CN112094499A - 一种高导热低摩擦系数pps/bn复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高导热低摩擦系数聚苯硫醚/氮化硼（PPS/BN）复合材料及其制备方法。该方法在无水乙醇的辅助下，短时间内将BN微片紧密且均匀地包覆在PPS颗粒表面，然后在320~330°C、200~1200 MPa下热压成型，在材料内部构建出BN微片定向分布在PPS颗粒间的隔离网络结构，从而构筑出BN三维导热网络结构。另外，基于PPS与BN自身的润滑特性及PPS与BN较好的界面相互作用，PPS/BN复合材料最终同时表现出优异的导热和摩擦性能。

Description

一种高导热低摩擦系数PPS/BN复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种聚苯硫醚复合材料及其制备方法，具体涉及一种具有高导热，低摩擦系数的聚苯硫醚/氮化硼复合材料及其制备方法，属于多功能复合材料制备领域。
背景技术
聚苯硫醚（PPS）是一种综合性能十分优异的特种工程塑料，具有良好的高温稳定性、自润滑性、摩擦性能和耐腐蚀性能，因而广泛应用于军工、航天、汽车工业、电子电气等众多领域。其摩擦系数在0.35~0.5之间，不足以满足严苛摩擦条件下的应用要求。因此，为了降低摩擦系数，大多数研究者在PPS基体中加入固体润滑类物质，如：石墨、聚四氟乙烯、MoS2、陶瓷颗粒等。
摩擦元器件，如齿轮、轴承等在工作过程中承受较大的摩擦力时，还会产生大量热量。如果热量无法及时传导，会加剧器件的疲劳磨损，最终降低器件寿命。为提高PPS导热性能，一般是向基体中引入高导热填料，如：氮化硼（BN）、碳纤维（CF）、石墨烯（GNP）等。Deng等人将GNP作为改性填料与PPS熔融共混制备了PPS/GNP复合材料。当温度为30°C，GNP添加量为30 wt%时，PPS/GNP复合材料的导热系数达到1.156 W/（m·K），约为纯PPS［0.219 W/（m·K）］的5倍。(Deng, S., et al. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2014.118(1): p. 197-203.)。Kim等使用环氧粘附层将导热BN填料包覆在PPS颗粒表面，然后热压，转变成复合膜。当添加18 wt%的BN，PPS的导热系数从0.28 W/( m·K)提高到1.32 W/(m· K)。(Kim, K. and J. Kim. Composites Science and Technology, 2016. 134: p.209-216.)。由于环氧层的存在，界面热阻增大，即使在BN填料含量较高时导热系数依然不太理想。据报道，三维BN导热网络结构的有效构筑可大幅度提高聚合物的导热性能。
目前，研究者对于耐磨PPS与高导热PPS复合材料都开展了一系列工作，但兼具高导热、低摩擦系数的PPS复合材料的报道较少。中国专利CN104212170A公开了“一种高导热耐磨聚苯硫醚复合材料及其制备方法”。该专利采用挤出共混与注塑成型制备了导热填料为碳纳米管(CNT)和碳纤维(CF)的PPS复合材料。该复合材料中由于添加了较多的填料，耐磨性能不足；同时，高含量的CNT易发生团聚，会导致样品性能的不均一。
发明内容
本发明的目的是提供一种高导热低摩擦系数PPS/BN复合材料及其制备方法。利用简单独特的共混方式将PPS颗粒与BN微片均匀混合，准确控制BN的添加量，然后采用特定压制工艺在PPS基体中构筑三维BN导热网络，最终获得高导热低摩擦系数PPS/BN复合材料。
