CN111303520B

CN111303520B - 一种桥梁支座用高分子滑移材料及其制备方法

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Publication number: CN111303520B
Application number: CN202010208094.7A
Authority: CN
Inventors: 刘昊; 金家康; 王建章; 高双全; 阎逢元; 王庆培
Original assignee: Hebei Tongchuang Traffic Engineering Matching Product Industry Technology Co ltd; Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Hebei Tongchuang Traffic Engineering Matching Product Industry Technology Co ltd; Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2040-03-23
Also published as: CN111303520A

Abstract

本发明提供了一种桥梁支座滑移材料的制备方法，是以改性的超高分子量聚乙烯为基体，采用增强纤维和摩擦系数改进剂为增强组分，在高温烧结炉中，按特定温度程序和压力通过模压熔融成型方法制成。本发明使用高分子材料共混改性超高分子量聚乙烯以提升滑移材料的压缩强度及最大承载载荷，同时引入摩擦系数改进剂实现滑移材料在5~450 mm/s较宽滑移速度范围内摩擦系数的稳定性；通过高分子改性剂、增强纤维和摩擦系数改进剂组分的设计、调配综合提升滑移材料的使役性能，应用于桥梁支座具有较高的承载能力，优异的摩擦磨损性能，并且在较宽滑移速度范围内具有稳定的摩擦系数，可有效延长桥梁支座的使用寿命。

Description

一种桥梁支座用高分子滑移材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高分子滑移材料，尤其涉及一种以改性超高分子量聚乙烯为基体的高分子滑移材料及其制备方法，主要用于桥梁支座的制备，属于高分子材料技术领域及摩擦滑移技术领域。

背景技术

保障铁路桥梁具有较高的平顺性、稳定性和可靠性，要求桥梁和桥墩之间采用柔性连接支撑，即要求安装桥梁支座。桥梁支座是连接铁路桥梁上部结构和下部结构的重要部件，它将桥梁上部结构的载荷、位移和转角可靠地传递给桥梁的下部结构，从而保证桥梁结构能够承受过往列车载荷、温度徐变和混凝土胀缩产生的水平位移以及地震挠度产生的角位移。我国现役高铁桥梁支座设计为摆式支座，由高分子摩擦滑板和镜面不锈钢板配副构成，随桥梁位移或振动产生相对运动，从而消耗摩擦能量，实现减震功能。

随着国内对高铁桥梁减隔震性能要求的不断提高，桥梁支座作为桥梁实现梁减震隔震功能的重要部件，其功能要求也相应提高：桥梁支座的滑动部件要在瞬时极高载荷下、极宽滑动速度范围内保持稳定的低摩擦系数、低磨耗和长使用寿命。目前，桥梁支座用高分子滑移材料主要包括聚四氟乙烯、聚芳醚酮类和超高分子量聚乙烯类等。这些材料的主要问题是承载能力不足，对不同滑移速度下摩擦系数稳定性缺乏针对性组分设计，不能满足地震工况下高铁桥梁支座瞬时高速运动时的减震耗能要求。因此需要开发一种承载力高、抗磨减摩性能好，在较宽相对滑动速度范围内具有稳定摩擦系数的新型高分子滑移材料。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中桥梁支座高分子滑移材料存在的问题，提供一种具有优异耐磨性能、在较宽滑动速度范围内具有稳定摩擦系数的桥梁支座用高分子滑移材料及其制备方法。

一、高分子滑移材料的制备

本发明高分子滑移材料，是以改性超高分子量聚乙烯为基体，采用增强纤维与摩擦系数改进剂为填料，在高温烧结炉中，按特定温度程序和压力通过模压熔融成型方法制成。具体制备方法包括以下步骤：

（1）超高分子量聚乙烯的改性

将超高分子量聚乙烯与改性剂放入烘箱中干燥除去水分后，经熔融挤出、造粒，即得改性超高分子量聚乙烯。

改性剂采用聚甲醛、聚氨酯、丙烯腈-丁二烯橡胶中的一种；超高分子量聚乙烯与改性剂以质量百分数70~80%、20~30%进行配比。

所述熔融挤出利用双螺杆挤出机进行，挤出温度为200~220℃，螺杆转速为50~100rpm，挤出时间为30~45 min；造粒采用高速切削造粒机制成颗粒状，造粒机切削速度为3000~5000 rpm。

超高分子量聚乙烯的分子量为9.2×10⁶ g/mol，改性后超高分子量聚乙烯的熔体质量流动速率为0.2~1.5 g/10 min。

（2）高分子滑移材料的制备

将改性超高分子量聚乙烯树脂与增强纤维、摩擦系数改进剂充分混合，除去水分后均匀铺展于钢模具中，然后置于高温烧结炉中，在压力8~15MPa MPa，温度200~220℃下保持80~120分钟；烧结完毕后冷却至80℃以下，脱模，即得高分子滑移材料。

