CN109679344A - 一种超声电机用多维协同改性聚酰亚胺复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种超声电机用多维协同改性聚酰亚胺复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种超声电机用多维协同改性聚酰亚胺复合材料,其特征是它主同由以下材料按质量份数组成:聚酰亚胺100,羟基化富勒烯0.1‑1,多壁碳纳米管0.1‑3,氧化石墨烯0.1‑1。其制备方法是将复合粉末混匀后加入模具中热压成型,模压温度360~380℃,压力10~20MPa,保温保压时间60‑90分钟,然后自然冷却脱模。本发明的复合材料具有较高的机械性能、稳定的摩擦系数和极低的磨损率,能够大大提高超声电机的承载能力、运行稳定性和使用寿命。

Description

一种超声电机用多维协同改性聚酰亚胺复合材料及其制备 方法
技术领域
本发明属于聚合物复合材料领域,尤其是一种超声电机使用的复合材料,具体地说是一种超声电机用多维协同改性聚酰亚胺复合材料及其制备方法。
背景技术
随着超声电机技术的不断发展及应用范围的扩大,对转子摩擦材料性能的要求越来越高,传统的聚四氟乙烯基复合材料由于机械强度低、硬度小、使用寿命短等缺点,很难满足超声电机高输出稳定性以及超长使用寿命。因此,发展新型摩擦材料对于超声电机的快速发展至关重要。
目前旋转型超声电机使用的摩擦材料主要存在两大问题:一是摩擦性能不稳定,导致输出转速波动较大;二是在大载荷下使用寿命短,无法保证航空航天领域的长期运行。目前,国内还没有摩擦材料能完全解决以上两个问题。因此,寻求长寿命高稳定的摩擦材料是超声电机亟需解决的难题。
首先,本发明选用“塑料之王”聚酰亚胺作为聚合物基体,因其是一种绝缘性能好、耐高温、耐腐蚀、耐磨损且承载能力很强的一种高分子材料,但是纯的聚酰亚胺很难满足超声电机高频微振动条件下的使用要求。所以对聚酰亚胺进行改性是提高其机械性能和摩擦学性能最有效的方法。本发明选用性能良好的纳米碳材料对聚酰亚胺进行多维协同改性,综合改善聚酰亚胺的摩擦学性能。零维材料选用羟基化富勒烯,一维材料采用多壁碳纳米管,二维材料采用氧化石墨烯。
其次,根据填料添加比例的不同,对其制备方法进行了优化,以期能够制备适用于超声电机使用的高性能摩擦材料。
发明内容
本发明的目的是针对超声电机用摩擦材料存在的摩擦性能不稳定和使用寿命短的问题,发明一种具有摩擦性能稳定且耐磨性良好的多维协同改性聚酰亚胺复合材料及其制备方法。
本发明的技术方案之一是:
一种超声电机用多维协同改性聚酰亚胺复合材料,其特征在于它由聚酰亚胺、羟基化富勒烯、多壁碳纳米管和氧化石墨烯组成:各组份的质量份为:聚酰亚胺100份,羟基化富勒烯0.1-1份, 多壁碳纳米管0.1-3份,氧化石墨烯0.1-1份。
优选地,所用聚酰亚胺为75μm模压粉,性能稳定,非常适合无机颗粒填充和模压。
优选地,所述羟基化富勒烯羟基数为18-28,其原因之一是表面大量的羟基能够与聚酰亚胺存在着强烈的氢键作用,提高了界面结合力;原因之二是相比富勒烯,羟基化富勒烯在乙醇中分散性良好,避免了团聚现象,从而能够与聚酰亚胺和其他改性剂的良好分散。
优选地,所述多壁碳纳米管直径为8-15nm,长度为10-50 μm,选用多壁碳纳米管是因为其具有良好的力学性能,是提高聚合物强度的理想增强材料。
