CN108410054A - 一种复合水润滑轴承材料的制备方法 - Google Patents

一种复合水润滑轴承材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种复合水润滑轴承材料的制备方法，属于复合材料技术领域。本发明将碳纤维挂载纳米二氧化硅，并在氮气气氛下炭化，再在炭纤维表面生长碳化硅，制得复合碳纤维，再将复合碳纤维与碳毡编织成骨架，同时将微胶囊化润滑油与聚乙烯密炼混合并注入骨架中，在高温下逐渐融化，覆盖占据骨架的空隙，填充到骨架中，再经模压、固化、脱模后制得复合水润滑轴承材料，本发明通过编织形成碳纤维骨架，增强材料内部层间的剪切应力，使材料具有较高的抗磨损能力，而且还能提高材料的热导性从而使复合材料具有稳定的摩擦系数，且包覆纤维的沉积碳质地较软，在摩擦过程中易被磨损形成磨粒，使得摩擦系数和磨损量均较小，并且摩擦表面能保持完整。

Description

一种复合水润滑轴承材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合水润滑轴承材料的制备方法，属于复合材料技术领域。
背景技术
传统尾轴管的滑油泄露是造成海洋污染的原因之一。在巨大的海洋环境压力推动下，海洋环保法规对于尾轴承环保性能的要求更加严格。随着水润滑尾轴承的技术逐渐成熟，以水为润滑冷却介质的水润滑尾轴承已经应用到各类舰船上，消除了滑油泄露的风险。此外，水润滑尾轴承的结构简单、维修方便和原材料丰富。但是水的黏度约为润滑油的十分之一，水的承载能力小于润滑油，尾轴在低速重载工况下，轴与轴承润滑处于边界润滑或干摩擦，润滑条件不良，易产生严重磨损。为减少水润滑尾轴承在润滑不良产生的磨损，研发具有自润滑性能的水润滑轴承材料成为了当下的研究热点。
常用的水润滑轴承材料有赛龙、丁腈橡胶、高聚合物材料以及铁犁木。赛龙水润滑尾轴承具有硬度高、韧性强和耐泥沙性好等优点，当材料表面受到冲击时，能很快恢复到原本的形貌，但是赛龙水润滑轴承有着导热性差，吸水后会膨胀，造价高昂等缺点。丁腈橡胶水润滑尾轴承有良好的减震性能和抗冲击性能，但是在重载工况下丁腈橡胶尾轴承摩擦磨损较为严重，在启停阶段有烧伤的风险。铁犁木水润滑尾轴承的使用寿命长且运行稳定，它的优异性能一方面是源于铁犁木材料硬度大强度高，另一方面铁犁木材料与水接触后能产生黏液，该黏液可以提升材料的摩擦学性能。但是铁犁木材料吸水后尺寸稳定性差、耐泥沙性能差以及资源稀少等缺点限制了铁犁木的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对尾轴在低速重载工况下，轴与轴承润滑处于边界润滑或干摩擦，润滑条件不良，易产生严重磨损的问题，提供了一种复合水润滑轴承材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
（1）取碳纤维浸泡丙酮中1～2h，水洗干燥后再浸泡在质量分数为10%硝酸溶液中1～2h，水洗干燥得预处理碳纤维；
（2）取纳米二氧化硅加入苯乙烯中混合均匀，再加入硅烷偶联剂KH550、去离子水，并以200W超声波超声分散10～15min，超声结束后转入高速均质机中分散5～8min，得挂浆液；
（3）将预处理碳纤维浸泡在挂浆液中加热反应，取出预处理碳纤维并转入炭化炉中，在氮气氛围下高温处理，冷却得复合碳纤维；
（4）取润滑油、十二烷基硫酸钠，加入去离子水中搅拌成混合液，将混合液滴入脲醛树脂中搅拌20～30min，再用盐酸调节pH为3.0～3.5后离心分离得沉淀，将沉淀干燥得微胶囊化润滑油；
（5）将复合碳纤维呈十字交叉铺展在碳毡上，再用连续针刺方式将复合碳纤维与碳毡结合成密度为0.3～0.5g/cm3的编织体，并置于模具中，再取微胶囊化润滑油与聚乙烯加入密炼机中混炼后注入模具中，并置于热压机上热压处理，再将模具移入马弗炉中固化2～3h，冷却至室温后脱模，得复合水润滑轴承材料。
