中每隔10min进行排气、加压至8MPa，待冷却至100℃脱模。
实施例2
将3.0g六方氮化硼在2.0mol/L氢氧化钠溶液中120℃加热回流1.5小时，过滤取出之后加入100ml1.5mol/L 3-氯丙基三甲氧基硅烷丙酮溶液，55℃搅拌反应18小时，通过常规分离得到处理的六方氮化硼；将3.0g处理的六方氮化硼、15.0mg氯化亚铜、30.0mg2，2联吡啶以及200mL10.0mol/L1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐的二甲基甲酰胺溶液混合搅拌，在氮气气氛下，55℃反应16小时即得1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐接枝的六方氮化硼。
将28.5g超高分子量聚乙烯、6.1g碳纤维和2.8g1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐接枝的六方氮化硼在高速混料机中以10000r/min的速度进行充分混合，然后转移至50mm×60mm的模具中热压烧结，3小时室温升至180℃，冷却过程中每隔15min进行排气、加压至10MPa，待冷却至120℃脱模。
实施例3
将2.5g六方氮化硼在2.0mol/L氢氧化钠溶液中120℃加热回流3小时，过滤取出之后加入100ml1.25mol/L 3-氯丙基三甲氧基硅烷丙酮溶液，50℃搅拌反应20小时，通过常规分离得到处理的六方氮化硼；将2.5g处理的六方氮化硼、12.5mg氯化亚铜、37.5mg 2，2联吡啶以及200ml8.0mol/L1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐的二甲基甲酰胺溶液混合搅拌，在氮气气氛下，50℃反应18小时即得1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐接枝的六方氮化硼。
将25.4g超高分子量聚乙烯、6.0g碳纤维以及2.3g1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐接枝的六方氮化硼，在高速混料机中以12000r/min的速度进行充分混合，然后转移至50mm×60mm模具中热压烧结，4小时室温升至200℃，冷却过程中每隔10min进行排气、加压至8MPa，待冷却至100℃脱模。
实施例4
将32.4g超高分子量聚乙烯、6.8g碳纤维以及3.3g六方氮化硼在高速混料机中以10000r/min进行充分混合，然后转移至50mm×60mm模具中，2小时室温升至200℃，冷却过程中每隔10min进行排气、加压至8Mpa，待冷却至100℃脱模。
实施例5
将32.4g超高分子量聚乙烯和6.8g碳纤维在高速混料机中以10000r/min进行充分混合，然后转移至50mm×60mm模具中，2小时室温升至200℃，冷却过程中每隔10min进行排气、加压至8Mpa，待冷却至100℃脱模。
本发明采用MS-ECT3000电化学腐蚀摩擦磨损试验仪对实施例1，4以及5中各材料进行原位电化学摩擦实验。超高分子量聚乙烯复合材料加工成顶端为直径为4mm的半圆球，半球以下部分为4mm×4mm×12mm的销试样。测试条件为：对偶盘为316不锈钢，初始端面粗糙度Ra≈0.2~0.3µm；试验加载力50N，转速100r/min，海水介质为按照标准（ASTM，D1141-98）进行配制的海水，并同其在去离子水中的电化学摩擦实验进行对比，所得结果见附表1。
磨损率的计算公式：
Ws = [πr2/180arcsin(b/2r)-b/4(4r2-b2)1/2]2πr/FL (mm3/Nm)
其中，Ws为聚合物的体积磨损率（mm3/Nm），r聚合物球的半径（mm），b为聚合物磨痕的宽度（mm），F为法向施加的力（N），L为滑动距离（m）。
本发明的超高分子量聚乙烯多元纳米复合材料（实施例1和实施例4）与传统的复合材料（实施例5）相比，由于摩擦界面反应边界膜的快速形成，在海水润滑条件下具有优异的耐磨性能。此外，与实例5相比，添加离子液体接枝的六方氮化硼，可明显降低海水润滑条件下金属对偶的腐蚀电位。证实了六方氮化硼摩擦化学反应产物对摩擦表面的保护作用。
表1 超高分子量聚乙烯复合材料的在不同水润滑条件下的开路电位、摩擦系数以及磨损率。
从表1可以看出，实施例1得到超高分子量聚乙烯多元纳米复合材料在海水中的摩擦系数和磨损率在三种材料中最低，开路电位最高。实施例5种没有加入氮化硼的超高分子量聚乙烯复合材料在海水中的摩擦系数和磨损率最高，开路电位最低。此外，实施例1、4和5得到的复合材料在海水中的摩擦性能都优于在去离子水中的摩擦性能。

Claims (11)

1.一种适用于水润滑的超高分子量聚乙烯多元纳米复合材料，其特征在于该材料通过以下步骤来制备：
1)制备离子液体接枝的六方氮化硼：将六方氮化硼在氢氧化钠溶液中100-120℃加热回流1.5-3小时，过滤取出之后加入3-氯丙基三甲氧基硅烷丙酮溶液，45-60℃搅拌反应16-24小时，通过常规分离得到处理的六方氮化硼；将其与氯化亚铜、2，2联吡啶以及离子液体1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐的二甲基甲酰胺溶液混合搅拌，在氮气气氛下，45-60℃反应12-18小时即得1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐接枝的六方氮化硼；
2)按超高分子量聚乙烯49.5-94.5wt%、碳纤维5-30wt%以及1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐接枝的六方氮化硼0.5-10wt%的配方，在高速混料机中以8000-20000r/min进行充分混合，然后转移至模具中热压烧结，2-4小时室温升至180-220℃，冷却过程中每隔10-20min进行排气，加压至6-12MPa，待冷却至80-120℃脱模。
2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于六方氮化硼，其粒径为50-200nm。
3.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于氢氧化钠的浓度是1.5-2.5mol/L。
4.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于六方氮化硼与3-氯丙基三甲氧基硅烷的摩尔比是1:1-1:20。
5.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于3-氯丙基三甲氧基硅烷丙酮溶液的浓度为1.0-10.0mol/L。
6.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于六方氮化硼与氯化亚铜的摩尔比是200:1-1000:1。
7.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于六方氮化硼与2，2联吡啶的摩尔比是200:1-1000:1。
8.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于六方氮化硼与离子液体1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐的摩尔比为1:1-1:30。
9.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐的二甲基甲酰胺溶液的浓度为1.0-20.0mol/L。
10.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于超高分子量聚乙烯分子量为200-500万。
11.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于碳纤维直径为5-15μm，长度为30-300μm。
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