CN109575521A - 一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：⑴分别将环氧树脂、聚氨酯脱水干燥后混合搅拌均匀，得到混合物；⑵所述混合物中依次加入可水解活性纳米颗粒、增强纤维，搅拌均匀后，得到聚合物混合液；⑶所述聚合物混合液中加入固化剂倒入预热模具中加压固化，脱模后即得聚合物自润滑纳米复合材料。本发明方法简单、易于实施，所得自润滑纳米复合材料可应用于边界润滑条件下频繁起停的水润滑轴承等运动机构的滑动摩擦部件。

Description

一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料领域，尤其涉及一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法。

背景技术

船舶、水泵、水轮机、汽轮机、空气压缩机、洗衣机及其他工业设备轴系中的各种轴承、齿轮与密封装置等传动零部件，以及各种流体传动与控制系统中的液压泵、马达和控制阀等重要基础件，往往都是以金属构件组成，并用油作为工作介质。而为了防止油的泄漏，需要进行密封，使其结构变得相当复杂，同时，不可避免地船舶推进系统油泄漏污染水环境问题日趋严重，近年来已引起各国政府、企业界和学术界的密切关注，少数发达国家对此投入巨额资金先后进行系统研究其治理技术及装备的研发。工业发达国家如美国已立法禁止航行在内陆流域的船舶使用油润滑轴承。用水代替油作润滑介质，是机械润滑领域当前及今后的重要研究方向。

水作为润滑剂的优越性主要表现在无污染、来源广泛、节省能源、安全。水润滑具有环境友好的特点，在水利水电、航运、海洋作业等装备中，用水代替油作为润滑介质，不仅能够节约大量的润滑油，还可以避免润滑油介质泄露对水资源所造成的污染，是最具有发展潜力的工作介质。

同时，一些特殊的工况，必须面对水润滑，如水下航行器运动部件，轻水核反应堆堆内滑动支撑与螺旋构件等等。但水并不是优良的润滑介质，与润滑油相比，水的粘度低，水环境中的摩擦副形成润滑膜的能力较差，有时甚至不能产生流体润滑效果而导致摩擦副材料在非流体润滑工况下工作。同时对偶材料在摩擦时与水发生的物理化学作用也直接影响着材料的使用性能和寿命，比如水会对摩擦副特别是金属材料产生腐蚀。因此，水润滑基体材料自身所拥有的摩擦学性能成为决定材料使用性能和寿命的主要因素。对于摩擦副材料在水润滑条件下出现的严重的摩擦磨损问题，国内外研究人员试图从两方面着手解决：一是提高水润滑材料自身的性能。二是通过设计摩擦副材料的组分来使其在水润滑条件下形成高强度的转移膜，避免其在边界条件下发生严重的摩擦磨损。从而，设计具有优异润滑性能的聚合物基复合材料成为解决水润滑条件下水润滑运动部件失效的重要途径。

环氧树脂作为自润滑基体材料具有热稳定性好、耐化学性高、绝缘性好、高强度、收缩率低、粘接性好等优异性能。然而，纯环氧树脂易发生粘着磨损，不适合单独作为自润滑材料使用。聚氨酯材料因其具有优良的耐磨性、阻尼性和高弹性而广泛作为水润滑轴承材料，然而，其依然存在重载低速条件下承载能力差、噪音大等缺点。

中国专利CN104817840A公开了在聚合物基体中加入固体润滑剂等去提高材料的摩擦磨损，但没有探索在边界润滑条件下材料的摩擦学性能。。CN103788623A研究了聚氨酯基体材料中加入固体润滑剂以及增强纤维，但没有进一步探索功能性纳米颗粒在不同条件下，尤其是在边界润滑条件下，对水润滑轴承材料的摩擦学行为。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种方法简单、易于实施的聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

⑴分别将环氧树脂、聚氨酯脱水干燥后混合，于-0.95×10⁵Pa~-0.1×10⁵Pa搅拌均匀，得到混合物；所述聚氨酯在所述环氧树脂中的质量分数为10%~90%；

⑵所述混合物中依次加入其体积0.1~20%的可水解活性纳米颗粒、1~30%的增强纤维，于-0.95×10⁵Pa~-0.1×10⁵Pa搅拌均匀后，得到聚合物混合液；

