CN108164924A

CN108164924A - 一种适用于海水边界润滑工况的聚合物复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN108164924A
Application number: CN201711209925.7A
Authority: CN
Inventors: 张嘎; 许永坤; 李贵涛; 齐慧敏; 赵福燕
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2018-06-15

Abstract

本发明公开了一种适用于海水边界润滑工况的聚合物复合材料，该复合材料的组成及各组分的体积分数为：聚醚醚酮55‑99.5%、增强填料0‑30%、功能性纳米颗粒0.5‑20%。本发明还公开了该复合材料的制备方法。本发明所述聚合物复合材料在海水介质的摩擦过程中，在磨擦界面发生摩擦化学反应，在金属对偶表面形成具有优良高遮盖性和高承载能力的边界膜。在配备有电化学工作站的摩擦试验机上进行的原位摩擦实验表明，该聚合物复合材料在海水介质中具有优异的摩擦学性能，同时由功能性纳米颗粒摩擦化学反应导致生成的高性能边界膜可显著降低金属对偶的电化学腐蚀。该复合材料对于海水介质中聚合物‑金属摩擦副的设计具有重要的意义。

Description

一种适用于海水边界润滑工况的聚合物复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种适用于海水边界润滑工况的聚合物复合材料及其制备方法，属于聚合物复合材料应用领域。

背景技术

在国家推进海洋战略规划发展的背景下，使用海水代替矿物质油作为润滑剂，能有效解决油润滑轴承的泄漏污染问题。然而，由于海水粘度低，作为润滑剂承载能力比较差，摩擦副在摩擦过程中经常处于边界或混合润滑状态。摩擦副固-固接触承担相当甚至大部分载荷，因此对材料的摩擦学性能有了更高的要求。此外，耐海水腐蚀的金属材料其表面的钝化层在对偶刮擦的作用下发生破损，导致腐蚀-磨损的交互促进。聚合物及其复合材料具有优异的耐腐蚀、自润滑和性能可设计等特性，已经成为水利、水电、航运以及海洋装备应用的新方向。

聚醚醚酮（PEEK）是在主链结构中含有一个酮键和两个醚键的重复单元构成的高分子聚合物。作为一种高性能塑料，具有以下优异特性：力学性能高、耐化学腐蚀、极低吸水率和易加工等。因此，在工业和民用领域具有广泛的应用前景。[Journal of ReinforcedPlastic and Composites, 2006, 25, 1659-1667]和[Journal of EngineeringTribology, 2013, 227, 1129-1137]中已报导增强填料，如碳纤维和芳纶纤维等，可显著提高PEEK的耐磨性能。然而，以上增强填料的硬度较高，摩擦过程中可导致金属对偶 (如不锈钢) 钝化层的破损，加剧金属对偶的腐蚀-磨损，影响机构的稳定性和使用寿命。系统的文献调研发现，目前尚没有关于PEEK基材料-金属摩擦幅中金属对偶腐蚀和磨损行为研究的公开报导。设计新型聚合物复合材料，促进在摩擦过程中发生摩擦化学反应，在金属对偶表面生成高覆盖性和承载能力的边界反应膜，在提高聚合物复合材料本身耐磨性能的同时，延缓金属的腐蚀，对提高海水润滑摩擦副的可靠性、延长其使用寿命具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于海水边界润滑工况的聚合物复合材料及其制备方法。

本发明在传统PEEK基材料中引入可发生摩擦水解反应的氮化硼、氮化硅、碳化硅纳米颗粒，促进摩擦过程中高覆盖性、高承载能力边界膜在金属对偶表面生成。

一种适用于海水边界润滑工况的聚合物复合材料，其特征在于该复合材料的组成及各组分的体积分数为：聚醚醚酮55-99.5%、增强填料0-30%、功能性纳米颗粒0.5-20%。

所述增强填料为碳纤维、芳纶纤维、芳纶颗粒中的任意一种。

所述功能性纳米颗粒为氮化硼、氮化硅、碳化硅纳米颗粒中的任意一种。

如上所述一种适用于海水边界润滑工况的聚合物复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：

1）将聚醚醚酮、增强填料、功能性纳米颗粒混合均匀后置于干燥箱中干燥，干燥12-24h，干燥温度为150℃；

2）将干燥的混合物转移至双螺杆挤出机中熔融后挤出，然后将熔融的挤出料经注射机注塑成型。

所述双螺杆挤出机的一区加热温度370~375℃，二区温度380~385℃，三区温度390~395℃，四区温度400~405℃，螺杆转速为100~300rpm；所述注射机的注射模具温度为100~200℃，注射筒温度350~450℃，注射背压1~5MPa，注射压力100~200MPa。

本发明具有的优点：

1、本发明所述的水润滑聚合物复合材料以热塑性PEEK为基体，可采用常规挤出共混和注塑工艺，生产效率高。

2、本发明加入的六方氮化硼、碳化硅和氮化硅功能性纳米填料，在摩擦过程中发生摩擦化学反应生成硼酸和硅酸等化学物质，促进具有覆盖性与承载能力（稳定性）的边界膜在金属对偶表面形成，显著降低系统的摩擦系数、提高聚合物复合材料的耐磨性，同时降低金属对偶的腐蚀。