步骤（1）所述碳纤维与丙酮的质量比为1：4～1：9，所述碳纤维与硝酸溶液的质量比为1：6～1：12。
步骤（2）所述纳米二氧化硅、苯乙烯、硅烷偶联剂KH550、去离子水的重量份为10～20份纳米二氧化硅，120～200份苯乙烯，1～3份硅烷偶联剂KH550，100～120份去离子水。
步骤（3）所述加热反应过程为加热至50～60℃，保温反应30～40min，再在氮气氛围下，继续升温至70～80℃，保温3～5h。
步骤（3）所述高温处理过程为在氮气氛围下，以6～8℃/min速率升温至500～550℃，保温20～30min，再以8～10℃/min速率升温至1100～1250℃，保温反应30～40min。
步骤（4）所述润滑油、十二烷基硫酸钠、去离子水、脲醛树脂的重量份为10～20份润滑油，0.1～0.3份十二烷基硫酸钠，150～200份去离子水，200～300份脲醛树脂。
步骤（5）所述微胶囊化润滑油与聚乙烯的质量比为1：15～1：50，所述微胶囊化润滑油用量为碳纤维质量的10～20%。
步骤（5）所述混炼过程为以10℃/min速率程序升温至160～180℃混合均匀，再冷却至130～150℃。
步骤（5）所述热压处理过程为用8～10MPa压力预压2～3min，再以10MPa/min速率增大压力至60～80MPa，在120～130℃下，保持压力10～15min。
步骤（5）所述固化温度为220～240℃。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明将碳纤维经丙酮萃取、硝酸酸洗除杂后，挂载纳米二氧化硅，并在氮气气氛下炭化，再在炭纤维表面生长碳化硅，制得复合碳纤维，再将复合碳纤维与碳毡编织成骨架，同时将微胶囊化润滑油与聚乙烯密炼混合并注入骨架中，在高温下逐渐融化，覆盖占据骨架的空隙，填充到骨架中，再经模压、固化、脱模后制得复合水润滑轴承材料；
（2）本发明通过编织形成碳纤维骨架，增强材料内部层间的剪切应力，使材料具有较高的抗磨损能力，而且还能提高材料的热导性从而使复合材料具有稳定的摩擦系数，且包覆纤维的沉积碳质地较软，在摩擦过程中易被磨损形成磨粒，使得摩擦系数和磨损量均较小，并且摩擦表面能保持完整；
（3）本发明避免了润滑剂在低速重载的工况下因泄露而失去功效，同时保证材料在磨损剧烈的阶段，随着微胶囊破裂，所释放的润滑剂对磨损严重的区域进行润滑，在摩擦副之间形成一层油性润滑薄膜，使得对摩副之间缺少润滑的情况得以改善。
具体实施方式
取100～150g碳纤维，浸泡在600～900g丙酮中1～2h，取出碳纤维并用去离子水洗涤碳纤维3～5次，洗涤干净后转入烘箱中，在70～80℃下干燥1～2h，再将碳纤维浸泡在0.9～1.2kg质量分数为10%硝酸溶液中1～2h，取出碳纤维后用去离子水洗涤3～5次，并置于烘箱中，在70～80℃下干燥1～2h，得预处理碳纤维，取10～20g纳米二氧化硅，加入120～200g苯乙烯中，以300～400r/min搅拌10～15min，再加入1～3g硅烷偶联剂KH550，100～120mL去离子水，并以200W超声波超声分散10～15min，超声结束后转入高速均质机中分散5～8min，得挂浆液，将预处理碳纤维浸泡在挂浆液中，并加热至50～60℃，保温反应30～40min，再在氮气氛围下，继续升温至70～80℃，保温3～5h，取出预处理碳纤维并转入炭化炉中，在氮气氛围下，以6～8℃/min速率升温至500～550℃，保温20～30min，再以8～10℃/min速率升温至1100～1250℃，保温反应30～40min，随炉冷却至室温，得复合碳纤维，取10～20g润滑油，0.1～0.3g十二烷基硫酸钠，加入150～200mL去离子水中，以300～400r/min搅拌混合15～20min，得混合液，将混合液以