CN108239381B - 一种低摩擦磨损聚碳酸酯自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有低摩擦磨损的聚碳酸酯（PC）自润滑复合轴承材料及其制备方法。聚碳酸酯复合材料由如下质量百分比的有效组分制备而得：聚碳酸酯75%~90%、滑石粉5%~10%、二硫化钼纳米球1%~5%，滑石粉‑MoS2新型纳米复合物1%~5%。根据化学共沉淀法合成了滑石粉‑MoS2新型纳米复合物，复合物中滑石粉与MoS2质量比为1:1。本发明还公开了所述低摩擦磨损PC复合轴承的制备方法。本发明制备出的PC复合轴承具有良好的耐磨性、自润滑性性能以及良好的表观硬度，在轴承领域具有广阔的应用前景。

Description

一种低摩擦磨损聚碳酸酯自润滑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于固体润滑技术领域，具体涉及一种PC自润滑复合物的制备，同时还涉及采用该自润滑复合材料制备的PC工程塑料-铜-钢三层自润滑复合轴承及其制备方法。
技术背景
固体润滑是指摩擦表面被固体润滑剂隔开的润滑。随着科技的不断革新，传统的润滑技术已经不能满足高温、真空、腐蚀等环境下的使用要求，而固体润滑剂能很好的解决此类问题。
聚合物基复合材料被用作干摩擦、水基润滑、真空极端环境或者腐蚀性气氛中的滑动部件，具有延展性与机械性质的多样性、出色的自润滑性，近年来有取代传统金属材料的发展趋势。高分子材料作为滑动部件具有诸多优点：复合材料性能的可设计性、力学性能好、防腐蚀性佳等。许多高分子复合材料(尤其是自润滑材料)已经广泛应用于摩擦学系统中,如机床的导轨及其他滑动支承部件([1]Evans D C,Senior G S.Self-lubricatingmaterials for plain bearings[J].Tribology International,1982,15(5):243-248.)。目前常见的高分子固体自润滑材料主要被用为轴承、密封环、金属切屑机床的滑动导轨、阀、齿轮、人造关节等材料。
磨损是日常生活和国民经济的各个领域中普遍存在的现象，磨损是由摩擦引起的。冶金、建筑、电力、机械、农业、国防、航空航天等领域中处处存在摩擦，处处都有磨损。磨损是造成机械零件失效的主要原因之一，对机械零件的寿命、可靠性有极大的影响([2]何奖爱,王玉玮.材料磨损与耐磨材料[M],沈阳:东北大学出版社，2001,1-9.)。
MoS2直接作为固体润滑剂时，其摩擦学性能优良，尤其在高真空、高载荷及高温等无法使用液体润滑时，MoS2仍表现出优良的润滑性能，因而MoS2固体润滑剂在航天航空领域存在广泛的应用。MoS2还可作为塑料基自润滑材料的填充剂([3]Rapoport L,Nepomnyashchy O,Verdyan A,et al.Polymer nanocomposites with fullerene-likesolid lubricant[J],Adv Eng Mater,2004,6(1-2):44-48.)。将MoS2加入到塑料基自润滑材料中可以提高塑料的减摩与耐磨损性能。由于MoS2成本高，胡坤宏等人使用一些价格较低的矿物来制备MoS2的复合物，以降低其成本，又不降低MoS2润滑效果，促进了其工程应用。
目前公开的技术有：CN200610018800.1公开了一种新型高分子自润滑复合材料及其制备方法，主要包含的成分为碳酸钙晶须、聚四氟乙烯、聚醚醚酮；该发明目的是以碳酸钙晶须增强聚醚醚酮，以聚四氟乙烯作为减摩剂，发挥聚醚醚酮基体、碳酸钙晶须、减摩剂之间的协同耦合作用，实现自润滑减摩耐磨，从而获得具有摩擦系数小、磨损率低、承载能力强、成本低等优点的新型高强度自润滑复合材料。但是该发明中的高分子材料加工难度大，制备工艺较为复杂，成本高，自润滑性能一般。