附图说明

图1为对比例1和实施例1所用PEEK复合材料在海水介质中进行间歇变载（10N,20N,50N,100N）条件下的开路电位随时间和载荷的变化曲线。测试采用的是带有电化学工作站的往复摩擦试验机。此图表明实施例1中AISI316不锈钢的腐蚀电位更高，与对比例中AISI316不锈钢相比腐蚀明显降低。

图2为对比例1和实施例1的摩擦系数（COF）和开路电位（OCP）随时间的变化趋势。其中，摩擦性能测试时采用带有电化学工作站的往复摩擦试验机，在载荷100N、频率2Hz、测试时间2h的条件下进行的。实施例1的摩擦系数逐渐降低最后大约稳定在0.12，相比于对比例1摩擦系数下降了36%，并且摩擦过程中的开路电位上升了41%。

图3为对比例1、对比例2和实施例1中三种PEEK基材料磨损率的比较。实施例1的磨损率为1.5×10^-6mm³/Nm。相比其他两种材料具有更高的耐磨性能。其中，与对比例1中纯PEEK相比，实施例1中PEEK基复合材料的磨损率减低了98％。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做详细描述，但实施例不用于限制本发明，凡采用本发明及相似方法的，均列入本发明保护范围。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PEEK粉料、碳纤维、六方氮化硼按照体积分数85%、10%、5%混合均匀后置于150℃鼓风干燥箱中干燥3h后，转移至双螺杆挤出机中熔融后挤出；将熔融的PEEK挤出料经注射机注塑成型。双螺杆挤出机一区加热温度370~375℃，二区温度380~385℃，三区温度390~395℃，四区温度400~405℃，螺杆转速为200rpm；注射机的注射模具温度为180℃，注射筒温度385℃，注射背压4MPa，注射压力180MPa。

实施例2

将PEEK粉料、碳纤维、碳化硅按照体积分数85%、10%、5%混合均匀后置于150℃鼓风干燥箱中干燥3h后，转移至双螺杆挤出机中熔融后挤出；将熔融的PEEK挤出料经注射机注塑成型。双螺杆挤出机一区加热温度370~375℃，二区温度380~385℃，三区温度390~395℃，四区温度400~405℃，螺杆转速为200rpm；注射机的注射模具温度为180℃，注射筒温度385℃，注射背压4MPa，注射压力180MPa。

实施例3

将PEEK粉料、芳纶纤维、氮化硅按照体积分数87%、10%、3%混合均匀后置于150℃鼓风干燥箱中干燥3h后，转移至双螺杆挤出机中熔融后挤出；将熔融的PEEK挤出料经注射机注塑成型。双螺杆挤出机一区加热温度370~375℃，二区温度380~385℃，三区温度390~395℃，四区温度400~405℃，螺杆转速为200rpm；注射机的注射模具温度为180℃，注射筒温度385℃，注射背压4MPa，注射压力180MPa。

对比例1

将PEEK粉料置于150℃鼓风干燥箱中干燥3h后，转移至双螺杆挤出机中熔融后挤出；将熔融的PEEK挤出料经注射机注塑成型。双螺杆挤出机一区加热温度370~375℃，二区温度380~385℃，三区温度390~395℃，四区温度400~405℃，螺杆转速为200rpm；注射机的注射模具温度为180℃，注射筒温度385℃，注射背压4MPa，注射压力180MPa。

对比例2

将PEEK粉料、碳纤维按照体积分数90%、10%混合均匀后置于150℃鼓风干燥箱中干燥3h后，转移至双螺杆挤出机中熔融后挤出；将熔融的PEEK挤出料经注射机注塑成型。双螺杆挤出机一区加热温度370~375℃，二区温度380~385℃，三区温度390~395℃，四区温度400~405℃，螺杆转速为200rpm；注射机的注射模具温度为180℃，注射筒温度385℃，注射背压4MPa，注射压力180MPa。

原位电化学摩擦测试：

采用MS-ECT4000电化学腐蚀摩擦磨损试验仪对实施例中的各材料进行原位电化学摩擦实验。往复频率2Hz，液体介质为按照标准（ASTM D1141-98）进行配制的海水，试验中分别对变载荷（10N,20N,50,100N）和恒定载荷（100N）的摩擦开路电位进行对比，所得结果见附图。研究结果表明，本发明的聚合物复合材料能够延缓摩擦过程中AISI316不锈钢表面的腐蚀，并且在海水中的表现出良好的摩擦学性能。

Claims

1.一种适用于海水边界润滑工况的聚合物复合材料，其特征在于该复合材料的组成及各组分的体积分数为：聚醚醚酮55-99.5%、增强填料0-30%、功能性纳米颗粒0.5-20%。

2.如权利要求1所述的聚合物复合材料，其特征在于所述增强填料为碳纤维、芳纶纤维、芳纶颗粒中的任意一种。

3.如权利要求1所述的聚合物复合材料，其特征在于所述功能性纳米颗粒为氮化硼、氮化硅、碳化硅纳米颗粒中的任意一种。

4.如权利要求1至3中任一项所述的一种适用于海水边界润滑工况的聚合物复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述双螺杆挤出机的一区加热温度370~375℃，二区温度380~385℃，三区温度390~395℃，四区温度400~405℃，螺杆转速为100~300rpm；所述注射机的注射模具温度为100~200℃，注射筒温度350~450℃，注射背压1~5MPa，注射压力100~200MPa。