CN110564289A - 一种增强型自润滑关节轴承衬垫材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增强型自润滑关节轴承衬垫材料的制备方法，采用硼酸酯聚合物包覆无机纳米粉体，在有机‑金属配位和B‑N配位协同作用下简单高效制备壳层厚度可调的核壳结构纳米粉体，利用硼酸酯聚合物和基体树脂较强的亲和力和表面富余的硼酸或邻苯二酚官能团与基体树脂之间的氢键作用，提升纳米粒子在基体树脂中的分散性，提高涂层材料的综合力学性能。

Description

一种增强型自润滑关节轴承衬垫材料的制备方法
技术领域
本发明属于涂层技术领域，具体涉及一种增强型自润滑关节轴承衬垫材料的制备方法。
背景技术
添加少许润滑剂或者完全没有润滑剂，使滑动轴承自身具有润滑性的轴承叫做自润滑轴承。自润滑轴承技术完全突破了一般依靠油脂润滑的局限性而实现了无油润滑，省去了润滑装置及润滑油、脂的密封装置，因而使轴承的设计大大简化，成本大幅度降低。由于经济、生态环境以及技术等方面的原因，自润滑材料轴承技术是目前润滑技术的发展趋势，机械强度高和摩擦性能好的自润滑复合材料的开发成为摩擦学领域的重要热点。
自润滑关节轴承是在轴承外圈内球面粘贴一层自润滑衬垫材料，用衬垫滑动表面对内圈外球面的滑动摩擦代替钢表面的滑动摩擦。在自润滑关节轴承的运动中，自润滑轴承衬垫涂层材料不仅要起到对纤维织物的粘接防止走位和润滑降低摩擦损耗的作用，更要有一定得强度和耐磨性能以应对关节轴承的各种工况条件。目前通用的方法是在基体树脂中添加耐磨刚性无机纳米粉体增强关节轴承衬垫涂层，但是无机纳米粉体和基体树脂较弱的界面相互作用和无机纳米粉体自身的团聚倾向，往往导致无机纳米粉体在基体树脂中分散不均产生宏观相分离，反而降低了轴承衬垫的服役寿命。
表面包覆技术是一项可以有效防止颗粒团聚，提高颗粒分散性的技术。它通过表面添加剂与颗粒发生化学反应或表面吸附来改变颗粒的表面状态，特别是对改善粉体的分散性具有很好功效。如果将原始颗粒看作“核”，表面包覆层看作“壳”，则颗粒经包覆以后具有“核壳”的结构，呈现出某些新的特性和功能。此项技术在化工、材料、生物等领域有着广泛的应用前景。
CN105440310A公开了一种采用微悬浮种子乳液聚合法，以硅烷偶联剂改性的纳米二氧化硅为核，甲基丙烯酸酯与甲基丙烯酸缩水甘油酯单体进行聚合包覆为壳层的核壳纳米粒子乳液。该核壳纳米粒子乳液能够提高纳米二氧化硅在环氧树脂基体中的分散性，大幅提高体系的抗冲击强度。但是该核壳结构纳米粒子的制备工艺复杂，无机核层纳米粒子需要预先改性处理且选取范围有限。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种增强型自润滑关节轴承衬垫涂层的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种增强型自润滑关节轴承衬垫材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将无机纳米粉体分散于无水乙醇中，室温搅拌下加入双官能团邻苯二酚单体Im-Ca，均匀搅拌反应5-30min，再加入双官能团苯硼酸单体Im-BA，继续室温搅拌反应1-24h，得到核壳结构纳米粉体；
(2)将基体树脂、聚四氟乙烯粉、石墨烯粉末、助剂、上述核壳结构纳米粉体和有机溶剂混合分散均匀后，获得自润滑喷涂料，上述助剂为有机硅类流平剂或溶剂型分散剂；
(3)将上述自润滑喷涂料通过热喷涂成型与金属基体表面。
在本发明的一个优选实施方案中，所述无机纳米粉体为纳米氧化铁、纳米氧化钙、纳米氧化锆、纳米氧化硅、纳米氧化锌、纳米氮化硼，纳米碳化硅和纳米二硫化钼中的至少一种。
在本发明的一个优选实施方案中，所述基体树脂为高性能聚醚醚酮、聚苯酯、聚酰亚胺或聚苯基硫醚。
在本发明的一个优选实施方案中，所述有机硅类流平剂的型号为BYK-307。
在本发明的一个优选实施方案中，所述溶剂型分散剂的型号为BYK101、BYK161或BYK163。
在本发明的一个优选实施方案中，所述有机溶剂为丙酮、1，4-丁二醇二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、二甲苯、正丁醇、甲基异丁基酮或醋酸丁酯。