所述增强纤维为玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维中的一种，且增强纤维的平均直径为7 μm，长径比为4~8。增强纤维在高分子滑移材料中的质量分数为5~30%。

所述摩擦系数改进剂硅灰石、二氧化硅或氧化铜中的一种，摩擦系数改进剂为纳米尺度，平均粒径为30 nm。摩擦系数改进剂在高分子滑移材料中的质量分数为1~5%。

二、高分子滑移材料的性能

1、摩擦性能

将上述获得的高分子滑移材料与镜面不锈钢配副，两板之间不涂抹硅脂，在45MPa正应力下预压1 h，随后在3000吨压剪试验机下进行动摩擦系数相关性测试。试验温度为23±1℃，位移为150 mm，滑移速度分别为5，50，100，150，200，250，350，450 mm/s，每个滑移速度下进行3次平行试验，取最后一圈滑移时水平力与正应力的比值作为滑动摩擦系数。

试验滞回曲线如图1所示。测试结果表明，所制备滑移材料在不同滑移速度下的平均动摩擦系数为0.025~0.075，摩擦系数波动≤15%。其他性能指标见表1。

2、力学性能测试

最终获得的样品经机械加工成国标指定尺寸在万能试验机上进行力学性能测试，拉伸强度及断裂韧性测试试件为80mm×10mm×4 mm的哑铃型，压缩测试试件为φ25mm×8mm的圆柱形。试验测得滑移材料的各项性能指标见表1。由表1可见，本发明所制备的桥梁支座滑移材料，具有较高的承载性能，良好的耐磨性能、在较宽滑移速度范围内具有稳定的摩擦系数。

本发明相对现有技术的有益效果：本发明使用高承载高分子材料共混改性超高分子量聚乙烯以提升滑移材料的压缩强度及最大承载载荷，同时引入摩擦系数改进剂实现滑移材料在5~450 mm/s较宽滑移速度范围内摩擦系数的稳定性；通过高分子改性剂、增强纤维和摩擦系数改进剂组分的设计、调配综合提升滑移材料的使役性能。

附图说明

图1本发明所述桥梁支座滑移材料动摩擦系数滞回曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明桥梁支座滑移材料的制备和性能做进一步说明。

实施例1

（1）超高分子量聚乙烯的改性：将800 g超高分子量聚乙烯（分子量为9.2×10⁶ g/mol）粉体和200g聚甲醛放入烘箱，在100℃下干燥24小时以除去水分，随后经双螺杆挤出机进行熔融共混，从进料口至出料口的8段螺杆温度依次为180-190-200-210-210-210-210-210℃，螺杆转速为50 rpm，挤出时间为30 min；再经高速切削造粒机在切削速度4000 rpm条件下制成颗粒状，得到改性超高分子量聚乙烯。改性超高分子量聚乙烯的熔体质量流动速率为1.5g/10 min。

（2）高分子滑移材料的制备：将620.7 g改性超高分子量聚乙烯、186.2 g碳纤维和31.0 g氧化铜纳米粉经机械搅拌器混合30分钟得到以超高分子聚乙烯为基体的混合粉体；将上述混合粉体在85℃下干燥24小时除去水分后在不锈钢模具中铺展均匀，放入100吨热压机中烧结，升温速率为1℃/min，烧结温度为210℃，烧结压力为10 MPa。原料升温至210℃后在该温度下保温100 min，自然冷却至80℃脱去模具，获得尺寸为直径350 mm，厚度8 mm的高分子滑移材料；

（3）高分子滑移材料的性能：所制备滑移材料在不同滑移速度下的平均动摩擦系数为0.045，摩擦系数波动为8%。初始静摩擦系数为0.059，初始动摩擦系数为0.038。所制备滑移材料拉伸强度为45MPa，断裂伸长率为350%；压缩强度为39 MPa；最大承载载荷为250MPa。

实施例2

（1）超高分子量聚乙烯的改性：将700 g超高分子量聚乙烯（分子量为9.2×10⁶ g/mol）粉体和300g聚氨酯放入烘箱在100℃下干燥24 小时除去水分，随后经双螺杆挤出机进行熔融共混，从进料口至出料口的8段螺杆温度依次为180-190-200-210-210-210-210-210℃，螺杆转速为50 rpm，挤出时间为30 min；再经高速切削造粒机在切削速度4000 rpm条件下制成颗粒状，得到改性超高分子量聚乙烯。改性超高分子量聚乙烯的熔体质量流动速率为1.2 g/10 min。