优选地,所述氧化石墨烯的尺寸为1-5μm,厚度为0.8-1.2nm,选用氧化石墨烯的原因之一同样是因为其表面活性官能团与聚酰亚胺分子存在着强烈的氢键,能够提高界面结合力,从而大大提高聚酰亚胺的耐磨性;原因之二是相比石墨烯,氧化石墨烯在乙醇中分散性良好,避免了团聚现象,提高了其在聚酰亚胺中的分散性。
本发明的技术方案之二是:
一种超声电机用多维协同改性聚酰亚胺复合材料的制备方法,其特征是它依次包括如下步骤:
1)将聚酰亚胺、羟基化富勒烯、多壁碳纳米管、氧化石墨烯分散在乙醇中,超声水浴中机械搅拌4-8小时,保证均匀分散,然后烘干过筛(200目)待用;
2)将步骤1混好的模料倒入模具中进行热压烧结成型,模压温度360~380℃,压力10~20MPa,保温保压60-90分钟,然后自然冷却脱模;
3)将步骤2制成的聚酰亚胺复合材料进行切片加工,厚度约为0.25mm,与铝合金转子粘贴并进行表面抛光至粗糙度小于0.1μm后供超声电机使用。
本发明的有益效果在于:
(1)、本发明选用综合性能非常良好的聚酰亚胺作为基体,相比传统的聚四氟乙烯,其机械强度、表面硬度、耐温性和耐磨性都有所提高;虽然聚酰亚胺的摩擦系数相比聚四氟乙烯要大,但是高摩擦系数有助于提高超声电机的输出力矩和运动转换效率,所以选用聚酰亚胺作为基体是提高超声电机性能的关键。
(2)、本发明选用性能优异的碳材料对聚酰亚胺进行多维协同改性,相比传统的改性方法综合性能更加优异,重要的是根据聚酰亚胺的分子结构,选用羟基化富勒烯和氧化石墨烯提高其在基体中的分散性和界面结合力,能够大大提高其机械性能并降低聚酰亚胺的磨损率,有助于延长超声电机的使用寿命,从而为超声电机在航空航天领域超长服役时间提供材料保障。
(3)本发明的复合材料具有较高的机械性能、稳定的摩擦系数和极低的磨损率,能够大大提高超声电机的承载能力、运行稳定性和使用寿命。
(4)本发明制造方便,成本低,采用的工艺和装备简单实用,无需高精尖设备做保障。
附图说明
图1为本发明各实施案例中聚酰亚胺复合材料的摩擦系数变化曲线。
图2为本发明各实施案例中的磨损率变化。
具体实施方式
下面结合附图具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明多维协同改性聚酰亚胺复合材料主要用于旋转型超声电机中的摩擦材料,以下实施例中选用的聚酰亚胺平均粒径为75μm,购自上海合成树脂研究所;羟基化富勒烯为燃烧法制备,羟基数为18-28,购自南京先丰纳米材料科技有限公司;多壁碳纳米管直径为8-15nm,长度为10-50 μm,购自中国科学院成都有机化学有限公司;氧化石墨烯为高纯度试剂级氧化石墨烯粉末,纯度大于99%,尺寸为1-5μm,厚度为0.8-1.2nm,购自南京吉仓纳米科技有限公司。
实施例1。
一种超声电机用多维协同改性聚酰亚胺复合材料各组分的质量份数如下:聚酰亚胺100,羟基化富勒烯0.1, 多壁碳纳米管0.1,氧化石墨烯0.1。
具体制备步骤:
1、先将聚酰亚胺模塑粉、羟基化富勒烯、多壁碳纳米管、氧化石墨烯粉末分散在乙醇当中,超声水浴中机械搅拌4小时,保证填料与聚合物基体充分混合均匀,然后进行烘干、粉碎以及过筛(200目)处理;
2、将混好的模料加入模具中进行热压烧结成型,模压温度360℃,压力10MPa,保温时间60分钟,然后自然冷却脱模;
3、将制成的聚酰亚胺复合材料进行切片加工,厚度为0.25mm,与铝合金转子粘贴后,将聚合物复合材料表面抛光处理至表面粗糙度小于0.1 μm后供超声电机使用。
