CN110540724A - 一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，该方法是指先分别将聚合物树脂基体、清洗后的微米增强材料、固体润滑剂根据材料干燥参数进行充分干燥，然后根据所述聚合物树脂基体不同的成型要求，借助相应的设备将弹性模量和硬度不同的所述清洗后的微米增强材料和所述固体润滑剂同时加入到聚合物基体中，制备复合材料或挤出粒料即可。本发明首次通过采用物理性质不同的增强材料组合共同调控聚合物的摩擦学性能，工艺简单、成本低廉且易于产品化。所制得的减摩耐磨聚合物复合材料可广泛应用于汽车、航空航天、机械制造等领域的作为聚合物滑动轴承、密封圈、止推垫片等运动机构的重要部件。

Description

一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法
技术领域
本发明涉及高分子复合材料技术及应用领域，尤其涉及一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法。
背景技术
聚合物复合材料取代传统金属材料已广泛应用于高新技术产业，如航空航天、舰艇船舶、汽车制造等领域。根据树脂基体的不同，聚合物可分为热固性和热塑性两种。在过去的半个多世纪以来，热固性和热塑性树脂基复合材料作为新型材料已获得工程界的普遍认可，并已进入工业化生产阶段，其发展势头和应用速度相当迅猛。
过去二十多年，摩擦学工作者们对聚合物复合材料的摩擦学性能进行了深入研究，开发了多种适合干摩擦工况运行的聚合物复合材料，同时也申请了众多国内发明专利。中国专利CN105924965B公开了一种减摩耐磨聚合物基复合材料的制备方法，具体是将制备的碳纤维和二氧化硅加入到聚酰亚胺前驱体溶液中，制备聚酰亚胺与碳纤维-二氧化硅杂化复合材料。中国专利CN1958671A公开了将原料聚合物基体、固体润滑剂、增强纤维和填充剂按一定比例高速混合均匀，通过挤出机共混造粒，其中增强材料为碳纤维或玻璃纤维中的一种。中国专利CN1208560C公开了一种耐高温聚合物基复合材料滑动轴承，使用耐高温聚合物基体树脂与功能添加剂、增强纤维及助剂复合，按常规的成型方法制造而成。中国专利CN101747626B公开了一种碳纤维增强聚合物基自润滑材料及其制备方法，涉及的增强材料是单纯的碳纤维。
相比树脂基体，增强材料具有较高的力学性能（如硬度、弹性模量等），这就赋予增强材料作为树脂基体的填充材料在摩擦过程中表现出优异的摩擦学性能。因此，近年来增强材料对聚合物复合材料摩擦学性能的影响研究得到摩擦学者的广泛关注。一方面，由于增强材料具有较高的硬度和弹性模量，在摩擦副界面接触时，承担了聚合物树脂承受的绝大部分载荷，减小聚合物与金属配副的实际接触面积，有效降低摩擦系数。但是，硬度和弹性模量较高的增强材料易引起对磨金属表面发生严重氧化，不利于摩擦磨损的降低。另一方面，增强材料对界面转移物质具有显著的研磨作用，对转移物质的种类、化学成分及其界面分布具有显著影响，通过调控界面转移物质达到构筑界面高性能转移膜的作用，有效提高复合材料的耐磨性能。因此，合理利用力学性能不同的增强材料、将硬度和弹性模量不同的增强材料复合使用，可以有效调控摩擦界面的形貌和结构，优化聚合物复合材料-金属摩擦副在干摩擦条件下的摩擦学性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单、成本低廉且易于产品化的复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，其特征在于：该方法是指先分别将聚合物树脂基体、清洗后的微米增强材料、固体润滑剂根据材料干燥参数进行充分干燥，然后根据所述聚合物树脂基体不同的成型要求，借助相应的设备将弹性模量和硬度不同的所述清洗后的微米增强材料和所述固体润滑剂同时加入到聚合物基体中，制备复合材料或挤出粒料即可；所述清洗后的微米增强材料添加的体积分数为5%~30%，所述固体润滑剂添加的体积分数为5%~10%，余量为所述聚合物树脂基体。
所述聚合物树脂基体是指常规工程塑料、高性能聚合物、特种工程塑料中的一种。
所述常规工程塑料是指聚碳酸酯、聚酰胺、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、聚苯醚、聚酯和聚芳基酯以及环氧树脂、酚醛树脂中的一种。
所述高性能聚合物是指聚四氟乙烯、聚苯硫醚、聚醚醚酮中的一种。
所述特种工程塑料是指聚醚酰亚胺或聚酰亚胺。
所述聚合物树脂基体的状态为粉料、粒料、液态以及溶剂分散态中的一种。
所述清洗后的微米增强材料是指将微米增强材料采用常用溶剂进行清洗，去除表面杂质所得。
所述微米增强材料是指碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维中的至少两种组合，其直径为1~100 μm，长径比为2：1~50：1，弹性模量均大于60GPa。
所述固体润滑剂是指石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯、氮化硼、滑石粉、氟化钙中的至少一种，其粒径分布在1~100 μm之间。
所述聚合物树脂基体的成型方法是指常温或高温固化、热压成型、冷压烧结、挤出注塑成型中的至少一种。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明根据增强材料的摩擦学作用，首次提出通过复合不同力学性能增强材料协同调控复合材料在干摩擦条件下的摩擦学性能，并且在材料实际测试中该思路得到了很好的印证，按照此方法制备的复合材料达到了比较理想的减摩耐磨效果。