1～2g/min滴入200～300g脲醛树脂中，滴加完毕后继续搅拌20～30min，再用盐酸调节pH为3.0～3.5后转入离心机中离心分离得沉淀，将沉淀置于干燥箱中干燥，得微胶囊化润滑油，将复合碳纤维呈十字交叉铺展在碳毡上，再用连续针刺方式将复合碳纤维与碳毡结合成编织体，控制密度为0.3～0.5g/cm3，并置于模具中，再取15～20g微胶囊化润滑油与300～500g聚乙烯加入密炼机中，以10℃/min速率程序升温至160～180℃混合均匀，冷却至130～150℃后注入模具中，并置于热压机上，用8～10MPa压力预压2～3min，再以10MPa/min速率增大压力至60～80MPa，在120～130℃下，保持压力10～15min，减压至常压后将模具移入马弗炉中，在220～240℃下固化2～3h，冷却至室温后脱模，得复合水润滑轴承材料。
实例1
取100g碳纤维，浸泡在600g丙酮中1h，取出碳纤维并用去离子水洗涤碳纤维3次，洗涤干净后转入烘箱中，在70℃下干燥1h，再将碳纤维浸泡在0.9kg质量分数为10%硝酸溶液中1h，取出碳纤维后用去离子水洗涤3次，并置于烘箱中，在70℃下干燥1h，得预处理碳纤维，取10g纳米二氧化硅，加入120g苯乙烯中，以300r/min搅拌10min，再加入1g硅烷偶联剂KH550，100mL去离子水，并以200W超声波超声分散10min，超声结束后转入高速均质机中分散5min，得挂浆液，将预处理碳纤维浸泡在挂浆液中，并加热至50℃，保温反应30min，再在氮气氛围下，继续升温至70℃，保温3h，取出预处理碳纤维并转入炭化炉中，在氮气氛围下，以6℃/min速率升温至500℃，保温20min，再以8℃/min速率升温至1100℃，保温反应30min，随炉冷却至室温，得复合碳纤维，取10g润滑油，0.1g十二烷基硫酸钠，加入150mL去离子水中，以300r/min搅拌混合15min，得混合液，将混合液以1g/min滴入200g脲醛树脂中，滴加完毕后继续搅拌20min，再用盐酸调节pH为3.0后转入离心机中离心分离得沉淀，将沉淀置于干燥箱中干燥，得微胶囊化润滑油，将复合碳纤维呈十字交叉铺展在碳毡上，再用连续针刺方式将复合碳纤维与碳毡结合成编织体，控制密度为0.3g/cm3，并置于模具中，再取15g微胶囊化润滑油与300g聚乙烯加入密炼机中，以10℃/min速率程序升温至160℃混合均匀，冷却至130℃后注入模具中，并置于热压机上，用8MPa压力预压2min，再以10MPa/min速率增大压力至60MPa，在120℃下，保持压力10min，减压至常压后将模具移入马弗炉中，在220℃下固化2h，冷却至室温后脱模，得复合水润滑轴承材料。
实例2
取125g碳纤维，浸泡在750g丙酮中1h，取出碳纤维并用去离子水洗涤碳纤维4次，洗涤干净后转入烘箱中，在75℃下干燥1h，再将碳纤维浸泡在1.0kg质量分数为10%硝酸溶液中1h，取出碳纤维后用去离子水洗涤4次，并置于烘箱中，在75℃下干燥1h，得预处理碳纤维，取15g纳米二氧化硅，加入160g苯乙烯中，以350r/min搅拌13min，再加入2g硅烷偶联剂KH550，110mL去离子水，并以200W超声波超声分散13min，超声结束后转入高速均质机中分散6min，得挂浆液，将预处理碳纤维浸泡在挂浆液中，并加热至55℃，保温反应35min，再在氮气氛围下，继续升温至75℃，保温4h，取出预处理碳纤维并转入炭化炉中，在氮气氛围下，以7℃/min速率升温至525℃，保温25min，再以9℃/min速率升温至1175℃，保温反应35min，随炉冷却至室温，得复合碳纤维，取15g润滑油，0.5g十二烷基硫酸钠，加入175mL去离子水中，以350r/min搅拌混合17min，得混合液，将混合液以1g/min滴入250g脲醛树脂中，滴加完毕后继续搅拌25min，再用盐酸调节pH为3.