CN107474258B - 一种多孔含油复合润滑材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多孔含油复合润滑材料及其制备方法，基于多孔含油颗粒填充相的复合润滑材料包括以下组分：多孔颗粒、润滑剂、多孔基体。与现有多孔含油材料技术相比，本发明制备了三种具有多孔结构的含油颗粒填充相，按照一定的方法将其分散在多孔聚合物或金属基体中，形成一种新型多孔含油润滑材料。该多孔含油颗粒有效地阻碍了润滑剂从多孔基体内自发溢出，延长了自润滑材料的时效性，同时多孔含油颗粒能够在一定程度上补偿多孔基体机械性能，因此该材料的应用前景非常广阔。

Description

一种多孔含油复合润滑材料及其制备方法
技术领域
本发明属于固相自润滑复合材料技术领域，尤其涉及一种多孔含油复合润滑材料及其制备方法。
背景技术
随着固体润滑材料的发展，自润滑轴承材料在性能上极大地突破了传统材料的使用极限，已逐渐成为摩擦学领域的研究热点之一。其主要思想就是将基体材料的良好机械强度和固体润滑填充材料的优良润滑特性相结合。然而此类自润滑材料常存在分散性难、制造工艺复杂、成本高等问题，且在使用中随着运行时间延长，逐渐出现润滑失效与磨损并最终造成自润滑轴承不可逆破坏。例如，聚合物自润滑材料在空间干摩擦润滑材料方面优势明显，但是在高速、重载干摩擦时聚合物材料摩擦噪声较高、磨屑多、使用寿命有限。
目前主要由两种途径来改善聚合物复合材料的摩擦学性能：其一是在基体材料中加入固体润滑填充材料(比如纤维、聚四氟乙烯、二硫化钼)。固体润滑填充材料可以通过增强其机械性能来提高聚合物复合材料的耐磨性能。但是利用固体润滑填充材料也存在局限，比如难分散、成型复杂和成本高。其二是利用液体润滑介质来改善聚合物复合材料摩擦学性能。但是，在摩擦界面外加润滑介质对材料应用存在一定的限制，特别是对润滑油敏感材料(润滑油吸附和渗透导致材料退化)或避免油污染的条件并不合适。例如，空间环境中原子氧辐照使得表面的润滑油降解变粘稠，质子辐照使得表面的润滑油碳化降解变干，从而造成了润滑油失效、影响摩擦副材料的稳定性和寿命。通常使用微胶囊包覆润滑剂，实现润滑剂的可控释放，实现减摩作用。但是微胶囊壁材较软，与基体相比承载外界应力能力较差，与聚合物基体复合之后，将会降低聚合物基体的机械性能，并且微胶囊储油自润滑的持续时间与所包含的微胶囊数量有关，时效性较差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于多孔含油复合润滑材料及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于多孔含油复合润滑材料，包括如下组分：
多孔颗粒填充相，含有金属有机骨架多孔材料Cu-BTC、多孔碳及多孔石墨烯颗粒
润滑剂，含有油胺和油酸，
聚合物多孔基体及金属粉末，含有环氧树脂(E51)及对应的固化剂B，铜粉。
一种基于多孔含油颗粒的复合润滑材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用水热合成法制备Cu-BTC多孔颗粒，配制一定浓度的硝酸铜水合物、甲醇分散液，加入一定量的乙二胺、醋酸和1,3,5-苯三甲酸，并在一定温度下反应12小时，离心并洗涤。
(2)Cu -BTC多孔颗粒在加入到油胺、油酸润滑剂中，持续搅拌，形成均一的混合物，并将其放置于真空氛围和一定温度下吸附12小时，将浸渍润滑剂后的Cu-BTC 颗粒离心分离，用正己烷清洗颗粒表面残留的油胺润滑剂，最终得到Cu-BTC多孔含油颗粒。
