CN110003642B - 一种复合板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种复合板及其制备方法，所述复合板包括基板，烧结层,以及耐磨耐高温自润滑层。所述基板及烧结层包括多个沿所述基板、烧结层、以及耐磨耐高温自润滑层的排列方向延伸的通孔。所述烧结层与所述耐磨耐高温自润滑层相邻的接触面上设置有多条凹槽。所述耐磨耐高温自润滑层由基于PA66的高结晶耐高温自润滑材料制成。所述基于PA66的高结晶耐高温自润滑材料由PA66，酸酐接枝改性聚乙烯，玻璃纤维，无机填料，成核剂以及抗氧化剂组成。所述基于PA66的高结晶耐高温自润滑材料通过热轧的方式加载到所述烧结层上。由于加热轧辊能够使得PA66降温速率变得更加缓慢，从而使得PA66获得更长的结晶时间，晶粒生长充分，使得PA66具有更好的耐磨性能和抗吸水性能。

Description

一种复合板及其制备方法
技术领域
本发明属于耐磨板技术领域，特别是一种复合板及其制备方法。
背景技术
聚合物基耐磨复合材料通过特殊的改性，以其优异的减摩性能和耐磨性能，广泛运用于摩擦材料领域，且具备了减震吸震，低噪音，质轻，易加工等优良的特性，尤其是在使用过程中易与对磨件形成稳定的转移膜，从而进一步提高润滑的效果。
随着聚合物基耐磨复合材料的广泛应用，客户设计要求与工况要求越来越高，尤其是对材料的耐磨性能，目前常用的聚合物基复合材料就很难胜任了。
PA66是一种含有酰胺基(—CONH—)的一类热塑性树脂，以其良好的耐磨性能，广泛运用于摩擦磨损领域，但是在材料制作过程中存在结晶速度快，晶粒大小不均匀的现象，从而影响了其耐磨性能。同时，由于结晶速度快，晶粒大小不均匀使得PA66又具备较高的吸水性，从而降低了其机械性能。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种既能增加耐磨性能又能提高机械性能的一种复合板及其制备方法，以解决上述问题。
基于PA66的高结晶耐高温自润滑材料，其由PA66，酸酐接枝改性聚乙烯，玻璃纤维，无机填料，成核剂以及抗氧化剂组成。所述PA66的重量百分比为56.9％～84.89％，所述酸酐接枝改性聚乙烯的重量百分比为5％～10％，所述玻璃纤维的重量百分比为5％～15％，所述无机填料的重量百分比为5％～15％，所述成核剂的重量百分比为0.01～0.10％，所述抗氧化剂的重量百分比为0.1％～3％。所述酸酐接枝改性聚乙烯由占聚乙烯总量的6％～15％的酸酐来接枝改性。在将玻璃纤维和无机填料真空烧结处理后与PA66、酸酐接枝改性聚乙烯、成核剂、抗氧化剂相混合以获得该基于PA66的高结晶耐高温自润滑材料。
进一步地，所述无机填料为硫酸钡或碳酸钙中的一种或几种，其目数大于500目。
进一步地，所述酸酐为马来酸酐。
进一步地，所述成核剂为纳米铜粉，其粒径为50-100nm。
进一步地，所述抗氧化剂为亚磷酸三酯、四季戊四醇酯、亚磷酸三苯基酯中的一种或几种。
进一步地，所述玻璃纤维的长径比为8～12。
一种复合板，其包括一层基板，一层烧结在所述基板上的烧结层,以及一层设置在所述烧结层上的耐磨耐高温自润滑层。所述基板及烧结层包括多个沿所述基板、烧结层、以及耐磨耐高温自润滑层的排列方向延伸的通孔。所述烧结层与所述耐磨耐高温自润滑层相邻的接触面上设置有多条凹槽。所述耐磨耐高温自润滑层由上述的基于PA66的高结晶耐高温自润滑材料制成。所述基于PA66的高结晶耐高温自润滑材料通过热轧的方式加载到所述烧结层上。
进一步地，所述热轧时轧辊的温度为180度～200度。
一种复合板的制备方法，其包括如下步骤：
S1：提供上述的基于PA66的高结晶耐高温自润滑材料；
