CN108485212A - 一种高分子自润滑材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种高分子自润滑材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高分子自润滑材料及其制备方法和应用，所述高分子自润滑材料包括如下重量份的各原料组分：聚对苯二甲酸丁二醇酯10‑90份、聚对苯二甲酸乙二醇酯10‑90份、碳纤维5‑30份、耐磨剂3‑20份、增韧剂3‑15份、成核剂1‑5份、抗氧剂0.1‑2.0份、稳定剂0.1‑2.0份。由该高分子自润滑材料制备的平衡轴衬套具有出色的机械强度和耐磨性能、较高的缺口冲击韧性、良好的尺寸稳定性、结构简单、质量轻、免维护以及耐腐蚀等优点。符合目前汽车轻量化、低耗能的要求。

Description

一种高分子自润滑材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明主要涉及复合材料及汽车零部件技术领域，具体涉及一种高分子自润滑材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着中国社会的发展和进步，人们对汽车特别是载货汽车通过性和舒适性的要求逐步提高。钢板弹簧平衡悬架在满足提高载货汽车运输效率要求的前提下，也可保证汽车行驶的平顺性和操纵稳定性。钢板弹簧平衡悬架因其成本低、结构简单和易于维修保养等优点而被普遍采用。而平衡悬架系统各组成零部件的结构安全性直接影响整车的安全性。
平衡悬架中平衡轴衬套安装在平衡轴座孔中，平衡轴安装在衬套中。平衡轴衬套的作用是缓冲车重对平衡轴的冲击，衰减传递给平衡轴的振动，以提高整车行驶的平顺性。
作为汽车零部件，目前平衡轴衬套大致可以分为两类：一种是金属铜合金衬套结构，此种衬套结构复杂，维修麻烦，需要经常添加润滑油，而且成本较高；一种为橡胶衬套，该种衬套采用内衬管和外管硫化橡胶的形式，在工作过程中，橡胶部分承受了内衬管与橡胶件的扭转变形，影响其使用寿命。
为此，我们有必要开发出一种满足各方面要求并且性能优异的材料来制备平衡轴衬套。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种高分子自润滑材料及其制备方法与应用，由该高分子自润滑材料制备的平衡轴衬套具有结构简单(见图1)、质量轻、免维护以及耐腐蚀等优点。符合目前汽车轻量化、低耗能的要求。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种高分子自润滑材料，包括如下重量份的各原料组分：聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)10-90份、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)10-90份、碳纤维5-30份、耐磨剂3-20份、增韧剂3-15份、成核剂1-5份、抗氧剂0.1-2.0份、稳定剂0.1-2.0份。
上述的高分子自润滑材料中，优选的，所述的耐磨剂为聚四氟乙烯、二硫化钼中的一种或两种。耐磨剂主要起到减磨降摩的作用。聚四氟乙烯是已知固体材料中摩擦系数最低的材料，利用其摩擦系数低的特性可以作为固体润滑剂制备自润滑材料；二硫化钼具有层状结构，添加到自润滑材料中可以使得转移膜在摩擦过程中很容易在摩擦面间形成，形成的转移膜不但降低了摩擦系数，还使磨耗大为减小。
所述的碳纤维为碳纤粉、短切碳纤维，长碳纤维中的一种。碳纤维主要起到增强的作用，其次还有减磨降摩的作用。碳纤维由于具有石墨微晶的自润滑特性及高的模量，加入到高分子自润滑材料后能使摩擦系数下降，降低材料磨损，而高模量可明显增加材料的机械强度。
上述的高分子自润滑材料中，优选的，所述耐磨剂为聚四氟乙烯与二硫化钼按照1-3∶1的质量比组成的混合物。我们经过实验发现聚四氟乙烯与二硫化钼作为耐磨剂同时使用其耐磨效果更好，具体实验参见实施例部分。
上述的高分子自润滑材料中，优选的，所述聚对苯二甲酸丁二醇酯与聚对苯二甲酸乙二醇酯的质量比为4-6∶6-4。我们经过实验发现，聚对苯二甲酸丁二醇酯与聚对苯二甲酸乙二醇酯的质量比在4-6∶6-4这一范围时，其拉伸强度、抗冲击韧性等性能更优异。