3后转入离心机中离心分离得沉淀，将沉淀置于干燥箱中干燥，得微胶囊化润滑油，将复合碳纤维呈十字交叉铺展在碳毡上，再用连续针刺方式将复合碳纤维与碳毡结合成编织体，控制密度为0.4g/cm3，并置于模具中，再取17g微胶囊化润滑油与400g聚乙烯加入密炼机中，以10℃/min速率程序升温至170℃混合均匀，冷却至140℃后注入模具中，并置于热压机上，用9MPa压力预压2min，再以10MPa/min速率增大压力至70MPa，在125℃下，保持压力13min，减压至常压后将模具移入马弗炉中，在230℃下固化3h，冷却至室温后脱模，得复合水润滑轴承材料。
实例3
取150g碳纤维，浸泡在900g丙酮中2h，取出碳纤维并用去离子水洗涤碳纤维5次，洗涤干净后转入烘箱中，在80℃下干燥2h，再将碳纤维浸泡在1.2kg质量分数为10%硝酸溶液中2h，取出碳纤维后用去离子水洗涤5次，并置于烘箱中，在80℃下干燥2h，得预处理碳纤维，取20g纳米二氧化硅，加入200g苯乙烯中，以400r/min搅拌15min，再加入3g硅烷偶联剂KH550，120mL去离子水，并以200W超声波超声分散15min，超声结束后转入高速均质机中分散8min，得挂浆液，将预处理碳纤维浸泡在挂浆液中，并加热至60℃，保温反应40min，再在氮气氛围下，继续升温至80℃，保温5h，取出预处理碳纤维并转入炭化炉中，在氮气氛围下，以8℃/min速率升温至550℃，保温30min，再以10℃/min速率升温至1250℃，保温反应40min，随炉冷却至室温，得复合碳纤维，取20g润滑油，0.3g十二烷基硫酸钠，加入200mL去离子水中，以400r/min搅拌混合20min，得混合液，将混合液以2g/min滴入300g脲醛树脂中，滴加完毕后继续搅拌30min，再用盐酸调节pH为3.5后转入离心机中离心分离得沉淀，将沉淀置于干燥箱中干燥，得微胶囊化润滑油，将复合碳纤维呈十字交叉铺展在碳毡上，再用连续针刺方式将复合碳纤维与碳毡结合成编织体，控制密度为0.5g/cm3，并置于模具中，再取20g微胶囊化润滑油与500g聚乙烯加入密炼机中，以10℃/min速率程序升温至180℃混合均匀，冷却至150℃后注入模具中，并置于热压机上，用10MPa压力预压3min，再以10MPa/min速率增大压力至80MPa，在130℃下，保持压力15min，减压至常压后将模具移入马弗炉中，在240℃下固化3h，冷却至室温后脱模，得复合水润滑轴承材料。
将本发明制备的复合水润滑轴承材料及上海某公司生产的轴承材料进行检测，具体检测结果如下表表1：
检测方法：
使用CBZ-1轴系摩擦磨损试验机来测试复合材料的摩擦学性能，CBZ-1船舶轴系摩擦磨损试验机的最高转速为1000r/min，最大载荷为500N，最大测试扭矩为20N·m，速度测试精度为±1%，载荷的测试精度为±5%，扭矩的测试精度为±0.2%。
试验采用动态磨损试验的方式来模拟水润滑尾轴承在低速重载工况下的摩擦磨损情况，参照美国海军美国海军水润滑轴承MIL-DTL-17901C测试标准，本次试验中所使用的载荷分别为0.7、1.05、1.4和1.75MPa，电机主轴转速分别为50、150、250、350和450r/min，根据试样的旋转半径，试验速度可转化为边缘线速度，试验中边缘线速度分别为0.11、0.33、0.55、0.77和0.99m/s在固定载荷下，转速每隔15min改变一次，先由小到大依次上升，升至最大转速后再逐渐减小，在试验开始前进行10min预磨，以完成试验材料的磨合，最大程度的减小磨损初期的过度磨损，以提高试验的精确度和准确性.因此摩擦磨损试验的总时长为130min.将相同工况下的摩擦系数取算数平均值作为该工况下的平均摩擦系数.使用高精度的电子天平称量试样的质量，计算得出材料的磨损质量。
表1复合水润滑轴承材料性能表征