(3)在一定温度下，将Cu-BTC多孔含油颗粒分散于环氧树脂(E51)中，搅拌、超声，使其分散均匀，并加入固化剂B，最后倒入模具中，固化12小时。
(4)正硅酸乙酯在碱性环境下水解生成100～300nm小球，将小硅球分散在乳液中，一定温度下静置12小时，形成直径为1μm规则球状团聚体，浸渍碳源，管式炉内真空氛围烧结，最后去除模板硅球，得到多孔碳球。
(5)将石墨烯粉末与聚合物微球混合，并在一定温度下烧结去除模板聚苯乙烯微球，得到多孔石墨烯颗粒。
(6)将多孔碳球、多孔石墨烯与铜粉混合均匀，在SPS炉内烧结，得到铜基多孔复合材料，真空氛围和一定温度下将样品置于油胺、油酸润滑剂中12小时，最后得到铜基多孔含油复合润滑材料。
优选地，所述步骤(1)中的硝酸铜水合物与1,3,5-苯三甲酸的摩尔比为： 1.8:1。
优选地，所述步骤(2)中的反应温度为80℃，反应温度不同，制备的Cu-BTC 颗粒孔径大小也差异较大。
优选地，所述步骤(3)中的Cu-BTC多孔含油颗粒分散温度为10℃，防止润滑剂油胺在分散过程中溢出多孔颗粒表面。
优选地，所述步骤(3)中的搅拌分散过程中，可适当引入少量空气，在环氧树脂基体中形成微小孔隙，使润滑剂在摩擦过程中更容易溢出复合材料表面，达到减摩的目标。
优选地，所述步骤(4)中的小硅球的搅拌时间控制在4小时，防止硅球粒径进一步变大。
优选地，所述步骤(5)中的，去除聚苯乙烯微球的烧结温度为350℃。
优选地，所述步骤(6)中多孔颗粒与铜均匀混合的粉末，需先冷压成型，烧结温度为850℃，并且烧结过程中不加压力，保证铜基体为多孔结构。
上述技术方案的分级多孔含油颗粒的制备方法制备的含油颗粒的复合润滑材料应用于自润滑轴承、轴承保持架、轴承机械密封件。
(1)本发明方法工艺简单、制备多孔颗粒时，通过改变反应原料比例和制备条件实现分级多孔颗粒材料的孔结构的调控，进而吸附不同大小的润滑剂分子，较好地控制润滑剂溢出，达到锁油和控油的目标。
(2)本发明所使用的润滑剂油胺，当其溢出复合材料表面进入摩擦接触区时，随着摩擦过程的进行，油胺与聚合物基体表面发生摩擦化学反应，生成的新的酯类物质减摩作用明显，可实现较低摩擦系数。
(3)本发明制备的Cu-BTC多孔颗粒，其骨架材料为有机分子，在聚合物基体中分散性能较好，与其他润滑添加相相比，省去了颗粒分散及有机改性这一过程，并且含油颗粒与聚合物基体结合性能较强，能够有效地增强聚合物基体的机械性能。
(4)本发明制备的多孔碳球及多孔石墨烯颗粒，其含有的润滑剂在提高铜基体润滑性能的同时，碳及石墨烯多孔颗粒能够有效地增强铜基体的表面硬度及整体的机械强度，提高其耐磨性能。
具体实施方式
下面给出的实施例是对本发明做具体阐述，需要指出的是以下实施例只适用于对本发明进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，与该领域相关的普通人员，对本发明进行的一些非本质的调整和改进，包括使用其他类型的多孔填充颗粒、润滑剂及多孔基体来制备多孔含油颗粒的复合润滑材料仍属于本发明的保护范围。
实施例1
(1)采用水热合成法制备Cu-BTC多孔颗粒，称取0.3g硝酸铜水合物加入到装有20mL甲醇烧杯中，再向该烧杯中加入0.85mL醋酸和0.7mL乙二胺，室温下磁力搅拌搅拌0.5小时。之后加入0.3g 1,3,5-苯三甲酸，继续搅拌 1小时，形成均一的混合物。将上述混合物转移到带有聚四氟乙烯衬里的不锈钢反应釜中，在80℃下反应12小时。自然冷却后，将混合物离心，乙醇洗涤3次。随后，将所得的产物在65℃的溶剂中搅拌6小时，得到最终产物。