上述的高分子自润滑材料中，优选的，所述的增韧剂为热塑性聚氨酯、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶和乙烯-辛烯共聚物中的一种。
所述的成核剂为苯甲酸钠、纳米二氧化硅、氢氧化铝、滑石粉、高岭土中的一种。成核剂主要改善结晶能力，利于材料的成型加工。
所述的高分子自润滑材料的最优配方为：40份PBT树脂、60份PET树脂，20份碳纤维、5份耐磨剂、5份增韧剂、2份成核剂、0.2份抗氧剂、0.2份稳定剂。
上述的高分子自润滑材料中，优选的，所述碳纤维为短切碳纤维；所述耐磨剂为聚四氟乙烯；所述增韧剂为乙烯-辛烯共聚物；所述成核剂为苯甲酸钠。
本发明还提供一种制备上述高分子自润滑材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将PET和PBT树脂置于烘箱中于100-120℃下干燥3-5h，将干燥后的PBT树脂和PET树脂、耐磨剂、增韧剂、成核剂、抗氧剂和稳定剂置于高速混料机中进行混料15min-25min；
(2)将混料完成后的物料添加至双螺杆挤出机中，通过侧喂料方式加入碳纤维，然后进行熔融共混，最后通过挤出造粒，即得到高分子自润滑材料，其中挤出温度为245℃-250℃，双螺杆挤出机的螺杆转速为200-350rpm。
为实现本发明的目的，提供一种所述高分子自润滑材料在平衡轴衬套中的应用。
以高分子自润滑材料为原料，通过注塑成型制备得到平衡轴衬套。注塑成型的具体步骤为：将高分子自润滑材料置于烘箱中于100-120℃下干燥3-5h，然后将高分子自润滑材料加入注塑机的料筒中进行注塑成型，注塑成型过程中注塑温度为230-255℃，注塑压力为20-40kg/cm2，注塑速度为30-70mm/s。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明获得的平衡轴衬套具有结构简单、质量轻、免维护以及耐腐蚀等优点。符合目前汽车轻量化、低耗能的要求；
2、本发明获得的平衡轴衬套具有出色的机械强度和较高的缺口冲击韧性，力学性能优异；
3、本发明获得的平衡轴衬套具有出色的耐磨性能和良好的尺寸稳定性等特点；
4、本发明获得的高分子自润滑材料具有较高的拉伸强度、优异的抗冲击韧性、较低的摩擦系数和磨损等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的平衡轴衬套的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
本实施例的高分子自润滑材料包括如下质量的各组分：10kgPBT树脂、90kgPET树脂，5kg长碳纤维、3kg二硫化钼(MoS2)、3kg热塑性聚氨酯、1kg苯甲酸钠、0.1kg抗氧剂和0.1kg稳定剂。
本实施例的高分子自润滑材料的制备方法是：
(1)将PET和PBT树脂置于烘箱中于120℃下干燥3h，然后取干燥后的10kgPBT树脂和90kgPET树脂、3kg MoS2、3kg热塑性聚氨酯、1kg苯甲酸钠、0.1kg抗氧剂和0.1kg稳定剂置于高速混料机中进行混料15min；
(2)将步骤(1)混料完成后的物料添加至双螺杆挤出机中，通过侧喂料方式加入5kg长碳纤维，然后进行熔融共混，最后通过挤出造粒，即得到高分子自润滑材料，其中挤出温度为250℃，双螺杆挤出机的螺杆转速为350rpm。
对该高分子自润滑材料的拉伸强度、缺口冲击强度、摩擦系数、磨耗及吸水率进行测试。其中，拉伸强度的测试方法采用测试标准GB/T1040进行，缺口冲击强度的测试方法采用测试标准GB/T1043进行，摩擦系数及磨耗采用ASTM G99-05方法测试，吸水率(体现材料的尺寸稳定性)采用测试标准GB/T1034进行。具体测试结果见表1。
以高分子自润滑材料为原料，通过注塑成型制备得到平衡轴衬套。注塑成型的具体步骤为：将高分子自润滑材料置于烘箱中于120℃下干燥3h，然后将高分子自润滑材料加入注塑机的料筒中进行注塑成型，注塑成型过程中注塑温度为255℃，注塑压力为40kg/cm2，注塑速度为30mm/s。该平衡轴衬套的结构如图1所示。
实施例2
本实施例的高分子自润滑材料包括如下质量的各组分：90kgPBT树脂、10kgPET树脂，30kg碳纤维粉末、20kg聚四氟乙烯(PTFE)、15kg乙烯-辛烯共聚物、5kg纳米二氧化硅、2kg抗氧剂和2kg稳定剂。