具体实施方法为：一种高导热低摩擦系数PPS/BN复合材料及其制备方法，复合材料包含PPS和BN两种组分，各组份的质量份数为PPS 70~85份，BN 15~30份；制备方法是在无水乙醇的辅助下，短时间内将BN微片紧密且均匀地包覆在PPS颗粒表面，然后在320~330°C、200~1200 MPa下热压成型，从而在材料内部构建出BN微片定向分布在PPS颗粒间的隔离网络结构，构筑出BN三维导热网络结构。
本发明通过加入BN微片，作为导热填料和固体润滑剂，可以用于同时提升PPS导热和摩擦性能。在无水乙醇的辅助作用下包覆于PPS表面，构筑了三维导热的隔离网络结构。在较低的填料含量下实现复合材料的高热导率和低摩擦系数。
本发明所述的PPS/BN复合材料及其制备方法，作为基体的PPS是经破碎筛分后平均粒径为1.39 mm的PPS粒料，BN是平均尺寸为30 μm的BN微片。
更具体的制备方法包括如下步骤：
（1）PPS颗粒与BN的混合：常温下，在容器中加入定量的PPS颗粒和20 wt%的无水乙醇，仅将PPS颗粒表面润湿即可，再将BN分批次加入，每次加料充分搅拌，直至表面均匀地覆盖有一层BN，容器内壁无BN挂壁；混合料需即混即用；
（2）热压法制备PPS /BN复合材料：对步骤（1）混合好的颗粒进行热压，热压工艺条件为：320~330°C下，施加200~1200 MPa压力，保温保压15-20 min，然后风冷降温至200~220°C，卸去压力，继续风冷至室温。
本发明所述的PPS/BN复合材料制备方法中，无水乙醇为辅助作用，将BN微片粘附在PPS表面以形成隔离结构。
本发明所述的PPS/BN复合材料及其制备方法中，更优选组份质量份数为PPS 70份，BN 30份，高压成型压力控制在200~800 MPa。
采用乙醇将BN微片均匀地包覆在PPS颗粒表面，获得PPS/BN复合颗粒，然后热压成型，构建BN三维导热网络结构。在较低的BN含量（质量份数为15-30份）下就可以获得较高的热导率。另外，BN作为润滑剂，摩擦时会快速在制件表面形成转移膜，大幅降低摩擦系数，提高耐磨性。当BN含量为30份时，复合材料的热导率可高达4.794 W/(m·K)，相比纯PPS提升了20倍，其摩擦系数也低至0.18。实验过程中无需使用有毒溶剂，材料制备更加环保，工艺也更简单。
另外，本发明还具有以下优点：
1）本专利组分简单，所选原料均为商业化产品。在较低BN添加量时复合材料热导率获得十分显著的提升，同时摩擦系数也大幅降低。
2）本专利所需设备简单，所用模具可依照实际需要进行设计且成本较低。
3）本专利容易实施，设备维护和清理简单，对环境条件也没有苛刻的要求。
4）本专利对环境友好，所用原料均不涉及化学预处理，且不存溶剂的挥发问题。
附图说明
图1为对比例1（a，c）及实施例7（b，d）样品的表面和截面SEM图。
图2 a和b分别为对比例1及实施例7样品表面摩擦后超景深显微图；c为实施例7的光学显微照片，可以看到清晰的隔离三维导热网络。
图3为在不同压力下不同含量BN的PPS/BN复合材料导热系数。
图4为在不同压力下不同含量BN的PPS/BN复合材料摩擦系数。
具体实施例
下面给出的实施例是对本发明的具体描述，有必要指出的是以下实施例只用于对本发明作进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出的非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。
实施例1～12：
（1）PPS颗粒与BN的混合：常温下，在容器中加入定量的平均粒径为1.39 mm的PPS颗粒（PPS-hb，四川得阳特种新材料有限公司）和20 wt%的无水乙醇（AR，广东光华科技股份有限公司），仅将PPS颗粒表面润湿即可，按照BN（BBN-30，雅安百图高新材料股份有限公司产品）与PPS基体质量比为15:85、30:70，加入平均尺寸为30 μm的BN微片得到不同比例的PPS/BN复合材料。此过程需将称量好的BN分批次加入，每次加料充分搅拌，直至表面均匀地覆盖有一层BN，容器内壁无BN挂壁，混合料需即混即用。