⑶所述聚合物混合液中加入其体积8%~50%的固化剂倒入温度为80℃~120℃的预热模具中加压固化，脱模后即得聚合物自润滑纳米复合材料。

所述步骤⑴中的环氧树脂是指双酚A型的液体树脂E51或E44，其脱水温度为70℃~100℃。

所述步骤⑴中的聚氨酯为聚醚型聚氨酯，其数均分子量为1000~5000，脱水温度为40℃~90℃。

所述步骤⑴中的搅拌条件是指温度为40℃~70℃，转速为200r/min，时间为30min。

所述步骤⑵中的可水解活性纳米颗粒是指经KH-550处理后的BN或SiC纳米颗粒，其粒度为50~900nm。

所述步骤⑵中的增强纤维为短切碳纤维，单丝直径为5~30μm，长度为20~500μm。

所述步骤⑵中的搅拌条件是指转速为3000r/min，时间为60min。

所述步骤⑶中的固化剂为脂肪胺类固化剂。

所述步骤⑶中的加压固化的条件是指温度为90℃~150℃、压力为10MPa、时间为4~7h。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过在聚氨酯-环氧树脂(PU/EP IPN)基体中添加短切碳纤维、可水解活性纳米颗粒，经高速搅拌均匀分散后高温固化，得到一种可水解纳米颗粒复合填充的（PU/EPIPN）互穿网络结构的自润滑纳米复合材料。

2、在水润滑条件下，本发明所得的复合材料中的短切碳纤维有助于摩擦界面上生成的转移膜发生石墨化反应；同时，可水解活性纳米颗粒的加入与短切碳纤维协同促进摩擦界面摩擦化学反应的发生，有助于对偶表面上高性能转移膜的形成，从而使复合材料在摩擦过程中更快地达到稳定阶段，进而使复合材料的磨损率达到数量级上的降低。

3、本发明方法简单、易于实施，所得自润滑纳米复合材料可应用于边界润滑条件下频繁起停的水润滑轴承等运动机构的滑动摩擦部件。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为水润滑条件下四种材料的特征磨损率。

具体实施方式

实施例1 一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

⑴分别将环氧树脂、聚氨酯脱水干燥后，按聚氨酯在环氧树脂中的质量分数为10%混合，于-0.5×10⁵Pa、温度为40℃、转速为200r/min的条件下均匀搅拌30min，得到混合物。

⑵混合物中依次加入其体积0.1%的经KH-550处理过的BN纳米颗粒、1%的增强纤维，于-0.5×10⁵Pa、转速为3000r/min的条件下均匀搅拌60min后，得到聚合物混合液。

⑶聚合物混合液中加入其体积50%的固化剂倒入温度为80℃的预热模具中，在温度为90℃、压力为10MPa的条件下加压固化4h，脱模后即得聚合物自润滑纳米复合材料。

实施例2 一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

⑴分别将环氧树脂、聚氨酯脱水干燥后，按聚氨酯在环氧树脂中的质量分数为90%混合，于-0.95×10⁵Pa、温度为70℃、转速为200r/min的条件下均匀搅拌30min，得到混合物。

⑵混合物中依次加入其体积20%的经KH-550处理过的SiC纳米颗粒、1%的增强纤维，于-0.95×10⁵Pa、转速为3000r/min的条件下均匀搅拌60min后，得到聚合物混合液。

⑶聚合物混合液中加入其体积20%的固化剂倒入温度为90℃的预热模具中，在温度为150℃、压力为10MPa的条件下加压固化4h，脱模后即得聚合物自润滑纳米复合材料。

实施例3 一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

⑴分别将环氧树脂、聚氨酯脱水干燥后，按聚氨酯在环氧树脂中的质量分数为90%混合，于-0.1×10⁵Pa、温度为55℃、转速为200r/min的条件下均匀搅拌30min，得到混合物。

⑵混合物中依次加入其体积1%的经KH-550处理过的SiC纳米颗粒、30%的增强纤维，于-0.1×10⁵Pa 、转速为3000r/min的条件下均匀搅拌60min后，得到聚合物混合液。

⑶聚合物混合液中加入其体积8%的固化剂倒入温度为90℃的预热模具中，在温度为90℃、压力为10MPa的条件下加压固化7h，脱模后即得聚合物自润滑纳米复合材料。

实施例4 一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

⑴分别将环氧树脂、聚氨酯脱水干燥后，按聚氨酯在环氧树脂中的质量分数为80%混合，于-0.95×10⁵Pa、温度为50℃、转速为200r/min的条件下均匀搅拌30min，得到混合物。

⑵混合物中依次加入其体积5%的经KH-550处理过的BN纳米颗粒、20%的增强纤维，于-0.95×10⁵Pa 、转速为3000r/min的条件下均匀搅拌60min后，得到聚合物混合液。

⑶聚合物混合液中加入其体积30%的固化剂倒入温度为90℃的预热模具中，在温度为100℃、压力为10MPa的条件下加压固化7h，脱模后即得聚合物自润滑纳米复合材料。

实施例5 一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

⑴分别将环氧树脂、聚氨酯脱水干燥后，按聚氨酯在环氧树脂中的质量分数为50%混合，于-0.2×10⁵Pa、温度为40℃、转速为200r/min的条件下均匀搅拌30min，得到混合物。

⑵混合物中依次加入其体积10%的经KH-550处理过的BN纳米颗粒、15%的增强纤维，于-0.2×10⁵Pa、转速为3000r/min的条件下均匀搅拌60min后，得到聚合物混合液。

