CN109897376A

CN109897376A - 一种聚酰亚胺复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN109897376A
Application number: CN201910157385.5A
Authority: CN
Inventors: 张新瑞; 王齐华; 王廷梅
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Zhongke Kailu Lubrication And Protection Technology Co ltd; Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2019-03-01
Filing date: 2019-03-01
Publication date: 2019-06-18
Anticipated expiration: 2039-03-01
Also published as: CN109897376B

Abstract

本发明属于润滑材料技术领域，尤其涉及一种聚酰亚胺复合材料。本发明利用多组分间的协同调控作用，能够实现聚酰亚胺润滑材料良好机械性能与摩擦性能的兼容。根据实施例可知，本发明的聚酰亚胺复合材料的压缩强度≥150MPa(GB/T 1448)；摩擦系数≤0.15，磨痕宽度≤3.0mm(GB/T 3960，M‑2000试验机测试标准，200N，0.43m/s)；摩擦系数≤0.06，磨痕宽度≤4.5mm(GB/T 3960，M‑2000试验机测试标准，1000N，0.43m/s)。

Description

一种聚酰亚胺复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及润滑材料技术领域，尤其涉及一种聚酰亚胺复合材料及其制备方法。

背景技术

聚合物润滑材料具有轻质、高强、可设计性强等特性，可用来替代金属及陶瓷材料制作齿轮、轴承、滑轮、滑块、自锁螺母、衬套、导轨、活塞环和密封圈等，在航空、航天、海洋、武器装备及重型机械等技术领域中具有不可替代的重要地位。

聚酰亚胺类润滑材料是以耐高低温、高强度、低密度、综合性能优良的聚酰亚胺为主体，并在其中添加多种粉末状固体润滑剂和添加剂以及纤维类、石墨烯等增强材料，经混合、压制、烧结后制成的一种自润滑材料，具有机械强度高、硬度高、耐磨损、低摩擦、耐高低温、化学稳定性好以及耐辐射等优异的性能，是一类性能优良的润滑材料，它的综合性能也是其他特种工程塑料无法比拟的，被世人誉为“解决问题的能手”，广泛应用于航空、航天、机械、电气、原子能、微电子、薄膜和液晶显示等高技术领域。此外，这类润滑材料可以制成适合不同严苛环境的低摩擦自润滑贴片、固体润滑保持架、叶片和滑片，以及自润滑轴径轴承、轴瓦、导向轴套、导向板和垫片等零部件，尤其适于作为高真空、强辐照、高强、高硬和低密度的空间润滑材料。

然而，现有聚酰亚胺润滑材料在高载荷下磨损严重，难以实现低摩擦、高耐磨、高承载与良好加工性能的兼容。因此，同时提高聚酰亚胺润滑材料的机械性能和耐磨性能具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚酰亚胺复合材料，该复合材料具有极低的摩擦系数、良好的耐磨性能和较高的抗压强度。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种聚酰亚胺复合材料，包括如下重量份数的制备原料：

聚酰亚胺50～75份、碳纤维3～10份、聚四氟乙烯5～20份、石墨5～10份、二硫化钼5～25份、石墨烯0.1～1份。

优选的，所述聚酰亚胺的粒径为50～75μm。

优选的，所述碳纤维的直径为5～7μm，长径比为5～10:1。

优选的，所述聚四氟乙烯的粒径为20～100μm。

优选的，所述石墨的粒径为1～20μm。

优选的，所述二硫化钼的粒径为1～20μm。

优选的，所述石墨烯的尺寸为1～10μm，厚度为1～3nm。

本发明提供了上述技术方案所述聚酰亚胺复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将石墨烯、聚四氟乙烯、石墨、二硫化钼、碳纤维和聚酰亚胺分散到乙醇中，将所得混合物料依次进行抽滤、干燥和粉碎，得到粉料；

将所述粉料进行热压成型，得到聚酰亚胺复合材料。

优选的，所述分散在超声和搅拌条件下进行，所述分散的时间为30～60min；所述超声的功率为400～700W，频率为20～40kHz；所述搅拌的速率为500～1200r/min。