本实施例的高分子自润滑材料的制备方法是：
(1)将PET和PBT树脂置于烘箱中于120℃下干燥3h，然后取干燥后的90kgPBT树脂和10kgPET树脂、20kg PTFE、15kg乙烯-辛烯共聚物、5kg纳米二氧化硅、2kg抗氧剂和2kg稳定剂置于高速混料机中进行混料25min；
(2)将步骤(1)混料完成后的物料添加至双螺杆挤出机中，通过侧喂料方式加入30kg碳纤维粉末，然后进行熔融共混，最后通过挤出造粒，即得到高分子自润滑材料，其中挤出温度为245℃，双螺杆挤出机的螺杆转速为350rpm。
对该高分子自润滑材料的拉伸强度、缺口冲击强度、摩擦系数、磨耗及吸水率进行测试。其中，拉伸强度的测试方法采用测试标准GB/T1040进行，缺口冲击强度的测试方法采用测试标准GB/T1043进行，摩擦系数及磨耗采用ASTM G99-05方法测试，吸水率(体现材料的尺寸稳定性)采用测试标准GB/T1034进行。具体测试结果见表1。
以高分子自润滑材料为原料，通过注塑成型制备得到平衡轴衬套。注塑成型的具体步骤为：将高分子自润滑材料置于烘箱中于120℃下干燥3h，然后将高分子自润滑材料加入注塑机的料筒中进行注塑成型，注塑成型过程中注塑温度为255℃，注塑压力为40kg/cm2，注塑速度为30mm/s。该平衡轴衬套的结构如图1所示。
实施例3
本实施例的高分子自润滑材料包括如下质量的各组分：40kgPBT树脂、60kgPET树脂，20kg短切碳纤维、5kg聚四氟乙烯(PTFE)、5kg乙烯-辛烯共聚物、2kg苯甲酸钠、0.2kg抗氧剂和0.2kg稳定剂。
本实施例的高分子自润滑材料的制备方法是：
(1)将PET和PBT树脂置于烘箱中于120℃下干燥3h，然后取干燥后的40kgPBT树脂和60kgPET树脂、5kgPTFE、5kg乙烯-辛烯共聚物、2kg苯甲酸钠、0.2kg抗氧剂和0.2kg稳定剂置于高速混料机中进行混料15min；
(2)将步骤(1)混料完成后的物料添加至双螺杆挤出机中，通过侧喂料方式加入20kg短切碳纤维，然后进行熔融共混，最后通过挤出造粒，即得到高分子自润滑材料，其中挤出温度为250℃，双螺杆挤出机的螺杆转速为350rpm。
对该高分子自润滑材料的拉伸强度、缺口冲击强度、摩擦系数、磨耗及吸水率进行测试。其中，拉伸强度的测试方法采用测试标准GB/T1040进行，缺口冲击强度的测试方法采用测试标准GB/T1043进行，摩擦系数及磨耗采用ASTM G99-05方法测试，吸水率(体现材料的尺寸稳定性)采用测试标准GB/T1034进行。具体测试结果见表1。
以高分子自润滑材料为原料，通过注塑成型制备得到平衡轴衬套。注塑成型的具体步骤为：将高分子自润滑材料置于烘箱中于120℃下干燥3h，然后将高分子自润滑材料加入注塑机的料筒中进行注塑成型，注塑成型过程中注塑温度为255℃，注塑压力为40kg/cm2，注塑速度为30mm/s。该平衡轴衬套的结构如图1所示。
实施例4
本实施例的高分子自润滑材料包括如下质量的各组分：60kgPBT树脂、40kgPET树脂，10kg长碳纤维、3kg二硫化钼(MoS2)、5kg聚四氟乙烯(PTFE)、8kg丁腈橡胶、3kg滑石粉，0.3kg抗氧剂和0.5kg稳定剂。
本实施例的高分子自润滑材料的制备方法是：
(1)将PET和PBT树脂置于烘箱中于120℃下干燥3h，然后取干燥后的60kgPBT树脂和40kgPET树脂、3kg二硫化钼(MoS2)、5kg聚四氟乙烯(PTFE)、8kg丁腈橡胶、3kg滑石粉，0.3kg抗氧剂和0.5kg稳定剂，置于高速混料机中进行混料20min；
(2)将步骤(1)混料完成后的物料添加至双螺杆挤出机中，通过侧喂料方式加入10kg长碳纤维，然后进行熔融共混，最后通过挤出造粒，即得到高分子自润滑材料，其中挤出温度为250℃，双螺杆挤出机的螺杆转速为350rpm。
对该高分子自润滑材料的拉伸强度、缺口冲击强度、摩擦系数、磨耗及吸水率进行测试。其中，拉伸强度的测试方法采用测试标准GB/T1040进行，缺口冲击强度的测试方法采用测试标准GB/T1043进行，摩擦系数及磨耗采用ASTM G99-05方法测试，吸水率(体现材料的尺寸稳定性)采用测试标准GB/T1034进行。具体测试结果见表1。
