CN112376031B - 低温电子束激发等离子体注入碳纳米团簇制备低摩擦高耐磨硅橡胶表面的方法 - Google Patents

低温电子束激发等离子体注入碳纳米团簇制备低摩擦高耐磨硅橡胶表面的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低摩擦高耐磨硅橡胶表面低温电子束激发等离子体注入碳纳米团簇的方法，是以乙炔烃类气体乙炔或甲烷作为碳源，氩气作为稀释气体，采用高温热丝电子源提供气体所需的离化能量，通过电子束注入离化乙炔或甲烷；离子注入过程将碳离子注入硅橡胶的亚表层，形成碳纳米团簇。摩擦性能测试结果表明，改性后硅橡胶表面的摩擦系数从0.7降低至0.25~0.43左右；摩擦结束后，硅橡胶表面几乎看不到磨损痕迹，说明具有低摩擦、高耐磨性能，机械部件的密封需求提供保障。

Description

低温电子束激发等离子体注入碳纳米团簇制备低摩擦高耐磨 硅橡胶表面的方法
技术领域
本发明涉及一种尤其涉及一种低温电子束激发等离子体注入碳纳米团簇低摩擦高耐磨硅橡胶表面的方法，属于机械设备的密封部件技术领域。
背景技术
机械设备的密封部件主要是防止流体泄漏和污染物进入机械。橡胶具有良好的弹性、绝缘性、耐油等性质使其能够可靠地用作密封材料。但密封件在恶劣的工况条件下可能发生失效，导致流体泄漏或污染物侵入机械设备中。例如，密封界面的温度升高导致密封件热降解，化学降解等不同机制加速密封失效。
硅橡胶是指主链由硅和氧原子交替构成，硅原子上通常连有两个有机基团的橡胶。具有良好的耐热，耐低温性能，常被用于作为密封部件。但是，密封橡胶的摩擦磨损是其失效的关键原因之一，因此改善其摩擦性能是实现其长寿命高可靠服役的关键。
目前已由相关研究对其进行改性，如ZL 201510396542.X提供了 一种低摩擦氟橡胶材料，主要采用了双酚或过氧化物硫化体系提高其耐磨性能； ZL 200480010574.1提供了一种低摩擦氟橡胶交联产品的制造方法， CN 201811061049.2提供了一种高耐磨低摩擦系数的热塑性硫化橡胶组合物及其制备方法。上述方法从一定程度上解决了橡胶表面的耐磨和低摩擦问题。但是，上述方法仍然存在局限性，主要依赖于橡胶制备过程中的混料改性等，难以在多种橡胶材质和不同橡胶体系里得到应用。比如硅橡胶，低摩擦高耐磨性能的硅橡胶是工业应用的需求之一，目前仍然存在摩擦系数高，耐磨性能差的问题。
发明内容
本发明的目的是针对机械设备的密封材料橡胶摩擦磨损导致失效的问题，提供一种低温电子束激发等离子体注入碳纳米团簇制备低摩擦高耐磨硅橡胶表面的方法。
一、低摩擦高耐磨硅橡胶表面的制备
本发明低温电子束激发等离子体注入碳纳米团簇制备低摩擦高耐磨硅橡胶表面的方法，是采用低温电子束激发等离子体技术，以烃类气体甲烷（CH4）或乙炔（C2H2）作为碳源，惰性气体氩气（Ar）作为稀释气体，利用电子束在硅橡胶亚表面层注入碳离子，形成碳纳米团簇，获得低摩擦高耐磨硅橡胶。低温电子束等离子体技术选择灯丝电源，采用直流低温电子束。具体制备工艺如下：
（1）将硅橡胶在50~70℃的去离子水中超声清洗15~20min，重复2~4次，去除硅橡胶表面的污染物；再放入沸腾的去离子水中清洗，去除表面残留的肥皂和石蜡；然后放入烘箱，在80~95℃条件下烘干，冷却至室温；
（2）将完成清洗的硅橡胶放入真空腔体中，抽真空至1×10-5 Pa；
（3）向真空腔体通入烃类气体（CH4或C2H2）和氩气，控制氩气与烃类气体的流量比为2:1~10:1，保持气压2.0 Pa；
（4）打开灯丝电源及栅极电压，调整电流至10~30 A，调整加速电压至+15~+20 kV；电子束离子注入即开始，注入时间10~40 min；待腔体冷却后取出，即表面改性的硅橡胶。
通过上述方法获得的表面改性表面硅橡胶的结构见图1。