（2）热压法制备PPS /BN复合材料：对步骤（1）中混合好的颗粒进行热压，热压工艺条件为：通过加热套将模具从室温升温至320~330°C后，分别加压至200、400、600、800、1000、1200 MPa，保温保压15-20 min，然后风冷降温至200~220°C后卸去压力，继续风冷至室温，开模得到制品。
对比例1～6：
将粒径为1.39 mm的PPS颗粒加入模腔，通过加热套将模具从室温升温至320~330°C，分别加压至200、400、600、800、1000、1200 MPa，保温保压15-20 min，然后风冷降温至200~220°C，卸去压力，继续风冷至室温，得到不含BN的纯样。
表1 实施例1～12和对比例1～6配方表：
Figure 332150DEST_PATH_IMAGE001
表二 不同PPS/BN复合材料的热导率、摩擦系数统计表
Figure DEST_PATH_IMAGE002
用Hot Disk热常数分析仪在室温下测定了本发明样品的热导率。测试结果表明，当成型压力为200 MPa，BN含量为30wt%时，热导率高达4.794 W/(m·K)（实施例12），相比纯PPS(0.24 W/(m·K))提升了20倍。先将BN包覆在PPS颗粒表面，再进行热压，可在PPS基体中形成BN的导热网络，最大限度的发挥填料对导热的增强效果。
利用HT-1000型销-盘式高温摩擦磨损试验机（负载670 g，转速为1000 r/min）测试了本发明中所有样品的摩擦系数。当压力为200 MPa，BN含量为30 wt%时，摩擦系数低至0.18（实施例12），相比纯样（0.42）降低了57%，摩擦性能得到巨大的改善。较高的成型压力使得BN微片平铺在复合材料表面，使得样品的自润滑能力大大提升，极大地降低了材料的摩擦系数。

Claims (5)

1.一种高导热低摩擦系数PPS/BN复合材料及其制备方法，其特征在于：复合材料包含PPS和BN两种组分，各组份的质量份数为PPS 70~85份，BN 15~30份；制备方法是在无水乙醇的辅助下，短时间内将BN微片紧密且均匀地包覆在PPS颗粒表面，然后在320~330°C、200~1200 MPa下热压成型，从而在材料内部构建出BN微片定向分布在PPS颗粒间的隔离网络结构，构筑出BN三维导热网络结构。
2.根据权利要求1所述的一种高导热低摩擦系数PPS/BN复合材料及其制备方法，其特征在于作为基体的PPS是经破碎筛分后平均粒径为1.39 mm的PPS粒料，BN是平均尺寸为30μm的BN微片。
3.根据权利要求1所述的一种高导热低摩擦系数PPS/BN复合材料及其制备方法，其特征在于制备方法包括如下步骤：
PPS颗粒与BN的混合：常温下，在容器中加入定量的PPS颗粒和20 wt%的无水乙醇，仅将PPS颗粒表面润湿即可，再将BN分批次加入，每次加料充分搅拌，直至表面均匀地覆盖有一层BN，容器内壁无BN挂壁；混合料需即混即用；
热压法制备PPS /BN复合材料：对步骤（1）混合好的颗粒进行热压，热压工艺条件为：320~330°C下，施加200~1200 MPa压力，保温保压15-20 min，然后风冷降温至200~220°C，卸去压力，继续风冷至室温。
4.根据权利要求3所述的一种高导热低摩擦系数PPS/BN复合材料及其制备方法，其特征在于无水乙醇为辅助作用，将BN微片粘附在PPS表面以形成隔离结构。
5.根据权利要求3所述的一种高导热低摩擦系数PPS/BN复合材料及其制备方法，其特征在于组份质量份数为PPS 70份，BN 30份，高压成型压力控制在200~800 MPa。
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