在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(1)中，无机纳米粉体、双官能团邻苯二酚单体Im-Ca和双官能团苯硼酸单体Im-BA的质量比为1-10∶0.1-1∶0.1-1。
进一步优选的，所述无机纳米粉体与乙醇溶液的比例为1-10g∶0.5-10L。
在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(2)中，基体树脂、聚四氟乙烯粉、石墨烯粉末、助剂、核壳结构纳米粉体和有机溶剂的质量比为60-100∶1-5∶0.5-2∶1-5∶1-9∶20-50。
在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(2)中的混合分散均匀的方式包括超声分散和机械搅拌。
本发明增强型自润滑关节轴承衬垫涂层具有如下特点：
(1)本发明采用硼酸酯聚合物包覆无机纳米粉体，利用硼酸酯聚合物和基体树脂较强的亲和力和表面富余的硼酸或邻苯二酚官能团与基体树脂之间的氢键作用，提升纳米粒子在基体树脂中的分散性。
(2)本发明利用有机-金属配位和B-N配位协同作用制备核壳结构纳米粉体材料，制备工艺简单高效，且壳层厚度可调，能够更好的结合无机核组分的性质和基体树脂与纳米粉体之间的相互作用调控硼酸酯聚合物的厚度。
(3)本发明所制备核壳结构粉体材料为球形，既可以发挥纳米增强效应，还有利于形成滚珠效果，改善摩擦磨损性能。
附图说明
图1为本发明实施例中的核壳结构纳米粉体A的透射电镜示意图。
图2为为本发明实施例中的核壳结构纳米粉体B的透射电镜示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
以下实施例中所涉及的双官能团邻苯二酚单体Im-Ca和双官能团苯硼酸单体Im-BA都按照文献Macromolecules，2014，47(17)，5869-5876的方法制备得到。
以下实施例中所涉及的基体树脂选自高性能聚醚醚酮、聚苯酯、聚酰亚胺、聚苯基硫醚中的一种。
以下实施例中所涉及的无机纳米粉体可选纳米氧化铁，纳米氧化钙，纳米氧化锆，纳米氧化硅，纳米氧化锌等氧化物，纳米氮化硼，纳米碳化硅，纳米二硫化钼中的一种或多种复合。
以下实施例中所涉及的助剂包括流平剂和分散剂，流平剂优选德国毕克公司的有机硅类BYK-307，分散剂为溶剂型分散剂，如德国毕克公司生产的BYK101、BYK161、BYK163中的一种。
以下实施例中所涉及的溶剂可选丙酮、1，4-丁二醇二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、二甲苯、正丁醇、甲基异丁基酮、醋酸丁酯中一种。
以下实施例中所涉及的核壳结构纳米粉体A和核壳结构纳米粉体B分别代表以如图1所示的以ZnO为无机内核且壳层为硼酸酯聚合物的核壳结构纳米粉体和如图2所示的以SiO2为内核且壳层为硼酸酯聚合物的的核壳结构纳米粉体。
以下实施例制得的增强型自润滑涂层材料测定其常温摩擦磨损性能，测定条件设定在220MPa载荷、频率之10次/分，摆角±25°的工况下，摆动10万次后的磨损量。
实施例1
1.核壳结构纳米粉体的制备：
核壳结构纳米粉体A和核壳结构纳米粉体B的制备
将2g无机纳米粉体(对应核壳结构纳米粉体A的为纳米氧化锌，对应核壳结构纳米粉体B的为纳米氧化硅)分散于5L的乙醇溶液中，室温搅拌下加入0.1g双官能团邻苯二酚单体Im-Ca，均匀搅拌反应5min后加入0.1g双官能团苯硼酸单体Im-BA，继续室温搅拌反应6小时得到核壳结构纳米粉体。
2.增强型自润滑涂层材料的制备：
将70g基体树脂聚酰亚胺，2g聚四氟乙烯粉，0.5g石墨烯粉末，3g BYK161，2g核壳结构纳米粉体A，1g核壳结构纳米粉体B，30g溶剂通过超声、机械搅拌等方式混合分散均匀得到自润滑喷涂料，采用热喷涂使涂料成型于金属基体表面。
实施例2
1.核壳结构纳米粉体的制备：
核壳结构纳米粉体A和核壳结构纳米粉体B的制备
将5g无机纳米粉体(对应核壳结构纳米粉体A的为纳米氧化锌，对应核壳结构纳米粉体B的为纳米氧化硅)分散于10L的乙醇溶液中，室温搅拌下加入0.5g双官能团邻苯二酚单体Im-Ca，均匀搅拌反应20min后加入1g双官能团苯硼酸单体Im-BA，继续室温搅拌反应12小时得到核壳结构纳米粉体。
