CN109867956B - 一种稀土和氧化石墨烯协同改性的聚酰亚胺纳米复合材料、应用及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种稀土和氧化石墨烯协同改性聚酰亚胺纳米复合材料、制备方法及应用，其特征是所述的复合材料由以下重量份的原料制成：聚酰亚胺100，稀土氧化物1～5，氧化石墨烯1～5，多壁碳纳米管1‑5。其制备方法是将复合粉末混匀后倒入模具中热压成型，模压温度360～380℃，压力10～20MPa，保温1～2小时，自然冷却脱模。本发明所述复合材料具有稳定的摩擦系数和超低的磨损率，制备方法简单，操作方便，成本低，易于工业化宏量制备，该复合材料容易加工成薄片在旋转型超声电机中使用，能够提高超声电机的速度稳定性和使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于聚合物复合材料领域，尤其是一种聚酰亚胺纳米复合材料，具体地说是一种利用稀土和氧化石墨烯协同改性的聚酰亚胺纳米复合材料、应用及制备方法。
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，但是纯的聚酰亚胺在高频微振动环境下磨损率较大，很难满足超声电机复杂工况的使用要求。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。本发明在碳纳米管增强的基础上，利用稀土氧化物和氧化石墨烯协同改性聚酰亚胺，能够大大提高聚酰亚胺纳米复合材料的耐磨性和运行稳定性。
其次，根据纳米改性剂添加比例的不同，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稀土和氧化石墨烯协同改性的聚酰亚胺纳米复合材料，同时提供其制备方法。
本发明的技术方案之一是：
一种稀土氧化物和氧化石墨烯协同改性的聚酰亚胺纳米复合材料，其特征在于它由聚酰亚胺、稀土氧化物、氧化石墨烯和多壁碳纳米管组成：各组份的质量份为：聚酰亚胺100份，稀土氧化物1-5份，氧化石墨烯1-5份，多壁碳纳米管1-5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，所述稀土氧化物为氧化镧（50 nm），氧化钐（40 nm）和氧化铈（100 nm），其原因是该稀土氧化物能够在乙醇中良好分散，能够与氧化石墨烯和碳纳米管协同改善复合材料的表面性能和耐磨性。
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。
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。
本发明的技术方案之二是：
一种稀土氧化物和氧化石墨烯协同改性聚酰亚胺纳米复合材料的制备方法，其特征是它依次包括如下步骤：
1）将氧化石墨烯、碳纳米管和稀土氧化物先均匀分散在无水乙醇中，超声分散加机械搅拌2-6小时，然后加入聚酰亚胺模压粉继续分散1-2小时，充分混合均匀后进行烘干、粉碎以及过筛（200目）处理，得到模料;
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制成的聚酰亚胺纳米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。
本发明的有益效果是：
(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很大的提高；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机械输出性能的关键。
(2)、本发明选用廉价且改性效果明显的稀土氧化物改性，通过对比几种稀土氧化物改性效果发现，氧化镧减磨效果最好，因氧化镧容易吸收空气中的二氧化碳和水发生化学反应，有助于降低聚酰亚胺的摩擦磨损；此外，本发明选用性能非常优异的碳纳米管和氧化石墨烯对聚酰亚胺进行协同改性，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实施例中所采用的一种碳纳米管、氧化石墨烯、氧化钐、氧化镧、氧化铈显微图。
图2是本发明实施例制备所得的聚酰亚胺纳米复合材料微观示意图。
图3为本发明各实施案例中聚酰亚胺纳米复合材料的摩擦系数变化曲线，相比氧化钐和氧化铈，氧化镧摩擦系数较低，但随着含量的增加，摩擦系数逐渐降低。
图4为本发明各实施案例中的磨损率变化，相比氧化钐和氧化铈，氧化镧改性聚酰亚胺纳米复合材料磨损率较低，但随着含量的增加，磨损率逐渐降低。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
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，下面将对所发明材料所用改性剂以及实施例中所制备材料的性能做简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅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实施例的相关附图。
本发明稀土氧化物和氧化石墨烯协同改性的聚酰亚胺纳米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；氧化镧（50 nm），氧化钐（40 nm）和氧化铈（100 nm）稀土氧化物购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；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；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。多壁碳纳粹管和稀土氧化物的显微结构如图1所示。
实施例1。
一种稀土氧化物和氧化石墨烯协同改性聚酰亚胺纳米复合材料各组分的质量份数如下：聚酰亚胺100，三氧化二镧1，多壁碳纳米管1，氧化石墨烯1。
具体制备步骤：
1、先将氧化石墨烯、碳纳米管和稀土氧化物均匀分散在无水乙醇中，超声分散加机械搅拌2小时，然后加入聚酰亚胺模压粉继续分散1小时，充分混合均匀后进行烘干、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；所得到的改性后的聚酰亚胺纳米复合材料显微结构如图2所示。
3、将制成的聚酰亚胺纳米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纳米复合材料在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0.31，平均磨损率约为6.23×10-8mm3/N•m。如图3、4所示。
实施例2。
一种稀土氧化物和氧化石墨烯协同改性聚酰亚胺纳米复合材料各组分的质量份数如下：聚酰亚胺100，氧化铈1，多壁碳纳米管1，氧化石墨烯1。
具体制备步骤：
1、先将氧化石墨烯、碳纳米管和稀土氧化物先均匀分散在无水乙醇中，超声分散加机械搅拌2小时，然后加入聚酰亚胺模压粉继续分散1小时，充分混合均匀后进行烘干、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；所得到的改性后的聚酰亚胺纳米复合材料显微结构与图2相似。