CN201510666298.4公开了一种自润滑聚丙烯材料及其制备方法，属于高分子材料技术领域。该发明利用酸化后的碳纳米管增强聚丙烯材料，并用马来酸酐接枝聚丙烯来改善碳纳米管与聚丙烯基体之间的界面相容性，解决了碳纳米管极易团聚以及在聚丙烯基体中分散性差、界面结合差的缺点。利用双螺杆挤出机和注射机熔融挤出注塑成型的方法制备聚丙烯材料，把碳纳米管的减摩自润滑性能赋予给了聚丙烯复合材料，改善了聚丙烯的减摩自润滑性能，从而将聚丙烯材料作为塑料齿轮、塑料滑板、塑料轴承等工程材料的应用领域。但是该发明中的高分子材料表面硬度较低，易于磨损。碳纳米管价格昂贵，制备成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有低摩擦磨损的聚碳酸酯(PC)自润滑复合轴承材料及其制备方法，该方法制备的复合材料具有优良的摩擦磨损性能，且工艺简单、成本低、易于操作。
本发明的另一目的是提供了滑石粉-MoS2纳米复合物润滑添加剂的制备方法，具体步骤是：在合成二硫化钼的前驱物MoS3时，将筛分后的滑石粉添加在与合成MoS3的药品一起置于三口烧瓶中，通过化学共沉淀原理，让生成的MoS3沉淀在滑石粉表面，制备滑石粉-MoS3复合物，再置于管式煅烧炉中，在氢气保护下500℃煅烧60min，获得滑石粉-MoS2纳米复合物；
本发明的另一目的是将上述复合材料通过冷压成型工艺，制备PC工程塑料-铜-钢三层自润滑复合轴承；
本发明的另一目的是提供一种上述三层自润滑复合轴承的制备方法；
上述自润滑复合材料中滑石粉只要是减小PC加工时的内摩擦，提高PC在转矩流变仪中的流动性；MoS2则是较好的润滑添加剂；滑石粉-MoS2纳米复合物是降低MoS2成本，并且实现滑石粉与MoS2之间更好的润滑协同效果。
本发明显著优点在于制备的PC自润滑复合材料抗磨减摩性能优异；制备的石粉-MoS2纳米复合材料，能有效降低合成MoS2的成本。
本发明所述的PC复合材料具有以下特点：在测试条件下的干摩擦平均摩擦系数在0.13-0.21之内，且磨损速率小于10-4mm3/Nm，抗磨性能较纯的ABS塑料提高70.1％，因此表现出了优秀的自润滑性能。
具体实施方式
为进一步阐述本发明特提供以下实施例，但本发明的实施方式并不限于以下实施例。
实施例
首先合成二硫化钼的前驱物MoS3时，将筛分后的滑石粉与合成MoS3的药品一起置于三口烧瓶中，通过化学共沉淀原理，让生成的MoS3沉淀在滑石粉表面，制备滑石粉-MoS3复合物，再置于管式煅烧炉中，在氢气保护下500℃煅烧60min，获得滑石粉-MoS2纳米复合物。接着将滑石粉进行筛选处理，尺寸为800目。然后将不同质量分数的滑石粉分别与PC塑料在转矩流变仪上进行热共混，得到不同添加量的滑石粉填充改性ABS塑料的复合材料，接着加入的MoS2，最后加入不同质量分数的滑石粉-MoS2纳米复合物，最后冷压成型到铜-钢两层复合材料上，加工成PC塑料-铜-钢三层自润滑复合轴承试样，并在多功能摩擦磨损试验机上研究其摩擦磨损性能(摩擦磨损实验机是美国布鲁克公司的UMT，测试条件是在空气环境下，相对湿度45％，温度23℃，30N，30min，摩擦副为往复式，试样为GGr15直径6mm的钢球，往复速度25mm/s)。
摩擦磨损实验时试样磨损率(ω)的计算公式如下：
Figure GDA0002195198260000031
ΔV＝Sl
式中：ΔV为试样的磨损体积(mm3)；F为测试载荷(N)；L为总位移(mm)；S为磨痕的横截面面积(mm2)；l为磨痕的长度(mm)。