S2:将所述玻璃纤维和无机填料进行真空烧结，真空度保持在-0.02MPa至-0.06Mpa，烧结温度为350度至450度；
S3:将真空烧结处理后的玻璃纤维和无机填料与所述PA66、酸酐接枝改性聚乙烯、成核剂以及抗氧化剂混合，并挤出造粒形成复合粒子，挤出温度为210度至240度；
S4:提供一个基板，以及铜合金粉；
S5：将所述铜合金粉烧结并辊压以在基板上形成烧结层；
S6：在所述基板以及烧结层上开设多个沿所述基板及烧结层的排列方向的通孔；
S7：在所述烧结层的沿所述基板及烧结层的排列方向的自由面上开设多条凹槽；
S8:将在步骤S3所形成的复合粒子铺设在所述烧结层上加热并轧制，轧辊表面温度范围控制在180度至200度以形成耐磨耐高温自润滑的所述复合板。
与现有技术相比,本发明所提供的基于PA66的高结晶耐高温自润滑材料由于使用所述PA66，同时在该PA66中加入了酸酐接枝改性聚乙烯，玻璃纤维，无机填料，成核剂以及抗氧化剂，使得PA66在使用酸酐接枝的改性聚乙烯时由于其特殊的接枝嵌段结构可以提高各种添加剂在PA66中的混合均匀性和分散性，而在制作所述复合板时，由于高温轧辊能够使得PA66降温速率变得更加缓慢，从而使得PA66获得更长的结晶时间，晶粒生长充分，获得更加均匀的晶粒结构和形态，从而获得更高的结晶度和晶型，使得PA66具有更好的耐磨性能和抗吸水性能,同时在其各自含量与目数的配合下，可以充分利用所述PA66的耐磨性能。另外由于所述耐磨耐高温自润滑材料中具有作为成核剂的纳米铜粉，而且所述烧结层及基板上具有多个通孔，从而有利于散热，进而使得所制造的复合板能够更快的进行热量传递，从而具有耐高温的效果。
附图说明
图1为本发明提供的一种复合板的制备方法的流程图。
图2为图1的制备方法所制备的复合板的结构示意图。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施例进行进一步详细说明。应当理解的是，此处对本发明实施例的说明并不用于限定本发明的保护范围。
本发明提供的基于PA66的高结晶耐高温自润滑材料，其由PA66，酸酐接枝改性聚乙烯，玻璃纤维，无机填料，成核剂以及抗氧化剂组成。具体地，所述PA66的重量百分比为56.9％～84.89％，所述酸酐接枝改性聚乙烯的重量百分比为5％～10％，所述玻璃纤维的重量百分比为5％～15％，所述无机填料的重量百分比为5％～15％，所述成核剂的重量百分比为0.01～0.10％，所述抗氧化剂的重量百分比为0.1％～3％。所述PA66是一种含有酰胺基(—CONH—)的一类热塑性树脂，以其良好的耐磨性能，广泛运用于摩擦磨损领域。众所周知，对于滑板或滑动轴承，其耐摩性能是其最重要的参数之一，其决定了该滑板或滑动轴承的寿命。而使用所述PA66为基体材料，由于其特殊的晶体结构，使得制作过程中存在结晶速度快，晶粒大小不均匀的现象，从而影响了其耐磨性能。同时，由于结晶速度快，晶粒大小不均匀使得PA66又具备较高的吸水性，从而降低了其机械性能。同时对于这样的树脂材料，其导热性能又很低，使得其不耐高温。所述酸酐接枝改性聚乙烯是由通过化学反应的手段在聚乙烯分子链上接技数个酸酐分子以形成一种新的物质。所述聚乙烯在改性时，使用占该聚乙烯的总质量的6％至15％的酸酐来改性，所述酸酐可以为马来酸酐。添加入经过酸酐接枝改性以后的聚乙烯，会给PA66和其添加物在微观形态上变化，具体地，聚乙烯相的粒径分布范围会变小，其粒径也会变小，聚乙烯相和PA66相的界面区分会更加模糊，明显增强了两相的粘结程度。而对于其他添加剂，在微观形态观察下，也可以观察到其团聚的现象明显改善，这说明通过酸酐接枝改性以后可以更好的提升材料的分散均匀性。