本实施例制备所得聚酰亚胺复合材料在100N、200r/min条件下与磷青铜定子配副摩擦2小时,测试三次其平均摩擦系数为0.288,平均磨损率约为8.73×10-8mm3/N•m。
实施例2。
一种超声电机用多维协同改性聚酰亚胺复合材料,各组分的质量份数如下:聚酰亚胺100,富勒烯0.3, 多壁碳纳米管0.5,氧化石墨烯0.3。
具体制备步骤:
1、先将聚酰亚胺模塑粉、羟基化富勒烯、多壁碳纳米管、氧化石墨烯粉末分散在乙醇当中,超声水浴中机械搅拌5小时,保证填料与聚合物基体充分混合均匀,然后进行烘干、粉碎以及过筛(200目)处理;
2、将混好的模料加入模具中进行热压烧结成型,模压温度365℃,压力10MPa,保温时间65分钟,然后自然冷却脱模;
3、将制成的聚酰亚胺复合材料进行切片加工,厚度为0.25mm,与铝合金转子粘贴后,将聚合物复合材料表面抛光处理至表面粗糙度小于0.1 μm后供超声电机使用。
本实施例制备所得聚酰亚胺复合材料在100N、200r/min条件下与磷青铜定子配副摩擦2小时,测试三次其平均摩擦系数为0.281,平均磨损率约为7.23×10-8mm3/N•m。
实施例3。
一种超声电机用多维协同改性聚酰亚胺复合材料,各组分的质量份数如下:聚酰亚胺100,羟基化富勒烯0.5, 多壁碳纳米管1,氧化石墨烯0.5。
具体制备步骤:
1、先将聚酰亚胺模塑粉、羟基化富勒烯、多壁碳纳米管、氧化石墨烯粉末分散在乙醇当中,超声水浴中机械搅拌6小时,保证填料与聚合物基体充分混合均匀,然后进行烘干、粉碎以及过筛(200目)处理;
2、将混好的模料加入模具中进行热压烧结成型,模压温度370℃,压力15MPa,保温时间70分钟,然后自然冷却脱模;
3、将制成的聚酰亚胺复合材料进行切片加工,厚度为0.25mm,与铝合金转子粘贴后,将聚合物复合材料表面抛光处理至表面粗糙度小于0.1 μm后供超声电机使用。
本实施例制备所得聚酰亚胺复合材料在100N、200r/min条件下与磷青铜定子配副摩擦2小时,测试三次其平均摩擦系数为0.275,平均磨损率约为6.11×10-8mm3/N•m。
实施例4。
一种超声电机用多维协同改性聚酰亚胺复合材料,各组分的质量份数如下:聚酰亚胺100,羟基化富勒烯0.7,多壁碳纳米管2,氧化石墨烯0.7。
具体制备步骤:
1、先将聚酰亚胺模塑粉、羟基化富勒烯、多壁碳纳米管、氧化石墨烯粉末分散在乙醇当中,超声水浴中机械搅拌7小时,保证填料与聚合物基体充分混合均匀,然后进行烘干、粉碎以及过筛(200目)处理;
2、将混好的模料加入模具中进行热压烧结成型,模压温度375℃,压力15MPa,保温时间80分钟,然后自然冷却脱模;
3、将制成的聚酰亚胺复合材料进行切片加工,厚度为0.25mm,与铝合金转子粘贴后,将聚合物复合材料表面抛光处理至表面粗糙度小于0.1 μm后供超声电机使用。
本实施例制备所得聚酰亚胺复合材料在100N、200r/min条件下与磷青铜定子配副摩擦2小时,测试三次其平均摩擦系数为0.272,平均磨损率约为5.45×10-8mm3/N•m。
实施例5。
一种超声电机用多维协同改性聚酰亚胺复合材料各组分的质量份数如下:聚酰亚胺100,羟基化富勒烯1,多壁碳纳米管3,氧化石墨烯1。
具体制备步骤:
1、先将聚酰亚胺模塑粉、羟基化富勒烯、多壁碳纳米管、氧化石墨烯粉末分散在乙醇当中,超声水浴中机械搅拌8小时,保证填料与聚合物基体充分混合均匀,然后进行烘干、粉碎以及过筛(200目)处理;