2.增强型自润滑涂层材料的制备：
将100g基体树脂聚苯基硫醚，5g聚四氟乙烯粉，1g石墨烯粉末，2g BYK-307，4g核壳结构纳米粉体A，5g核壳结构纳米粉体B，50g溶剂通过超声、机械搅拌等方式混合分散均匀得到自润滑喷涂料，采用热喷涂使涂料成型于金属基体表面。
实施例3
1.核壳结构纳米粉体的制备：
核壳结构纳米粉体A和核壳结构纳米粉体B的制备
将7g无机纳米粉体(对应核壳结构纳米粉体A的为纳米氧化锌，对应核壳结构纳米粉体B的为纳米氧化硅)分散于10L的乙醇溶液中，室温搅拌下加入0.7g双官能团邻苯二酚单体Im-Ca，均匀搅拌反应30min后加入0.4g双官能团苯硼酸单体Im-BA，继续室温搅拌反应12小时得到核壳结构纳米粉体。
2.增强型自润滑涂层材料的制备：
将80g基体树脂聚醚醚酮，2g聚四氟乙烯粉，1.5g石墨烯粉末，3g BYK101，2.5g核壳结构纳米粉体A，3g核壳结构纳米粉体B，35g溶剂通过超声、机械搅拌等方式混合分散均匀得到自润滑喷涂料，采用热喷涂使涂料成型于金属基体表面。
下表为实施例1至3制得的最终产品的耐磨性能(测试条件：220MPa、频率≥10次/分，摆角±25°的工况下，摆动100000次)：
实施例 1 2 3
磨损量(mm) 0.05 0.10 0.08
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种增强型自润滑关节轴承衬垫材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将无机纳米粉体分散于无水乙醇中，室温搅拌下加入双官能团邻苯二酚单体Im-Ca，均匀搅拌反应5-30min，再加入双官能团苯硼酸单体Im-BA，继续室温搅拌反应1-24h，得到核壳结构纳米粉体；
(2)将基体树脂、聚四氟乙烯粉、石墨烯粉末、助剂、上述核壳结构纳米粉体和有机溶剂混合分散均匀后，获得自润滑喷涂料，上述助剂为有机硅类流平剂或溶剂型分散剂；
(3)将上述自润滑喷涂料通过热喷涂成型与金属基体表面。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述无机纳米粉体为纳米氧化铁、纳米氧化钙、纳米氧化锆、纳米氧化硅、纳米氧化锌、纳米氮化硼，纳米碳化硅和纳米二硫化钼中的至少一种。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述基体树脂为高性能聚醚醚酮、聚苯酯、聚酰亚胺或聚苯基硫醚。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述有机硅类流平剂的型号为BYK-307。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述溶剂型分散剂的型号为BYK101、BYK161或BYK163。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为丙酮、1，4-丁二醇二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、二甲苯、正丁醇、甲基异丁基酮或醋酸丁酯。
7.如权利要求1至6中任一权利要求所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，无机纳米粉体、双官能团邻苯二酚单体Im-Ca和双官能团苯硼酸单体Im-BA的质量比为1-10∶0.1-1∶0.1-1。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述无机纳米粉体与乙醇溶液的比例为1-10g∶0.5-10L。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，基体树脂、聚四氟乙烯粉、石墨烯粉末、助剂、核壳结构纳米粉体和有机溶剂的质量比为60-100∶1-5∶0.5-2∶1-5∶1-9∶20-50。
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的混合分散均匀的方式包括超声分散和机械搅拌。
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