CN111187463A - 纳米氮化钛填充的超高分子量聚乙烯复合润滑材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纳米氮化钛填充的超高分子量聚乙烯复合润滑材料，是先将纳米氮化钛、超高分子量聚乙烯以质量百分数1~10%、90~99%搅拌分散于工业酒精中，超声混合均匀后抽滤、烘干，得混合粉料；再将混合粉料倒入模具中，在一定的温度和压力下热压成型，自然冷却至60~80℃，脱模，即得超高分子量聚乙烯复合润滑材料。摩擦学性能测试结果显示，用纳米氮化钛填充超高分子量聚乙烯复合材料，可显著降低超高分子量聚乙烯在低载荷下的摩擦系数，拓展了纳米氮化钛的应用；另外，纳米氮化钛粒径小，比表面积大，填充量少，成本低，工艺简单，为聚合物润滑材料的设计提供了新的思路。

Description

纳米氮化钛填充的超高分子量聚乙烯复合润滑材料及其制备 方法

技术领域

本发明涉及一种超高分子量聚乙烯复合材料，尤其涉及一种纳米氮化钛填充的超高分子量聚乙烯润滑材料及其制备方法，属于复合材料领域和耐磨损材料技术领域。

背景技术

超高分子量聚乙烯具有良好的抗磨损与抗冲击性能，但是其硬度低、强度不高、抗蠕变能力差和尺寸收缩率大，可作为低载荷下高端装备气液压系统的润滑与密封零件使用，但低载荷下摩擦系数偏大，必须进行改性才能满足工况使用要求。通常以超高分子量聚乙烯作为树脂基体制备低摩擦聚合物润滑材料时，通常采用纤维、润滑剂、纳米填料及其他助剂混合填充改性，制备过程相对复杂、成本较高。

目前，单一填料填充超高分子量聚乙烯复合材料的填料主要有二硫化钼、碳纳米管、石墨烯。多种复合填料填充超高分子量聚乙烯复合材料的填料主要有碳纳米管与石墨烯复合、碳纤维与纳米BN复合、二氧化硅与氧化铝、碳酸钙、蒙脱土、硅灰石、玻璃微珠的组合。常规的无机填料颗粒大，与高分子界面粘结性差，改善效果有限。

纳米功能填料具有小尺寸效应，少量合适纳米粒子填充聚合物即可显著改善摩擦学性能，并且其填充后在摩擦面一般不会发生磨粒磨损，不会损伤对偶表面。因此，纳米填充聚合物复合材料在润滑与密封领域具有广泛的应用前景。如何选择适宜的纳米粒子及最佳填充量是该类材料研发的关键。

纳米氮化钛具有比表面积大，表面活性高，含氮量高（>30%），耐高温，抗氧化，硬度高，优异的吸收红外线性能（80%以上紫外光屏蔽大于85%以上），以及良好的阻隔性能和导电性，已被广泛应用于塑料工程、太阳能吸收剂、高辐射率涂层等。纳米氮化钛也可作为增强相，用于提高金属、陶瓷基体的强度和韧性。但其作为润滑减摩填料的应用，目前还没有相关专利和文献公开报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米氮化钛填充的超高分子量聚乙烯润滑材料，以解决低载荷下超高分子量聚乙烯摩擦系数大的技术问题。

一、纳米氮化钛填充的超高分子量聚乙烯复合材料的制备

本发明纳米氮化钛填充的超高分子量聚乙烯复合材料，由以下组份和工艺制备而成：

组分配比：超高分子量聚乙烯90~99%，纳米氮化钛1~10%。其中超高分子量聚乙烯的相对分子质量为900万，粒径为150~250μm；纳米氮化钛的粒径为10~30nm。

制备工艺：

（1）先将纳米氮化钛加入工业酒精中，超声搅拌0.5~1小时，再加入超高分子量聚乙烯，继续超声搅拌0.5~1小时，充分混合均匀后抽滤，烘干，得到混合粉料；所述超声机械搅拌中采用的超声波清洗机的功率为500W，机械搅拌速率为200rpm；

（2）将混合粉料倒入模具中在190~210℃、5~10MPa下保温保压90~150min，热压成型；

（3）热压成型产品自然冷却至60~80℃，脱模，即可得到超高分子量聚乙烯复合材料。冷却过程中保持压力10~15MPa，以保证尺寸稳定，避免冷却过程中材料表面发生翘曲、塌陷、变形。

二、纳米氮化钛填充的超高分子量聚乙烯复合材料的摩擦性能

测试方法：GB/T3960，50N，200rpm,120min；

测试结果：摩擦系数≤0.15。

摩擦学性能测试结果显示，用纳米氮化钛填充超高分子量聚乙烯复合材料，可显著降低超高分子量聚乙烯在低载荷下的摩擦系数，拓展了纳米氮化钛的应用；另外，纳米氮化钛粒径小，比表面积大，少量填充后即可显著降低超高分子量聚乙烯的摩擦系数，成本低，工艺简单，为聚合物润滑材料的设计提供了新的思路。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明纳米氮化钛填充的超高分子量聚乙烯复合润滑材料的制备及其摩擦性能作进一步说明。