2、本发明同时将弹性模量和硬度不同的微米增强组合材料加入到聚合物基体中制备聚合物复合材料，干摩擦过程中通过各增强相各自不同的摩擦物理和摩擦化学作用，诱导聚合物复合材料-金属配副摩擦界面的物质转移及其化学结构、力学性能等，实现对其摩擦学性能的调控，提高聚合物复合材料-金属配副干摩擦条件下的减摩耐磨性能。
3、相比目前应用的其他聚合物复合材料（如CN105924965B，CN1958671A和CN101747626B等），其增强材料均只是一种纤维，而本发明重点突出通过至少两种力学性能不同的增强填料的复合作用，调控聚合物树脂在干摩擦条件下的摩擦学性能，两种不同性质增强材料的复合可以发挥协同作用，提高复合材料整体的性能。因此，材料设计思路具有新颖性。
4、本发明选用的增强材料是工程塑料改性领域常用材料，具有简单易得、成本低廉、加工方便等特点。
5、由于增强材料是目前常用增强材料，因此本发明方法可以广泛应用于热固性和热塑性树脂基体中制备复合材料，具有广泛的适用性，不仅适用于制备耐高温树脂复合材料（如中国专利CN1208560C），也可以制备适合中常温使役的型材，同时采用此方法制备的复合材料经过加工可以广泛用作汽车、航空航天、机械制造等领域的作为聚合物滑动轴承、密封圈、止推垫片等运动机构的重要部件，且生产效率和成品率高、加工成本低，更易实现大规模工业化生产。
6、本发明工艺简单、成本低廉且易于产品化。
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为对比例1、对比例2和本发明实施例1干摩擦下的摩擦系数演变曲线对比。
图2为对比例1、对比例2和本发明实施例1干摩擦下的比磨损率对比图。
具体实施方式
对比例1按体积分数为75:20:5混合干燥的聚四氟乙烯、碳纤维和石墨粉料，采用冷压烧结的方式制备聚四氟乙烯基复合材料，切割成4×4×12mm3试验用样条，安装到销-盘摩擦试验机进行摩擦学试验。
对比例2按体积分数为75:20:5混合干燥的聚四氟乙烯、芳纶纤维和石墨粉料，采用冷压烧结的方式制备聚四氟乙烯基复合材料，切割成4×4×12mm3试验用样条，安装到销-盘摩擦试验机进行摩擦学试验。
实施例1一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，该方法是指先分别将聚四氟乙烯、清洗后的碳纤维和芳纶纤维、石墨粉料根据材料干燥参数进行充分干燥，然后按体积分数为75：10：10：5混合干燥的聚四氟乙烯、碳纤维、芳纶纤维和石墨粉料，采用冷压烧结的方式即得聚四氟乙烯基复合材料。其中，冷压烧结的工艺参数为10~40MPa下冷压混合的粉料10~60min，再转移至烧结炉中于300~400℃下保温1~4h。
所得的聚四氟乙烯基复合材料切割成4×4×12mm3试验用样条，安装到德国Wazau公司的TRM1000销-盘摩擦试验机进行摩擦学试验。试验条件：载荷为3MPa、线速度为0.5m/s、测试时间为2h。从图1可以看出，试验2h后实施例1的摩擦系数稳定在0.19左右，相比对比例1和对比例2，其摩擦系数分别降低了0.07和0.02。
从图2可以看出，实施例1的磨损率为5.5×10-7mm3/Nm。相比其他两种材料具有更高的耐磨性能。其中，相比对比例1和对比例2其耐磨性能分别提高了68.4%和69.6%。
实施例2一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，该方法是指先分别将聚甲醛粒料、清洗后的玻璃纤维和碳纤维、石墨粉料根据材料干燥参数进行充分干燥，然后按60：10：20：10的体积比加入到185℃密炼机中熔融密炼10min，得到混合均匀的聚甲醛基复合材料。再将密炼后的混合料于190℃利用平板硫化机、在10MPa压力下热压成型，即得改性聚甲醛基材料。
实施例3一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，该方法是指先分别将聚甲醛粒料、清洗后的玻璃纤维和芳纶纤维、二硫化钼根据材料干燥参数进行充分干燥，然后按60：20：10：10的体积比加入到185℃密炼机中熔融密炼10min，得到混合均匀的聚甲醛基复合材料。再将密炼后的混合料于190℃利用平板硫化机、在10MPa压力下热压成型，即得改性聚甲醛基材料。
实施例4一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，该方法是指先分别将环氧树脂、清洗后的碳纤维和芳纶纤维、聚四氟乙烯根据材料干燥参数进行充分干燥，然后按88：4：3：5体积比加入到高速分散机中，1000~6000rpm下高速搅拌10~60min，混合均匀，再加入所需反应量的MOCA固化剂搅拌均匀，置于80~120℃烘箱中0.5~4h固化成型，即得成型板料。
实施例5一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，该方法是指先分别将环氧树脂、清洗后的玻璃纤维和碳纤维、氮化硼根据材料干燥参数进行充分干燥，然后按88：3：4：5体积比加入到高速分散机中，1000~6000rpm下高速搅拌10~60min，混合均匀，再加入所需反应量的MOCA固化剂搅拌均匀，置于80~120℃烘箱中0.5~4h固化成型，即得成型板料。