⑶聚合物混合液中加入其体积20%的固化剂倒入温度为90℃的预热模具中，在温度为100℃、压力为10MPa的条件下加压固化5h，脱模后即得聚合物自润滑纳米复合材料。

实施例6 一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

⑴分别将环氧树脂、聚氨酯脱水干燥后，按聚氨酯在环氧树脂中的质量分数为60%混合，于-0.1×10⁵Pa、温度为55℃、转速为200r/min的条件下均匀搅拌30min，得到混合物。

⑵混合物中依次加入其体积10%的经KH-550处理过的SiC纳米颗粒、10%的增强纤维，于-0.3×10⁵Pa、转速为3000r/min的条件下均匀搅拌60min后，得到聚合物混合液。

⑶聚合物混合液中加入其体积50%的固化剂倒入温度为120℃的预热模具中，在温度为90℃、压力为10MPa的条件下加压固化4h，脱模后即得聚合物自润滑纳米复合材料。

上述实施例1~6中，环氧树脂是指双酚A型的液体树脂E51或E44，其脱水温度为70℃~100℃。聚氨酯为聚醚型聚氨酯，其数均分子量为1000~5000，脱水温度为40℃~90℃。可水解活性纳米颗粒的粒度为50~900nm。增强纤维为短切碳纤维，单丝直径为5~30μm，长度为20~500μm。固化剂为脂肪胺类固化剂。

对比例1为聚氨酯/环氧树脂材料。

对比例2为含有填料体积分数10%的聚氨酯-环氧树脂复合材料。

【摩擦实验】

将实施例1~2及对比例1~2固化成型的样品加工成50mm×10mm×6mm的试样块，在高速环-块摩擦试验机（MRH-1A，济南益华）上进行摩擦实验，每个试样分别进行至少重复三次的摩擦磨损性能分析。测试条件为：对偶钢环为SUS304，初始端面粗糙度Ra=0.27，钢环的外径为Φ=60mm，内径为Φ=50mm，高度为25mm，试验载荷为100N，滑动线速度为0.025m/s，摩擦磨损试验时间为3h。

水润滑介质磨损率的计算公式：Ws = ΔM / (ρ·F·L) (mm³/Nm)

式中：ΔM为磨损质量（mg），ρ为样品的密度（mg/mm³），F为法向施加的力（N），L为滑动距离（m）。

图1中给出了实施例1、实施例2和对比例1、对比例2在载荷为100N,滑动速度为0.025m/s条件下的特征磨损率。测试结果证明，在传统复合材料中加入可水解活性纳米颗粒，可以显著提高聚合物的耐磨性能。在水润滑条件下，本发明可水解纳米颗粒聚合物复合材料与聚氨酯-环氧树脂及传统的碳纤维增强聚氨酯-环氧树脂复合材料相比都表现出极其优越的摩擦学性能，在水润滑条件下作为运动机构的滑动摩擦部件具有很好的应用前景。

Claims (9)

1.一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

⑴分别将环氧树脂、聚氨酯脱水干燥后混合，于-0.95×10⁵Pa~-0.1×10⁵Pa搅拌均匀，得到混合物；所述聚氨酯在所述环氧树脂中的质量分数为10%~90%；

⑵所述混合物中依次加入其体积0.1~20%的可水解活性纳米颗粒、1~30%的增强纤维，于-0.95×10⁵Pa~-0.1×10⁵Pa搅拌均匀后，得到聚合物混合液；

⑶所述聚合物混合液中加入其体积8%~50%的固化剂倒入温度为80℃~120℃的预热模具中加压固化，脱模后即得聚合物自润滑纳米复合材料。

2.如权利要求1所述的一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中的环氧树脂是指双酚A型的液体树脂E51或E44，其脱水温度为70℃~100℃。

3.如权利要求1所述的一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中的聚氨酯为聚醚型聚氨酯，其数均分子量为1000~5000，脱水温度为40℃~90℃。

4.如权利要求1所述的一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中的搅拌条件是指温度为40℃~70℃，转速为200r/min，时间为30min。

5.如权利要求1所述的一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤⑵中的可水解活性纳米颗粒是指经KH-550处理后的BN或SiC纳米颗粒，其粒度为50~900nm。

6.如权利要求1所述的一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤⑵中的增强纤维为短切碳纤维，单丝直径为5~30μm，长度为20~500μm。

7.如权利要求1所述的一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法，其特征在于： 所述步骤⑵中的搅拌条件是指转速为3000r/min，时间为60min。

8.如权利要求1所述的一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶中的固化剂为脂肪胺类固化剂。

9.如权利要求1所述的一种聚合物自润滑纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶中的加压固化的条件是指温度为90℃~150℃、压力为10MPa、时间为4~7h。