在本发明中，所述酸酐接枝改性聚乙烯具备非常良好的分散均匀性，其通常作为热塑性材料改性的添加剂，通过对其添加量的控制，来提高材料整体的混合均匀性，从而提高所述滑板或滑动轴承的性能一致性和稳定性。经过实验证明，当使用占该聚乙烯的总质量的6％至15％的酸酐来改性时，所述PA66、酸酐接枝改性聚乙烯，成核剂、抗氧化剂、以及烧结后的玻璃纤维和无机填料将分散的更均匀。所述成核剂为纳米铜粉，其粒径为50-100nm。所述玻璃纤维的长径比为8至10。在本实施例中，所述玻璃纤维的长径比为8。玻璃纤维在本发明中作为一种增强材料，其用于提高成型后材料的承载能力和抗压能力，同时对耐磨性能也有增益的效果。在本发明中，为了提高成型后的材料的承载能力和抗压能力，因此添加长径比较小的玻璃纤维。所述无机填料可以为硫酸钡或碳酸钙中的一种或几种，其目数大于500目，其主要目的是提高材料的承载能力和降低成本，以在共混过程中可以与所述玻璃纤维获得更好的分散性和均匀性。所述无机填料的目数由所述玻璃纤维的长径比决定，在本发明中由于所述玻璃纤维的长径比为8至10，所以所述无机填料的目数必须大于500目，才能得到符合要求的分散性与均匀性。在制造过程中，首先要将该无机填料与玻璃纤维混合，同时为了进一步提高该无机填料与玻璃纤维混合如果的清洁度与承载能力和抗压能力，需要首先对该无机填料与玻璃纤维进行绕结，即所述PA66、酸酐接枝改性的聚乙烯、成核剂与烧结后的无机填料与玻璃纤维的混合物进行混合。所述无机填料可以为硫酸钡和碳酸钙。所述抗氧化剂可以为亚磷酸三酯、四季戊四醇酯、亚磷酸三苯基酯中的一种或几种，其用于提高材料的抗氧化能力，提高材料的加工性能，避免出现色差，凹坑等缺陷。为了提高尼龙66的结晶度，通过加热轧辊轧制的加工工艺，能够使得PA66降温速率变得更加缓慢，从而使得PA66获得更长的结晶时间，晶粒生长充分，获得更加均匀的晶粒结构和形态，从而获得更高的结晶度和晶型，使得PA66具有更好的耐磨性能和抗吸水性能。如图1所示，其为使用基于PA66的高结晶耐磨自润滑材料制作耐摩耐高温自润滑的复合板的制备方法的流程图。耐摩耐高温自润滑的所述复合板的制备方法包括如下步骤：
S1：提供基于PA66的高结晶耐磨自润滑材料，该基于PA66的高结晶耐磨自润滑材料由PA66，酸酐接枝改性聚乙烯，玻璃纤维，无机填料，成核剂以及抗氧化剂组成；
S2:将所述玻璃纤维和无机填料进行真空烧结，真空度保持在-0.02MPa至-0.06Mpa，烧结温度为350度至450度；
S3:将真空烧结后的玻璃纤维和无机填料与所述PA66，酸酐接枝改性聚乙烯，成核剂、铜粉以及抗氧化剂混合，并挤出造粒形成复合粒子，挤出温度为210度至240度。
S4:提供一个基板10，以及铜合金粉；
S5：将所述铜合金粉烧结并辊压以在基板10上形成烧结层20；
S6：在所述基板10以及烧结层20上开设多个沿所述基板10及烧结层20的排列方向的通孔11；
S7：在所述烧结层20的沿所述基板10及烧结层20的排列方向的自由面上开设多条凹槽21；
S8:将在步骤S3所形成的复合粒子铺设在所述烧结层上并加热熔融，热轧，轧辊的温度控制在180度至200度以上以形成耐磨耐高温自润滑的所述复合板。
在步骤S2后，还应当对真空烧结后的玻璃纤维和无机填料进行预处理，即将该真空烧结后的玻璃纤维和无机填料与有机溶剂混合，并在混合后进行干燥。
在步骤S8中，热轧的温度应当严格控制，温度过低，造成PA66的结晶速度过快，导致PA66的结晶度偏低，温度过高，容易发生粘辊并影响复合材料与基板的结合强度。