优选的，所述热压成型的压力为15～20MPa，温度为360～380℃，时间为150～200min。

本发明提供了一种聚酰亚胺复合材料，本发明以聚酰亚胺作为树脂基体，保证复合材料的机械性能；以碳纤维作为增强体，可以提升复合材料的承载能力；采用聚四氟乙烯、石墨和二硫化钼复配作为润滑剂，能够实现减摩抗磨；选用石墨烯能够显著改善聚酰亚胺的力学性能和抗磨损性能；本发明利用多组分间的协同调控作用，能够实现聚酰亚胺润滑材料良好机械性能与摩擦性能的兼容。根据实施例可知，本发明的聚酰亚胺复合材料的压缩强度≥150MPa(GB/T 1448)；摩擦系数≤0.15，磨痕宽度≤3.0mm(GB/T 3960,M-2000试验机测试标准，200N，0.43m/s)；摩擦系数≤0.06，磨痕宽度≤4.5mm(GB/T 3960，M-2000试验机测试标准，1000N，0.43m/s)。

具体实施方式

本发明提供的聚酰亚胺复合材料的制备原料包括聚酰亚胺50～75份，优选为55～70份，更优选为60～65份。在本发明中，所述聚酰亚胺的粒径优选为50～75μm，更优选为60～70μm。在本发明中，聚酰亚胺作为整个聚合物复合材料的高分子树脂基体，使得复合材料具有耐高温、耐辐射，并保证复合材料的机械性能。

以聚酰亚胺的重量份数为基准，本发明提供的聚酰亚胺复合材料的制备原料包括碳纤维3～10份，优选为5～8份，更优选为6～7份。在本发明中，所述碳纤维的直径优选为5～7μm，长径比优选为10:1～5:1，更优选为8:1～6:1。本发明利用碳纤维作为纤维增强体，能够提高聚酰亚胺的承载能力，同时具有一定的减摩增磨效果。

以聚酰亚胺的重量份数为基准，本发明提供的聚酰亚胺复合材料的制备原料包括聚四氟乙烯5～20份，优选为8～15份，更优选为10～12份。在本发明中，所述聚四氟乙烯的粒径优选为20～100μm，更优选为50～80μm。本发明利用聚四氟乙烯作为润滑剂，与石墨和二硫化钼复配使用，能够降低复合材料的摩擦系数，增强其耐磨损能力。

以聚酰亚胺的重量份数为基准，本发明提供的聚酰亚胺复合材料的制备原料包括石墨5～10份，优选为6～9份，更优选为7～8份。在本发明中，所述石墨的粒径优选为1～20μm，更优选为5～15μm。本发明利用石墨作为润滑剂，与聚四氟乙烯和二硫化钼复配使用，能够降低复合材料的摩擦系数，增强其耐磨损能力。

以聚酰亚胺的重量份数为基准，本发明提供的聚酰亚胺复合材料的制备原料包括二硫化钼5～25份，优选为10～20份，更优选为12～16份。在本发明中，所述二硫化钼的粒径优选为1～20μm，更优选为5～15μm。本发明利用二硫化钼作为润滑剂，与聚四氟乙烯和石墨复配使用，能够降低复合材料的摩擦系数，增强其耐磨损能力。

以聚酰亚胺的重量份数为基准，本发明提供的聚酰亚胺复合材料的制备原料包括石墨烯0.1～1份，优选为0.3～0.8份，更优选为0.5～0.7份。在本发明中，所述石墨烯的尺寸优选为1～10μm，更优选为3～8μm，厚度优选为1～3nm，更优选为1.5～2.5nm。本发明所述石墨烯的尺寸指的是石墨烯的尺寸分布范围，即石墨烯片层横向尺寸优选为1～10μm，更优选为3～8μm，石墨烯片层纵向尺寸优选为1～3nm，更优选为1.5～2.5nm。本发明利用石墨烯作为纳米功能填料，与其他填料复配使用，能够显著提高复合材料的耐磨性。