3、将制成的聚酰亚胺纳米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纳米复合材料在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0.42，平均磨损率约为11.2×10-8mm3/N•m。如图3、4所示。
实施例3。
一种稀土氧化物和氧化石墨烯协同改性聚酰亚胺纳米复合材料各组分的质量份数如下：聚酰亚胺100，氧化钐1，多壁碳纳米管1，氧化石墨烯1。
具体制备步骤：
1、先将氧化石墨烯、碳纳米管和稀土氧化物先均匀分散在无水乙醇中，超声分散加机械搅拌2小时，然后加入聚酰亚胺模压粉继续分散1小时，充分混合均匀后进行烘干、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；所得到的改性后的聚酰亚胺纳米复合材料显微结构与图2相似。
3、将制成的聚酰亚胺纳米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纳米复合材料在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0.35，平均磨损率约为27.5×10-8mm3/N•m。如图3、4所示
从以上三个实施例对比发现，氧化镧的减磨抗磨效果最明显，所以后续实施例优化了更高比例的氧化镧改性效果，其材料设计及制备方法实施例如下：
实施例4。
一种稀土氧化物和氧化石墨烯协同改性聚酰亚胺纳米复合材料各组分的质量份数如下：聚酰亚胺100，氧化镧2，多壁碳纳米管2，氧化石墨烯2。
具体制备步骤：
1、先将氧化石墨烯、碳纳米管和稀土氧化物先均匀分散在无水乙醇中，超声分散加机械搅拌3小时，然后加入聚酰亚胺模压粉继续分散1小时，充分混合均匀后进行烘干、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；所得到的改性后的聚酰亚胺纳米复合材料显微结构与图2相似。
3、将制成的聚酰亚胺纳米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纳米复合材料在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0.295，平均磨损率约为5.38×10-8mm3/N•m。如图3-4所示。
实施例5。
一种稀土氧化物和氧化石墨烯协同改性聚酰亚胺纳米复合材料各组分的质量份数如下：聚酰亚胺100，氧化镧3，多壁碳纳米管3，氧化石墨烯3。
具体制备步骤：
1、先将氧化石墨烯、碳纳米管和稀土氧化物先均匀分散在无水乙醇中，超声分散加机械搅拌4小时，然后加入聚酰亚胺模压粉继续分散1.5小时，充分混合均匀后进行烘干、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15 MPa，保温时间70分钟，然后自然冷却脱模；所得到的改性后的聚酰亚胺纳米复合材料显微结构与图2相似。
3、将制成的聚酰亚胺纳米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纳米复合材料在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0.283，平均磨损率约为4.19×10-8mm3/N•m。如图3-4所示。
实施例6。
一种稀土氧化物和氧化石墨烯协同改性聚酰亚胺纳米复合材料各组分的质量份数如下：聚酰亚胺100，氧化镧4，多壁碳纳米管4，氧化石墨烯4。
具体制备步骤：
1、先将氧化石墨烯、碳纳米管和稀土氧化物先均匀分散在无水乙醇中，超声分散加机械搅拌5小时，然后加入聚酰亚胺模压粉继续分散1.5小时，充分混合均匀后进行烘干、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、将制成的聚酰亚胺纳米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纳米复合材料在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0.276，平均磨损率约为3.86×10-8mm3/N•m。
实施例7。
一种稀土氧化物和氧化石墨烯协同改性聚酰亚胺纳米复合材料各组分的质量份数如下：聚酰亚胺100，氧化镧5，多壁碳纳米管5，氧化石墨烯5。
具体制备步骤：
1、先将氧化石墨烯、碳纳米管和稀土氧化物先均匀分散在无水乙醇中，超声分散加机械搅拌6小时，然后加入聚酰亚胺模压粉继续分散2小时，充分混合均匀后进行烘干、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；所得到的改性后的聚酰亚胺纳米复合材料显微结构与图2相似。
3、将制成的聚酰亚胺纳米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纳米复合材料在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2.75×10-8mm3/N•m。如图3-4所示。
图3所示为实施例制备所得聚酰亚胺纳米复合材料的平均摩擦系数。图中序号1至7分别对应实施例1至7所得聚酰亚胺纳米复合材料的平均摩擦系数。图4所示为实施例制备所得聚酰亚胺纳米复合材料的磨损率变化图。图中序号1至7分别对应实施例1至7所得聚酰亚胺纳米复合材料的磨损率。
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 (4)
1.一种稀土和氧化石墨烯协同改性的聚酰亚胺纳米复合材料，其特征是所述的聚酰亚胺纳米复合材料由以下重量份的原料制成：聚酰亚胺100，稀土氧化物1～5，氧化石墨烯1～5，多壁碳纳米管1～5；所述的聚酰亚胺为微米级模压粉，平均粒径为75μm；所述的氧化石墨烯的尺寸为1-5μm，厚度为0.8-1.2nm；所述的稀土氧化物为氧化镧、氧化钐或氧化铈，该氧化物为纳米级粉末；所述的多壁碳纳米管直径为8-15nm，长度为10-50 μm。
2.一种权利要求1所述的聚酰亚胺纳米复合材料的制备方法，其特征是它包括如下步骤：
1）按照所述的比例将氧化石墨烯、碳纳米管和稀土氧化物先均匀分散在无水乙醇中，超声分散加机械搅拌2-6小时，然后加入聚酰亚胺模压粉继续分散1-2小时，充分混合均匀后进行烘干、粉碎以及过筛处理，得到模料；
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，自然冷却脱模；
3）将步骤2）制成的聚酰亚胺纳米复合材料进行切片、粘贴以及表面处理供超声电机转子使用。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的切片厚度为0.25mm。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的表面处理是通过机械研磨使表面粗糙度小于0.1μm。
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