通过上述步骤，即制备得到耐磨耐高温自润滑的所述复合板，如图2所示。该耐磨抗咬合复合板包括一层基板10，一层设置在所述基板10上的烧结层20，以及一层轧制在所述烧结层20上的耐磨耐高温自润滑层30。所述基板10为铜板、钢板、碳钢板、不锈钢板、铝板的一种。在本实施例中，所述基板10为钢板，其厚度可以根据实际需求而定。所述烧结层20由铜合金材料制成。当所述烧结层20与基板10烧结在一起后，沿其排列方向开设有多个通孔11。该通孔11不仅可以增加散热表面积，还可以通过所述通孔11与耐磨耐高温自润滑复合层30连接从而有利于与空气进行接触，而空气是流动的，从而更容易散热，散热效果更好。
所述耐磨耐高温自润滑层30由基于PA66的高结晶耐磨自润滑材料制成。所述基于PA66的高结晶耐磨自润滑材料由PA66，酸酐接枝改性聚乙烯，玻璃纤维，无机填料，成核剂以及抗氧化剂组成。具体地，所述PA66的重量百分比为56.9％～84.89％，所述酸酐接枝改性聚乙烯的重量百分比为5％～10％，所述玻璃纤维的重量百分比为5％～15％，所述无机填料的重量百分比为5％～15％，所述成核剂的重量百分比为0.01～0.10％，所述抗氧化剂的重量百分比为0.1％～3％，所述酸酐接枝改性聚乙烯由占聚乙烯总量的6％～15％的酸酐来接枝改性。
为了增加所述复合板的抗冲性能，所述烧结层20上还设置有多条凹槽21，该凹槽21不仅可以让耐磨耐高温自润滑层30与所述烧结层20增强结合力，从而不仅可以提高抗冲击性能，而且还可以增加与所述烧结层20的接触面积，从而有利于散热，特别是烧结层20直接与所述耐磨耐高温自润滑层30中的铜粉制成的导热通道连接后，其散热效果得到大幅度地提高。
具体实施例：
表一各实施例的配方数据表
名称 PA66 酸酐接枝改性聚乙烯 成核剂 玻璃纤维 硫酸钡
实施例1 59.9份 12份 0.1 18份 10份
实施例2 69.9份 12份 0.1 13份 5份
比较例 100份 —— —— —— ——
实施例1:
步骤1：称取59.9份的PA66，12份的马来酸酐接枝比例为3％的聚乙烯，经过烧结处理过的玻璃纤维18份以及硫酸钡10份，粒径为80nm的纳米铜粉0.1份。
步骤2：将上述所有原材料加入到转速为350rpm的高速混合机中混合20分钟，得到混合料。
步骤3：将上述混合料在挤出温度为230度下通过双螺杆挤出机中挤出造粒。
步骤4：将获得的粒子通过平铺在板材表面进行熔融烧结，在轧制温度为常温下进行复合加工，获得具备良好耐磨性能的三层复合板材。
实施例2:
步骤1：称取69.9份的PA66，12份的马来酸酐接枝比例为3％的聚乙烯，经过烧结处理过的玻璃纤维13份以及硫酸钡5份，粒径为为80nm的纳米铜粉0.1份。
步骤2：将上述所有原材料加入到转速为350rpm的高速混合机中混合20分钟，得到混合料。
步骤3：将上述混合料在挤出温度为220度下通过双螺杆挤出机中挤出造粒。
步骤4：将获得的粒子通过平铺在板材表面进行熔融烧结，在轧制温度为常温下进行复合加工，获得具备良好耐磨性能的三层复合板材。
比较例1:
步骤1：称取100份的PA66。
步骤2：将上述所有原材料加入到转速为350rpm的高速混合机中混合20分钟，得到混合料。
步骤3：将上述混合料在挤出温度为210度下通过双螺杆挤出机中挤出造粒。
步骤4：将获得的粒子通过平铺在板材表面进行熔融烧结，在轧制温度为常温下进行复合加工，获得具备良好耐磨性能的三层复合板材。
上述的三种复合板材的性能对比通过端面摩擦磨损性能实验进行
将上述的材料加工成同等厚度的板材，采用MMU-12型端面试验机进行性能对比评价，将供试材料加工成37*37*2.0mm的片状并按以下试验条件进行试验：对磨件材料：45#钢(HRC42-47，Ra0.6-0.8)
对磨件尺寸：接触面为Φ30*Φ22的圆环
线速度：0.5m/s