将所述粉料进行热压成型，得到聚酰亚胺复合材料。

本发明将石墨烯、聚四氟乙烯、石墨、二硫化钼、碳纤维和聚酰亚胺分散到乙醇中，将所得混合物料依次进行抽滤、干燥和粉碎，得到粉料。在本发明中，所述乙醇优选为无水乙醇。本发明将制备原料分散到乙醇中的方法为湿法混料。本发明优选在无水乙醇中依次加入石墨烯、聚四氟乙烯、石墨、二硫化钼、碳纤维和聚酰亚胺。本发明先将石墨烯纳米粒子分散均匀后再加入其它微米级填料，实现了石墨烯纳米功能填料、纤维、润滑剂及聚酰亚胺树脂基体之间的良好界面结合。在本发明中，所述分散在超声和搅拌条件下进行，所述分散的时间优选为30～60min，更优选为40～50min；所述超声的功率优选为400～700W，更优选为500W，频率优选为20～40kHz，更优选为35kHz，所述搅拌的速率优选为500～1200r/min，更优选为600～1000r/min；所述搅拌优选为机械搅拌。本发明在机械搅拌条件下进行分散，通过借助搅拌棒的剪切力或撞击力等机械能，使石墨烯纳米粒子和其它功能填料在无水乙醇中充分分散；本发明在超声条件下进行分散，利用超声空化产生的强冲击波等，可较大幅度地弱化纳米颗粒间的作用力，有效地防止纳米颗粒团聚，从而使之充分分散；本发明采用超声和机械搅拌共同进行分散，能够避免纳米粒子、聚合物及填料等在单一超声分散条件下沉积，且分散时间短且效果好。

在本发明中，所述粉料与无水乙醇的质量比优选为1:80～100，更优选为1:85～95。在本发明中，所述干燥的温度优选为100～120℃，本发明优选在烘箱中进行所述干燥。本发明通过干燥过程将无水乙醇蒸干。本发明对粉料的粒度没有特殊要求，本发明将干燥后产物进行粉碎能够避免粉料结块。本发明对所述抽滤和粉碎的方式没有特殊的限制，选用本领域技术人员熟知的方式进行抽滤和粉碎即可。

得到粉料后，本发明将所述粉料进行热压成型，得到聚酰亚胺复合材料。在本发明中，所述热压成型的压力优选为15～20MPa，更优选为17～19MPa，温度优选为360～380℃，更优选为365～375℃，时间优选为150～200min，更优选为160～180min。本发明优选由室温逐步升温至360～380℃，所述升温的升温速率优选为120℃～150℃/h。

完成所述热压成型后，本发明将所得体系降至室温脱模，本发明优选通过空冷降至室温。本发明对所述热压成型的装置或操作方法没有特殊的限制，选用本领域技术人员熟知的方式进行热压成型即可。

下面结合实施例对本发明提供的聚酰亚胺复合材料及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

采用湿法混料，在无水乙醇中依次加入0.5g石墨烯、15g聚四氟乙烯、6g石墨、10g二硫化钼、8g碳纤维和60.5g聚酰亚胺，在1000r/min、500W、35KHz条件下超声搅拌，进行分散40min，然后将所得混合物料进行抽滤，将抽滤所得固体物料在100℃烘箱中进行干燥，将干燥物料进行粉碎，得到粉料；将所述粉料放入模具，在20MPa的压力下以150℃/h的速率由室温逐步升温至370℃，模压200min，冷却至室温脱模，得到聚酰亚胺复合材料。

实施例2

采用湿法混料，在无水乙醇中依次加入0.2g石墨烯、10g聚四氟乙烯、6g石墨、20g二硫化钼、10g碳纤维和53.8g聚酰亚胺，在1000r/min、500W、35KHz条件下超声搅拌，进行分散50min，然后将所得混合物料进行抽滤，将抽滤所得固体物料在110℃烘箱中进行干燥，将干燥物料进行粉碎，得到粉料，将所述粉料放入模具，在15MPa的压力下以150℃/h的速率由室温逐步升温至375℃，模压175min，冷却至室温脱模，得到聚酰亚胺复合材料。

实施例3

采用湿法混料，在无水乙醇中依次加入0.1g石墨烯、20g聚四氟乙烯、5g石墨、25g二硫化钼、5g碳纤维和44.5g聚酰亚胺，在1000r/min、500W、35KHz条件下超声搅拌，进行分散60min，然后将所得混合物料进行抽滤，将抽滤所得固体物料在120℃烘箱中进行干燥，将干燥物料进行粉碎，得到粉料，将所述粉料放入模具，在18MPa的压力下以150℃/h的速率由室温逐步升温至380℃，模压170min，冷却至室温脱模，得到聚酰亚胺复合材料。