表1和表2分别给出了权利要求2中材料质量分数配比范围内的三种实施例及对比例的配方及试样测试结果，其中材料的自润滑性能以及表面硬度通过测试结果中的摩擦系数、磨损量和维氏显微硬度表征。
表1实施例1-3与对比例1-3的配方：
Figure GDA0002195198260000032
表2实施例1-3与对比例1-3的测试结果
维氏显微硬度(HRC) 干摩擦系数 磨损率
实施例1 11.13 0.18 5.78E-4
实施例2 11.095 0.15 3.66E-4
实施例3 11.38 0.13 2.32E-4
对比例1 9.556 0.24 8.00E-4
对比例2 10.06 0.21 6.45E-4
对比例3 10.5 0.19 5.58E-4
从实施例1-3与对比例1-3的测试结果可以看出，在维氏显微硬度计(载荷100g，保压10s)测试下，PC中加入滑石粉、二硫化钼等添加剂可以提高PC的表面硬度，较纯的PC提高约为16％。此外，这些添加剂也提高了复合材料的抗磨减摩性能。与纯的PC相比干摩擦系数最大降低了45％，磨损率降低了70.1％，可明显改善轴承的磨损情况，提高轴承的使用寿命。
除上述实施例与对比例之外，本发明专利还包含其他采用权利要求说明书的原料配比及制备工艺参数组合及制备的PC工程塑料-铜-钢三层自润滑复合轴承及方法。此外从不同工况条件下和不同配比的滑石粉和MoS2添加剂均属于本发明专利的内容。

Claims (6)

1.一种PC塑料-铜-钢三层自润滑复合轴承制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)滑石粉筛分：筛分的尺寸为800目；
(2)制备滑石粉-MoS2纳米复合物：在合成MoS2的前驱物MoS3时，将筛分后的滑石粉与合成MoS3的药品一起置于三口烧瓶中，通过化学共沉淀原理，让生成的MoS3沉淀在滑石粉表面，制备滑石粉-MoS3复合物，再置于管式煅烧炉中，在氢气保护下500℃煅烧60min，获得滑石粉-MoS2纳米复合物；
(3)将步骤(1)筛分得到的滑石粉与PC塑料在转矩流变仪上进行热共混，得到滑石粉填充改性PC塑料的复合材料；接着加入的MoS2，最后加入步骤(2)滑石粉-MoS2纳米复合物，得到滑石粉-MoS2纳米复合物填充改性的PC塑料复合材料；在得到的滑石粉-MoS2纳米复合物填充改性的PC塑料复合材料中：PC塑料含量为75％～90％、滑石粉含量为5％～10％、MoS2纳米球含量为1％～5％、滑石粉-MoS2纳米复合物含量为1％～5％，上述组分的质量百分比之和为100％；
(4)将上述复合材料冷轧到铜-钢两层复合材料上，制备成PC塑料-铜-钢三层自润滑复合轴承。
2.如权利要求1所述复合轴承的制备方法，其特征在于：制备的滑石粉-MoS2纳米复合物是通过化学键结合，MoS2纳米球沉降在滑石粉的表面，且分散均匀，没有明显的团聚现象。
3.如权利要求1所述复合轴承的制备方法，其特征在于：滑石粉-MoS2纳米复合物改性PC塑料时的添加量为1.0％。
4.如权利要求1所述复合轴承的制备方法，其特征在于：该PC塑料-铜-钢三层自润滑复合轴承材料的摩擦系数在0.13-0.21。
5.如权利要求1所述复合轴承的制备方法，其特征在于：该PC塑料-铜-钢三层自润滑复合轴承材料的磨损速率低于10-4mm3/Nm，较纯的PC塑料抗磨性能提高70.1％。
6.如权利要求1所述复合轴承的制备方法，其特征在于：该复合轴承制备时，需要将PC复合材料压制在铜-钢合金板上，并且PC复合物的厚度为1mm。
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