加载载荷：10MPa
试验时间：3h
润滑条件：初始油脂润滑。
最后，其实施例和比较例的试验结果见表二。
表二三种配方下冷轧后的测试数据
材料名称 摩擦因数 磨损量 温升
实施例1 0.0561 0.027mm 68.0℃
实施例2 0.0558 0.029mm 75.7℃
比较例 0.0949 0.088mm 158.6℃
从上表二中可以见，通过改性以后的PA66在摩擦因数上有了明显的下降，在摩擦磨损性能试验中表现非常突出。
表三实施例数据表
PA66改性料 轧制温度 熔融焓
实施例1 180度 43.6J/g
实施例1 200度 47.9J/g
实施例1 常温冷轧 38.3J/g
表三中的数据是针对同样配方的实施例1采用热轧的方式所获得熔融焓的数据。因为同一种材料其100％结晶时的熔融焓是一个恒定值，所以通过采用DSC热分析的方式，采集PA66改性料在不同轧制温度下的熔融焓数据，可以获得不同轧制温度下的结晶度的变化情况。从表三中可以看到，轧辊温度越高，其熔融焓的数值越高，说明获得材料的结晶度越高。
热轧后的三种复合板的性能对比通过端面摩擦磨损性能实验进行
将上述的材料加工成同等厚度的板材，采用MMU-12型端面试验机进行性能对比评价，将供试材料加工成37*37*2.0mm的片状并按以下试验条件进行试验：
对磨件材料：45#钢(HRC42-47，Ra0.6-0.8)
对磨件尺寸：接触面为Φ30*Φ22的圆环
线速度：0.5m/s
加载载荷：10MPa
试验时间：3h
润滑条件：初始油脂润滑。
实施例和比较例的试验结果见表四。
表四热轧后的复合板的测试数据表
A66改性料 轧制温度 摩擦因数 磨损量 温升
实施例1 180度 0.0427 0.017mm 52℃
实施例1 200度 0.0386 0.009mm 56℃
实施例1 常温冷轧 0.0561 0.027mm 68℃
从上表四中可见，分别针对相同配方的实施例1在复合过程中采用180度轧制与200度轧制工艺的磨损量要明显小于比较例，也就是说，通过热轧的工艺，可以明显提升尼龙66材料的耐磨性能。
表五热轧后的复合板的饱和吸水率的测试数据表
PA66改性料 轧制温度 饱和吸水率
实施例1 180度 0.95％
实施例1 200度 0.68％
实施例1 常温冷轧 2.62％
从上表五中可见，针对相同配方的实施例1在复合过程中采用180度轧制与200度轧制工艺的饱和吸水率要明显低于比较例，也就是说，通过热轧的工艺，可以明显降低PA66材料的吸水性，提高了PA66材料机械性能的稳定性。
与现有技术相比,本发明所提供的基于PA66的高结晶耐高温自润滑材料由于使用所述PA66，同时在该PA66中加入了酸酐接枝改性聚乙烯，玻璃纤维，无机填料，成核剂以及抗氧化剂，使得PA66在使用酸酐接枝的改性聚乙烯时由于其特殊的接枝嵌段结构可以提高各种添加剂在PA66中的混合均匀性和分散性，而在制作所述复合板时，由于热轧能够使得PA66降温速率变得更加缓慢，从而使得PA66获得更长的结晶时间，晶粒生长充分，获得更加均匀的晶粒结构和形态，从而获得更高的结晶度和晶型，使得PA66具有更好的耐磨性能和抗吸水性能,同时在其各自含量与目数的配合下，可以充分利用所述PA66的耐磨性能。另外由于所述耐磨耐高温自润滑材料中具有作为成核剂的纳米铜粉，而且所述烧结层及基板上具有多个通孔，从而有利于散热，进而使得所制造的复合板具有耐高温的效果。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用于局限本发明的保护范围，任何在本发明精神内的修改、等同替换或改进等，都涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (6)