2、将混好的模料加入模具中进行热压烧结成型,模压温度380℃,压力20MPa,保温时间90分钟,然后自然冷却脱模;
3、将制成的聚酰亚胺复合材料进行切片加工,厚度为0.25mm,与铝合金转子粘贴后,将聚合物复合材料表面抛光处理至表面粗糙度小于0.1 μm后供超声电机使用。
本实施例制备所得聚酰亚胺复合材料在100N、200r/min条件下与磷青铜定子配副摩擦2小时,测试三次其平均摩擦系数为0.266,平均磨损率约为4.38×10-8mm3/N•m。
图1所示为实施例制备所得聚酰亚胺复合材料的平均摩擦系数。图中序号1至5分别对应实施例1至5所得聚酰亚胺复合材料的平均摩擦系数。图2所示为实施例制备所得聚酰亚胺复合材料的磨损率变化图。图中序号1至5分别对应实施例1至5所得聚酰亚胺复合材料的磨损率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种超声电机用多维协同改性聚酰亚胺复合材料,其特征在于它由聚酰亚胺、羟基化富勒烯、多壁碳纳米管和氧化石墨烯组成:各组份的质量份为:聚酰亚胺100份,羟基化富勒烯0.1-1份, 多壁碳纳米管0.1-3份,氧化石墨烯0.1-1份。
2.根据权利要求1所述的超声电机用多维协同改性聚酰亚胺复合材料,其特征是所述的聚酰亚胺为微米级模压粉。
3.根据权利要求2所述的超声电机用多维协同改性聚酰亚胺复合材料,其特征是所述的聚酰亚胺为75μm模压粉,它性能稳定,非常适合无机颗粒填充和模压。
4.根据权利要求1所述的超声电机用多维协同改性聚酰亚胺复合材料,其特征是所述的羟基化富勒烯的羟基数为18-28,其表面大量的羟基能够与聚酰亚胺存在着强烈的氢键作用,提高了界面结合力;羟基化富勒烯在乙醇中分散性良好,避免了团聚现象,从而能够与聚酰亚胺和其他改性剂的良好分散。
5.根据权利要求1所述的超声电机用多维协同改性聚酰亚胺复合材料,其特征是所述的多壁碳纳米管直径为8-15nm,长度为10-50 μm,所述的多壁碳纳米管具有良好的力学性能,是提高聚合物强度的理想增强材料。
6.根据权利要求1所述的超声电机用多维协同改性聚酰亚胺复合材料,其特征是所述的氧化石墨烯的尺寸为1-5μm,厚度为0.8-1.2nm,所述的氧化石墨烯的表面活性官能团与聚酰亚胺分子存在着强烈的氢键,能够提高界面结合力,从而大大提高聚酰亚胺的耐磨性;氧化石墨烯在乙醇中分散性良好,避免了团聚现象,提高了其在聚酰亚胺中的分散性。
7.一种权利要求1所述的超声电机用多维协同改性聚酰亚胺复合材料的制备方法,其特征是它依次包括如下步骤:
1)按照所述的质量份配比将聚酰亚胺、羟基化富勒烯、多壁碳纳米管、氧化石墨烯分散在乙醇中,在超声水浴中机械搅拌4-8小时,保证分散均匀,然后烘干过筛待用;
2)将步骤1混好的模料倒入模具中进行热压烧结成型,模压温度360~380℃,压力10~20MPa,保温保压60-90分钟,然后自然冷却脱模;
3)将步骤2制成的聚酰亚胺复合材料进行切片、粘贴以及表面处理供超声电机转子使用。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征是所述的切片厚度为0.25mm。
9.根据权利要求7所述的方法,其特征是所述的表面处理是通过抛光使表面粗糙度小于0.1μm。
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