（2）高分子滑移材料的制备：将555.2 g改性超高分子量聚乙烯、61.7 g碳纤维和30.8 g纳米二氧化硅粉经机械搅拌器混合30分钟得到以超高分子聚乙烯为基体的混合粉体；将上述粉体在85℃下干燥24小时脱去水分后铺展均匀在不锈钢模具中，然后放入100吨热压机中烧结，升温速率为1℃/min，烧结温度为210℃，烧结压力为10 MPa。原料升温至210℃后在该温度下保温100 min，自然冷却至80℃以下脱去模具，获得尺寸为直径350 mm，厚度8 mm的高分子滑移材料滑板。

（3）高分子滑移材料的性能：所制备滑移材料在不同滑移速度下的平均动摩擦系数为0.070，摩擦系数波动为12%。初始静摩擦系数为0.055，初始动摩擦系数为0.035。所制备滑移材料拉伸强度为42MPa，断裂伸长率为320%；压缩强度为35MPa；最大承载载荷为233MPa。

实施例3

（1）超高分子量聚乙烯的改性：将700 g超高分子量聚乙烯（分子量为9.2×10⁶ g/mol）粉体和300 g丙烯腈-丁二烯橡胶放入烘箱在100℃下干燥24小时以除去水分，随后经双螺杆挤出机进行熔融共混，从进料口至出料口的8段螺杆温度依次为180-190-200-210-210-210-210-210℃，螺杆转速为50 rpm，挤出时间为30 min；再经高速切削造粒机在切削速度4000 rpm条件下制成颗粒状，得到改性超高分子量聚乙烯。改性超高分子量聚乙烯的熔体质量流动速率为0.5 g/10 min。

（2）高分子滑移材料的制备：将680.8 g改性超高分子量聚乙烯、220.3 g芳纶纤维和40.0 g纳米硅灰石粉体经机械搅拌器混合30分钟得到以超高分子聚乙烯为基体的混合粉体；将上述粉体在85℃下干燥24小时脱去水分；在不锈钢模具中将混合粉体铺展均匀后，放入100吨热压机中烧结，升温速率为1℃/min，烧结温度为210℃，烧结压力为10 MPa。原料升温至210℃后在该温度下保温100 min，自然冷却至80℃脱去模具，获得尺寸为直径350mm，厚度8 mm的高分子滑移滑板。

（3）高分子滑移材料的性能测试：所制备滑移材料在不同滑移速度下的平均动摩擦系数为0.030，摩擦系数波动为5%。初始静摩擦系数为0.051，初始动摩擦系数为0.032。所制备滑移材料拉伸强度为35MPa，断裂伸长率为400%；压缩强度为32 MPa；最大承载载荷为225MPa。

上述各实施例中，增强纤维（玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维）的平均直径为7 μm，长径比为4~8。摩擦系数改进剂（硅灰石、纳米二氧化硅或纳米氧化铜）的平均粒径为30 nm。

Claims

1.一种桥梁支座用高分子滑移材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）超高分子量聚乙烯的改性：将超高分子量聚乙烯与改性剂放入烘箱中干燥除去水分后，经熔融挤出、造粒，即得改性超高分子量聚乙烯；超高分子量聚乙烯与改性剂以质量百分数70~80%、20~30%进行配比；改性剂采用聚甲醛、聚氨酯、丙烯腈-丁二烯橡胶中的一种；

（2）高分子滑移材料的制备：将改性超高分子量聚乙烯树脂与增强纤维、摩擦系数改进剂充分混合，除去水分后均匀铺展于钢模具中，然后置于高温烧结炉中，在压力8~15MPa，温度200~220℃下保持80~120分钟；烧结完毕后冷却至80℃以下，脱模，即得高分子滑移材料；增强纤维为玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维中的一种，其平均直径为7 μm，长径比为4~8，增强纤维在高分子滑移材料中的质量分数为5~30%；摩擦系数改进剂是硅灰石、二氧化硅或氧化铜中的一种，摩擦系数改进剂为纳米尺度，平均粒径为30 nm，摩擦系数改进剂在高分子滑移材料中的质量分数为1~5%。

2.如权利要求1所述一种桥梁支座用高分子滑移材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述超高分子量聚乙烯基体的分子量为9.2×10⁶ g/mol。

3.如权利要求1所述一种桥梁支座用高分子滑移材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述熔融挤出利用双螺杆挤出机进行，挤出温度为200~220℃，螺杆转速为50~100rpm，挤出时间为30~45min。

4.如权利要求1所述一种桥梁支座用高分子滑移材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，改性超高分子量聚乙烯树脂的造粒采用高速切削造粒机制成颗粒状，造粒机切削速度为3000~5000 rpm。