1.一种复合板，其特征在于：所述复合板包括一层基板，一层烧结在所述基板上的烧结层,以及一层设置在所述烧结层上的耐磨耐高温自润滑层，所述基板及烧结层包括多个沿所述基板、烧结层、以及耐磨耐高温自润滑层的排列方向延伸的通孔，所述烧结层与所述耐磨耐高温自润滑层相邻的接触面上设置有多条凹槽，所述耐磨耐高温自润滑层由PA66，酸酐接枝改性聚乙烯，玻璃纤维，无机填料，成核剂以及抗氧化剂制成，所述PA66的重量百分比为56.9%～84.89%，所述酸酐接枝改性聚乙烯的重量百分比为5%～10%，所述玻璃纤维的重量百分比为5%～15%，所述无机填料的重量百分比为5%～15%，所述成核剂的重量百分比为0.01～0.10%，所述抗氧化剂的重量百分比为0.1%～3%，所述酸酐接枝改性聚乙烯由占聚乙烯总量的6%～15%的酸酐来接枝改性，在将玻璃纤维和无机填料真空烧结处理后与PA66、酸酐接枝改性聚乙烯、成核剂、抗氧化剂相混合以获得基于PA66的高结晶耐高温自润滑材料，所述无机填料为硫酸钡或碳酸钙中的一种或几种，其目数大于500目，所述成核剂为纳米铜粉，其粒径为50nm-100nm，所述玻璃纤维的长径比为8～12，所述基于PA66的高结晶耐高温自润滑材料通过热轧的方式加载到所述烧结层上,所述热轧时轧辊的温度为180度～200度。
2.如权利要求1所述的复合板，其特征在于：所述抗氧化剂为亚磷酸三酯和四季戊四醇酯中的一种或两种。
3.如权利要求1所述的复合板，其特征在于：所述酸酐为马来酸酐。
4.一种复合板的制备方法，其包括如下步骤：
S1：提供用于制备耐磨耐高温自润滑层的基于PA66的高结晶耐高温自润滑材料，所述耐磨耐高温自润滑层由PA66，酸酐接枝改性聚乙烯，玻璃纤维，无机填料，成核剂以及抗氧化剂制成，所述PA66的重量百分比为56.9%～84.89%，所述酸酐接枝改性聚乙烯的重量百分比为5%～10%，所述玻璃纤维的重量百分比为5%～15%，所述无机填料的重量百分比为5%～15%，所述成核剂的重量百分比为0.01～0.10%，所述抗氧化剂的重量百分比为0.1%～3%，所述酸酐接枝改性聚乙烯由占聚乙烯总量的6%～15%的酸酐来接枝改性，在将玻璃纤维和无机填料真空烧结处理后与PA66、酸酐接枝改性聚乙烯、成核剂、抗氧化剂相混合以获得该基于PA66的高结晶耐高温自润滑材料，所述无机填料为硫酸钡或碳酸钙中的一种或几种，其目数大于500目，所述成核剂为纳米铜粉，其粒径为50nm-100nm，所述玻璃纤维的长径比为8～12；
S2:将所述玻璃纤维和无机填料进行真空烧结，真空度保持在-0.02MPa至-0.06Mpa，烧结温度为350度至450度；
S3:将真空烧结处理后的玻璃纤维和无机填料与所述PA66、酸酐接枝改性聚乙烯、成核剂以及抗氧化剂混合，并挤出造粒形成复合粒子，挤出温度为210度至240度；
S4:提供一个基板，以及铜合金粉；
S5：将所述铜合金粉烧结并辊压以在基板上形成烧结层；
S6：在所述基板以及烧结层上开设多个沿所述基板及烧结层的排列方向的通孔；
S7：在所述烧结层的沿所述基板及烧结层的排列方向的自由面上开设多条凹槽；
S8:将在步骤S3所形成的复合粒子铺设在所述烧结层上加热并轧制，轧辊表面温度范围控制在180度至200度以形成耐磨耐高温自润滑的所述复合板。
5.如权利要求4所述的复合板的制备方法，其特征在于：所述酸酐为马来酸酐。
6.如权利要求4所述的复合板的制备方法，其特征在于：所述抗氧化剂为亚磷酸三酯和四季戊四醇酯中的一种或两种。
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