以高分子自润滑材料为原料，通过注塑成型制备得到平衡轴衬套。注塑成型的具体步骤为：将高分子自润滑材料置于烘箱中于120℃下干燥3h，然后将高分子自润滑材料加入注塑机的料筒中进行注塑成型，注塑成型过程中注塑温度为255℃，注塑压力为40kg/cm2，注塑速度为30mm/s。该平衡轴衬套的结构如图1所示。
各实施例的高分子自润滑材料的性能测试数据见表1：
表1各实施例的高分子自润滑材料的性能测试数据
由表1可见，本发明的高分子自润滑材料具有较高的拉伸强度、优异的抗冲击韧性，由其制备的平衡轴衬套可具有优异的力学性能；本发明的高分子自润滑材料具有较低的吸水率，使得由其制成的平衡轴衬套具有较好的尺寸稳定性；实施例3中采用更加优选的配方，高分子自润滑材料具有较低的吸水率、两小时磨损量更小，说明采用优选的配方得到的高分子自润滑材料具有更加优秀的尺寸稳定性和更好的耐磨性。
表2为利用实施例3制备的高分子自润滑材料与目前市场上橡胶衬套和铜合金衬套的对比数据，可以看出，相比铜合金衬套，本发明的高分子自润滑材料的密度仅为铜合金的1/5以下，由其制备的平衡轴衬套可实现轻量化效果；相比橡胶衬套，本发明的高分子自润滑材料具有较低的摩擦系数和磨损，可使由其制成的平衡轴衬套具有自润滑特性和较长的使用寿命。
表2橡胶、铜合金、本申请高分子自润滑材料的性能测试数据
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高分子自润滑材料，其特征在于，包括如下重量份的各原料组分：聚对苯二甲酸丁二醇酯10-90份、聚对苯二甲酸乙二醇酯10-90份、碳纤维5-30份、耐磨剂3-20份、增韧剂3-15份、成核剂1-5份、抗氧剂0.1-2.0份、稳定剂0.1-2.0份。
2.根据权利要求1所述的高分子自润滑材料，其特征在于，所述的耐磨剂为聚四氟乙烯、二硫化钼中的一种或两种；所述的碳纤维为碳纤粉、短切碳纤维，长碳纤维中的一种。
3.根据权利要求2所述的高分子自润滑材料，其特征在于，所述耐磨剂为聚四氟乙烯与二硫化钼按照1-3∶1的质量比组成的混合物。
4.根据权利要求1所述的高分子自润滑材料，其特征在于，所述聚对苯二甲酸丁二醇酯与聚对苯二甲酸乙二醇酯的质量比为4-6∶6-4。
5.根据权利要求1所述的高分子自润滑材料，其特征在于，所述的增韧剂为热塑性聚氨酯、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶和乙烯-辛烯共聚物中的一种；所述的成核剂为苯甲酸钠、纳米二氧化硅、氢氧化铝、滑石粉、高岭土中的一种。
6.根据权利要求2或5所述的高分子自润滑材料，其特征在于，所述碳纤维为短切碳纤维；所述耐磨剂为聚四氟乙烯；所述增韧剂为乙烯-辛烯共聚物；所述成核剂为苯甲酸钠。
7.一种如权利要求1-5中任一项所述的高分子自润滑材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯置于烘箱中于100-120℃下干燥3-5h，将干燥后的聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯、耐磨剂、增韧剂、成核剂、抗氧剂和稳定剂置于高速混料机中进行混料；
(2)将混料完成后的物料添加至双螺杆挤出机中，通过侧喂料方式加入碳纤维，然后进行熔融共混，最后通过挤出造粒，即得到高分子自润滑材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，高速混料机的混料时间为15min-25min，挤出造粒过程中挤出温度为245℃-250℃，双螺杆挤出机的螺杆转速为200-350rpm。
9.一种如权利要求1-5中任一项所述的或者如权利要求7-8任一项所述制备方法获得的高分子自润滑材料在平衡轴衬套中的应用，所述平衡轴衬套是采用均一化的前述高分子自润滑材料一体化成型后制备得到。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述平衡轴衬套具体是通过注塑成型制备得到，注塑成型过程中注塑温度为230-255℃，注塑压力为20-40kg/cm2，注塑速度为30-70mm/s。
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