对比例1

称取聚酰亚胺70g、聚四氟乙烯20g、石墨5g、二硫化钼5g，并将所述组分在无水乙醇中混合均匀，然后将所得混合物在120℃烘箱中干燥，得到粉料，将所述粉料放入模具，在18MPa的压力下以150℃/h的速率由室温逐步升温至375℃，模压160min，冷却至室温脱模，得到聚酰亚胺复合材料。

对比例2

称取聚酰亚胺50g、碳纤维10g、聚四氟乙烯10g、二硫化钼30g，并将所述组分在无水乙醇中混合均匀，然后将所得混合物在120℃烘箱中干燥，得到粉料，将所述粉料放入模具，在18MPa的压力下以150℃/h的速率由室温逐步升温至375℃，模压160min，冷却至室温脱模，得到聚酰亚胺复合材料。

对比例3

称取聚酰亚胺61g、碳纤维8g、聚四氟乙烯15g、石墨6g、二硫化钼10g,并将所述组分在无水乙醇中混合均匀，然后将所得混合物在120℃烘箱中干燥，得到粉料，将所述粉料放入模具，在18MPa的压力下以150℃/h的速率由室温逐步升温至375℃，模压160min，冷却至室温脱模，得到聚酰亚胺复合材料。

将实施例1～3以及对比例1～3制备的聚酰亚胺复合材料进行性能测试，测试条件为：聚酰亚胺基复合材料与GCr15对磨，试验加载力200N、1000N，转速0.43m/s，运行时间2h,摩擦系数、磨痕宽度为三次测试的平均值，具体结果见表1，其中，各项性能的测试标准为：压缩强度(GB/T 1448)；摩擦系数(GB/T 3960，M-2000试验机测试标准，200N，0.43m/s)；摩擦系数(GB/T 3960，M-2000试验机测试标准，1000N，0.43m/s))

表1实施例1～3以及对比例1～3制备的聚酰亚胺复合材料的压缩强度、摩擦系数和磨痕宽度。

由表1的实施例和对比例制备的聚酰亚胺复合材料的性能数据对比可以看出，由本发明的石墨烯改性聚酰亚胺润滑材料具有极低的摩擦系数和高抗磨特性，有助于提高材料的使用寿命。

由以上实施例可知，本发明提供了一种聚酰亚胺复合材料及其制备方法，本发明利用多组分间的协同调控作用，能够实现聚酰亚胺润滑材料良好机械性能与摩擦性能的兼容。根据实施例可知，本发明的聚酰亚胺复合材料的压缩强度≥150MPa；摩擦系数≤0.15，磨痕宽度≤3.0mm；摩擦系数≤0.06,磨痕宽度≤4.5mm。

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和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种聚酰亚胺复合材料，包括如下重量份数的制备原料：

2.根据权利要求1所述的聚酰亚胺复合材料，其特征在于，所述聚酰亚胺的粒径为50～75μm。

3.根据权利要求1所述的聚酰亚胺复合材料，其特征在于，所述碳纤维的直径为5～7μm，长径比为5～10:1。

4.根据权利要求1所述的聚酰亚胺复合材料，其特征在于，所述聚四氟乙烯的粒径为20～100μm。

5.根据权利要求1所述的聚酰亚胺复合材料，其特征在于，所述石墨的粒径为1～20μm。

6.根据权利要求1所述的聚酰亚胺复合材料，其特征在于，所述二硫化钼的粒径为1～20μm。

7.根据权利要求1所述的聚酰亚胺复合材料，其特征在于，所述石墨烯的尺寸为1～10μm，厚度为1～3nm。

8.权利要求1～7任一项所述聚酰亚胺复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将所述粉料进行热压成型，得到聚酰亚胺复合材料。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述分散在超声和搅拌条件下进行；所述分散的时间为30～60min；所述超声的功率为400～700W，频率为20～40kHz；所述搅拌的速率为500～1200r/min。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述热压成型的压力为15～20MPa，温度为360～380℃，时间为150～200min。