实施例1

（1）原料配比：准确称取超高分子量聚乙烯99g，纳米氮化钛1g；

（2）制备工艺：先将纳米氮化钛加入120ml工业酒精中，超声搅拌0.6小时，然后加入超高分子量聚乙烯，继续超声搅拌0.6小时，充分混合均匀后抽滤、烘干，得混合粉料；将混合粉料倒入模具中热压成型：在190℃，10MPa下保温保压150min；自然冷却至80℃（冷却过程中保持压力12Mpa），脱模，即可得到超高分子量聚乙烯复合润滑材料；

（3）摩擦学性能测试：摩擦系数0.15（GB/T3960，50N，200rpm，120min），较纯的超高分子量聚乙烯摩擦系数（0.21）下降28.5%。

实施例2

（1）原料配比：准确称取超高分子量聚乙烯97g，纳米氮化钛3g；

（2）制备工艺：先将纳米氮化钛加入300ml工业酒精中，超声搅拌0.5小时，然后加入超高分子量聚乙烯，继续超声搅拌0.5小时，充分混合均匀后抽滤、烘干，得混合粉料；再将混合粉料倒入模具中热压成型：195℃，8MPa下保温保压140min；然后自然冷却至75℃（冷却过程中保持压力10Mpa），脱模，即可得到超高分子量聚乙烯复合润滑材料；

（3）摩擦学性能测试：摩擦系数0.12（GB/T3960，50N，200rpm，120min），较纯的超高分子量聚乙烯摩擦系数（0.21）下降42.8%。

实施例3

（1）原料配比：准确称取超高分子量聚乙烯93g，纳米氮化钛7g；

（2）制备工艺：先将纳米氮化钛加入300ml工业酒精中，超声搅拌0.8小时；加入超高分子量聚乙烯，继续超声搅拌0.8小时，充分混合均匀后抽滤、烘干，得混合粉料；再将混合粉料倒入模具中热压成型：200℃，7MPa下保温保压120min；然后自然冷却至70℃（冷却过程中保持压力15Mpa），室温脱模，即可得到超高分子量聚乙烯复合润滑材料；

（3）摩擦学性能测试：摩擦系数0.07（GB/T3960，50N，200rpm，120min），较纯的超高分子量聚乙烯摩擦系数（0.21）下降66.6%。

实施例4

（1）原料配比：准确称取超高分子量聚乙烯90g，纳米氮化钛10g；

（2）制备工艺：先将纳米氮化钛加入500ml工业酒精中，超声搅拌0.9小时；加入超高分子量聚乙烯，继续超声搅拌0.9小时，充分混合均匀后抽滤、烘干，得混合粉料；再将混合粉料倒入模具中热压成型：210℃，5MPa下保温保压90min；然后自然冷却至65℃（冷却过程中保持压力12MPa），室温脱模，即可得到超高分子量聚乙烯复合润滑材料；

（3）摩擦学性能测试：摩擦系数0.10（GB/T3960，50N，200rpm，120min），较纯的超高分子量聚乙烯摩擦系数（0.21）下降52.3%。

上述各实施例中，超高分子量聚乙烯的相对分子质量为900万，粒径为150~250μm；纳米氮化钛的粒径为10~30nm。

Claims (6)

1.一种纳米氮化钛填充的超高分子量聚乙烯复合润滑材料，是由以下组份和工艺制备而成：

组分配比：超高分子量聚乙烯90~99wt.%，纳米氮化钛1~10wt.%；

制备工艺：先将纳米氮化钛加入工业酒精中，超声搅拌0.5~1小时，再加入超高分子量聚乙烯，继续超声搅拌0.5~1小时，充分混合均匀后抽滤，烘干，得到混合粉料；将混合粉料倒入模具中热压成型后自然冷却至60~80℃，脱模，即可得到超高分子量聚乙烯复合润滑材料。

2.如权利要求1所述一种纳米氮化钛填充的超高分子量聚乙烯复合润滑材料，其特征在于：超高分子量聚乙烯的相对分子质量为900万，粒径为150~250μm。

3.如权利要求1所述一种纳米氮化钛填充的超高分子量聚乙烯复合润滑材料，其特征在于：纳米氮化钛的粒径为10~30nm。

4.如权利要求1所述一种纳米氮化钛填充的超高分子量聚乙烯复合润滑材料，其特征在于：所述超声机械搅拌中采用的超声波清洗机的功率为500W，机械搅拌速率为200rpm。

5.如权利要求1所述一种纳米氮化钛填充的超高分子量聚乙烯复合润滑材料，其特征在于：所述热压成型在190~210℃、5~10MPa下保温保压90~150min。

6.如权利要求1所述一种纳米氮化钛填充的超高分子量聚乙烯复合润滑材料，其特征在于：冷却过程中保持压力10~15M Pa。