由表1可知本发明制备的复合水润滑轴承材料，摩擦系数低，磨损损失率低，具有广阔的市场价值。

Claims (10)

1.一种复合水润滑轴承材料的制备方法，其特征在于，具体制备步骤为：
（1）取碳纤维浸泡丙酮中1～2h，水洗干燥后再浸泡在质量分数为10%硝酸溶液中1～2h，水洗干燥得预处理碳纤维；
（2）取纳米二氧化硅加入苯乙烯中混合均匀，再加入硅烷偶联剂、去离子水，并以200W超声波超声分散10～15min，超声结束后转入高速均质机中分散5～8min，得挂浆液；
（3）将预处理碳纤维浸泡在挂浆液中加热反应，取出预处理碳纤维并转入炭化炉中，在氮气氛围下高温处理，冷却得复合碳纤维；
（4）取润滑油、十二烷基硫酸钠，加入去离子水中搅拌成混合液，将混合液滴入脲醛树脂中搅拌20～30min，再用盐酸调节pH为3.0～3.5后离心分离得沉淀，将沉淀干燥得微胶囊化润滑油；
（5）将复合碳纤维呈十字交叉铺展在碳毡上，再用连续针刺方式将复合碳纤维与碳毡结合成密度为0.3～0.5g/cm3的编织体，并置于模具中，再取微胶囊化润滑油与聚乙烯加入密炼机中混炼后注入模具中，并置于热压机上热压处理，再将模具移入马弗炉中固化2～3h，冷却至室温后脱模，得复合水润滑轴承材料。
2.如权利要求1所述的一种复合水润滑轴承材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述碳纤维与丙酮的质量比为1：4～1：9，所述碳纤维与硝酸溶液的质量比为1：6～1：12。
3.如权利要求1所述的一种复合水润滑轴承材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述纳米二氧化硅、苯乙烯、硅烷偶联剂、去离子水的重量份为10～20份纳米二氧化硅，120～200份苯乙烯，1～3份硅烷偶联剂，100～120份去离子水。
4.如权利要求1所述的一种复合水润滑轴承材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述加热反应过程为加热至50～60℃，保温反应30～40min，再在氮气氛围下，继续升温至70～80℃，保温3～5h。
5.如权利要求1所述的一种复合水润滑轴承材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述高温处理过程为在氮气氛围下，以6～8℃/min速率升温至500～550℃，保温20～30min，再以8～10℃/min速率升温至1100～1250℃，保温反应30～40min。
6.如权利要求1所述的一种复合水润滑轴承材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述润滑油、十二烷基硫酸钠、去离子水、脲醛树脂的重量份为10～20份润滑油，0.1～0.3份十二烷基硫酸钠，150～200份去离子水，200～300份脲醛树脂。
7.如权利要求1所述的一种复合水润滑轴承材料的制备方法，其特征在于，步骤（5）所述微胶囊化润滑油与聚乙烯的质量比为1：15～1：50，所述微胶囊化润滑油用量为碳纤维质量的10～20%。
8.如权利要求1所述的一种复合水润滑轴承材料的制备方法，其特征在于，步骤（5）所述混炼过程为以10℃/min速率程序升温至160～180℃混合均匀，再冷却至130～150℃。
9.如权利要求1所述的一种复合水润滑轴承材料的制备方法，其特征在于，步骤（5）所述热压处理过程为用8～10MPa压力预压2～3min，再以10MPa/min速率增大压力至60～80MPa，在120～130℃下，保持压力10～15min。
10.如权利要求1所述的一种复合水润滑轴承材料的制备方法，其特征在于，步骤（5）所述固化温度为220～240℃。
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