实施例6一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，该方法是指先分别将聚酰亚胺粉料、清洗后的玻璃纤维和芳纶纤维、氟化钙粉料根据材料干燥参数进行充分干燥，然后按90：2：3：5的体积比在高速搅拌器中以1000~6000rpm的速率搅拌10~60min，使其混合均匀，最后转移至模具中，于380℃、10MPa热压成型，即得聚酰亚胺基复合材料。
实施例7一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，该方法是指先分别将聚酰亚胺粉料、清洗后的玻璃纤维和芳纶纤维、滑石粉粉料根据材料干燥参数进行充分干燥，然后按90：3：2：5的体积比在高速搅拌器中以1000~6000rpm的速率搅拌10~60min，使其混合均匀，最后转移至模具中，于380℃、10MPa热压成型，即得聚酰亚胺基复合材料。
实施例8一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，该方法是指先分别将聚酰亚胺粉料、清洗后的玻璃纤维和芳纶纤维、氮化硼粉料根据材料干燥参数进行充分干燥，然后按88：1：4：7的体积比在高速搅拌器中以1000~6000rpm的速率搅拌10~60min，使其混合均匀，最后转移至模具中，于380℃、10MPa热压成型，即得聚酰亚胺基复合材料。
上述实施例1~8中，体积单位是cm3。
聚合物树脂基体还可以是聚碳酸酯、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯醚、聚酯和聚芳基酯、酚醛树脂、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺中的一种。
聚合物树脂基体的状态还可以是粒料、液态以及溶剂分散态中的一种。
清洗后的微米增强材料是指将微米增强材料采用常用溶剂进行清洗，去除表面杂质所得。常用溶剂是指去离子水、稀酸溶液、稀碱溶液、有机溶剂等。微米增强材料的直径为1~100 μm，长径比为2：1~50：1，弹性模量均大于60GPa。
固体润滑剂的粒径分布在1~100 μm之间。
聚合物树脂基体的成型方法还可以采用挤出注塑成型代替。

Claims (10)

1.一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，其特征在于：该方法是指先分别将聚合物树脂基体、清洗后的微米增强材料、固体润滑剂根据材料干燥参数进行充分干燥，然后根据所述聚合物树脂基体不同的成型要求，借助相应的设备将弹性模量和硬度不同的所述清洗后的微米增强材料和所述固体润滑剂同时加入到聚合物基体中，制备复合材料或挤出粒料即可；所述清洗后的微米增强材料添加的体积分数为5%~30%，所述固体润滑剂添加的体积分数为5%~10%，余量为所述聚合物树脂基体。
2.如权利要求1所述的一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，其特征在于：所述聚合物树脂基体是指常规工程塑料、高性能聚合物、特种工程塑料中的一种。
3.如权利要求2所述的一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，其特征在于：所述常规工程塑料是指聚碳酸酯、聚酰胺、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、聚苯醚、聚酯和聚芳基酯以及环氧树脂、酚醛树脂中的一种。
4.如权利要求2所述的一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，其特征在于：所述高性能聚合物是指聚四氟乙烯、聚苯硫醚、聚醚醚酮中的一种。
5.如权利要求2所述的一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，其特征在于：所述特种工程塑料是指聚醚酰亚胺或聚酰亚胺。
6.如权利要求1所述的一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，其特征在于：所述聚合物树脂基体的状态为粉料、粒料、液态以及溶剂分散态中的一种。
7.如权利要求1所述的一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，其特征在于：所述清洗后的微米增强材料是指将微米增强材料采用常用溶剂进行清洗，去除表面杂质所得。
8.如权利要求7所述的一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，其特征在于：所述微米增强材料是指碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维中的至少两种组合，其直径为1~100 μm，长径比为2：1~50：1，弹性模量均大于60GPa。
9.如权利要求1所述的一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，其特征在于：所述固体润滑剂是指石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯、氮化硼、滑石粉、氟化钙中的至少一种，其粒径分布在1~100 μm之间。
10.如权利要求1所述的一种复合填充提高聚合物材料耐磨性能的方法，其特征在于：所述聚合物树脂基体的成型方法是指常温或高温固化、热压成型、冷压烧结、挤出注塑成型中的至少一种。
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