(2)Cu-BTC多孔颗粒在加入到50mL油胺中，持续搅拌1小时，形成均一的混合物，并将其放置于真空氛围和温度为60℃环境下12小时，浸渍吸附油胺润滑剂，将浸渍润滑剂后的Cu-BTC颗粒离心分离，用正己烷清洗颗粒表面残留的油胺润滑剂，最终得到Cu-BTC多孔含油颗粒。
(3)在10℃温度下，将Cu-BTC多孔含油颗粒分散于环氧树脂(E51)中，搅拌、超声，使其分散均匀，并加入固化剂B，搅拌并除去气泡，最后倒入模具中，固化12小时。
(4)多孔含油颗粒的复合润滑材料的润滑性能使用微摩擦试验机(UMT)进行评价，采用钢球对平面的方式进行摩擦。采用直径为4mm的AISI 52100型小钢球作为对摩副，摩擦往复运动的行程为4mm，平均滑移速度是8mm/s，摩擦时间为0.5小时，外加载荷为5N。UMT摩擦实验结果表明添加含油颗粒后复合材料的摩擦系数下降为纯环氧基体的1/5左右。
实施例2
(1)根据
Figure BDA0001367104170000041
法制备粒径为200nm的单分散硅球，并将其配制成20wt.％的硅球分散液，加入10mL正十六烷，高速搅拌乳化，之后将乳化液在60℃下挥发水分12小时，收集沉淀物，使用正己烷进行清洗，去除表面残留的正十六烷溶剂，干燥后得到白色粉末，最后将白色粉末在600℃和空气氛围下干燥5 小时。
(2)使用葡萄糖为碳源，配置成葡萄糖硫酸稀溶液，与步骤(1)制备的粉末混合均匀，持续搅拌12小时，最后过滤得到的粉末在管式炉内，惰性气体保护， 900℃下烧结3小时。
(3)上述步骤(2)制备的灰色粉末浸渍在浓度为25wt.％的氢氟酸溶液中，去除模板硅球，得到球形的碳多孔材料。
(4)上述步骤(3)制备的多孔碳球与铜粉混合均匀，在0.5KN下冷压，之后在SPS炉内850℃烧结，得到铜基多孔复合材料，真空氛围和一定温度下样品置于油酸润滑剂中12小时，最后得到铜基多孔含油复合润滑材料。
(5)多孔含油颗粒的复合润滑材料的润滑性能使用微摩擦试验机(UMT)进行评价，采用铜球对平面的方式进行摩擦。采用直径为4mm的小铜球作为对摩副，摩擦往复运动的行程为4mm，平均滑移速度是8mm/s，摩擦时间为0.5小时，外加载荷为3N。UMT摩擦实验结果表明添加含油颗粒后复合材料的摩擦系数下降为纯铜多孔基体的1/2左右，表面硬度为纯铜多孔基体的1倍。
实施例3
(1)聚合物微球与石墨烯粉末按质量2:1加入到溶剂中超声混合5小时形成胶体粒子，调节pH＝9，聚合物微球球均匀吸附在氧化石墨烯表面，过滤并干燥后，转移至管式炉内，氮气氛围中500℃煅烧，去除模板聚合物微球，得到多孔石墨烯颗粒。
(2)上述步骤(2)制备的多孔石墨烯与铜粉混合均匀，在0.5KN下冷压，之后在SPS炉内850℃烧结，得到铜基多孔复合材料，真空氛围和一定温度下样品置于油酸润滑剂中12小时，最后得到铜基多孔含油复合润滑材料。
(3)多孔含油颗粒的复合润滑材料的润滑性能使用微摩擦试验机(UMT)进行评价，采用铜球对平面的方式进行摩擦。采用直径为4mm的小铜球作为对摩副，摩擦往复运动的行程为4mm，平均滑移速度是8mm/s，摩擦时间为0.5小时，外加载荷为3N。UMT摩擦实验结果表明添加含油颗粒后复合材料的摩擦系数下降为纯铜多孔基体的2/5左右，表面硬度为纯铜多孔基体的1.5倍。

Claims (1)

1.一种多孔含油复合润滑材料的制备方法，其特征在于，采用水热合成法制备含有多孔结构的金属有机骨架材料Cu-BTC：在真空氛围，温度为60℃条件下，将Cu-BTC浸渍油胺润滑剂；将含油胺的Cu-BTC颗粒分散在环氧树脂溶液中，搅拌超声分散，之后加入固化剂B，放置12小时后，得到环氧树脂/Cu-BTC多孔含油复合润滑材料。
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