二、低摩擦高耐磨硅橡胶表面的摩擦性能
测试方法：在摩擦试验机上检测表面离子注入处理后的硅橡胶，选择直径为ø6 mm的GCr15钢球作为对偶球。具体参数如下：摩擦载荷为3 N，线速度为90 mm/s，旋转半径为5mm，湿度30%，测试时间为60 min。
测试结果：硅橡胶表面的摩擦系数从0.7降低至0.25~0.43左右；摩擦结束后，硅橡胶表面几乎看不到磨损痕迹，说明具有低摩擦、高耐磨性能。
综上所述，本发明乙炔烃类气体乙炔或甲烷作为碳源，氩气作为稀释气体，采用高温热丝电子源提供气体所需的离化能量，通过电子束注入离化乙炔或甲烷；离子注入过程将碳离子注入硅橡胶的亚表层，形成碳纳米团簇，使提高硅橡胶表面耐磨性能的同时降低摩擦系数，为机械部件的密封需求提供保障。
附图说明
图1为本发明制备的低摩擦高耐磨硅橡胶表面的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明低温电子束激发等离子体注入碳纳米团簇制备低摩擦高耐磨硅橡胶表面的方法的及性能作进一步说明。
实施例1
（1）将硅橡胶放入70℃的去离子水中超声清洗20 min，重复3次，去除硅橡胶表面的污染物；再将初步超声清洗后的样品放入沸腾的去离子水中清洗，去除表面残留的肥皂和石蜡；将清洗完成的硅橡胶放入烘箱，95℃条件下烘干10 min；
（2）将完成清洗的硅橡胶冷却至室温后放入真空腔体中，抽真空至1×10-5 Pa；
（3）向真空腔体通入烃类气体CH4，控制Ar:CH4的流量比为2:1，保持气压2.0 Pa；
（4）打开灯丝电源及栅极电压，调整电流至30 A，调整加速电压至+20 kV，电子束离子注入即开始，注入时间40 min，待腔体冷却后取出，即得表面改性的硅橡胶；
（5）在摩擦试验机上检测表面改性硅橡胶的摩擦性能。选择直径为ø6 mm 的GCr15钢球作为对偶球。具体参数如下：摩擦载荷为3 N，线速度为90 mm/s，旋转半径为5mm，湿度30 %，测试时间为60 min，摩擦系数为0.43。
实施例2
（1）将硅橡胶放入70℃的去离子水中超声清洗20 min，重复3次，去除硅橡胶表面的污染物；再将初步超声清洗后的样品放入沸腾的去离子水中清洗，去除表面残留的肥皂和石蜡；将清洗完成的硅橡胶放入烘箱，95℃条件下烘干10 min；
（2）将完成清洗的硅橡胶冷却至室温后放入真空腔体中，抽真空至1×10-5 Pa；
（3）向真空腔体通入烃类气体C2H2，控制Ar:C2H2流量比为10:1，保持气压2.0 Pa；
（4）打开灯丝电源及栅极电压，调整电流至10 A，调整加速电压至+15 kV；电子束离子注入即开始，注入时间10 min，待腔体冷却后取出，即得表面改性的硅橡胶；
（5）在摩擦试验机上检测表面改性处理硅橡胶的摩擦性能。选择直径为ø6 mm 的GCr15钢球作为对偶球。具体参数如下：摩擦载荷为15 N，线速度为90 mm/s，旋转半径为5mm，湿度30 %，测试时间为60 min，摩擦系数为0.36。
实施例3
（1）将硅橡胶放入70℃的去离子水中超声清洗20 min，重复3次，去除硅橡胶表面的污染物；再将初步超声清洗后的样品放入沸腾的去离子水中清洗，去除表面残留的肥皂和石蜡；将清洗完成的硅橡胶放入烘箱，95℃条件下烘干10 min；
（2）将完成清洗的硅橡胶冷却至室温后放入真空腔体中，抽真空至1×10-5 Pa；
（3）向真空腔体通入烃类气体C2H2，控制Ar:C2H2流量比为4:1，保持气压2.0 Pa；
（4）打开灯丝电源及栅极电压，调整电流至10 A，调整电加速压至+17 kV；电子束离子注入即开始，注入时间30min。待腔体冷却后取出，即得表面改性的硅橡胶；
（5）在摩擦试验机上检测表面改性处理硅橡胶的摩擦性能：选择直径为ø6 mm 的GCr15钢球作为对偶球。具体参数如下：摩擦载荷为3 N，线速度为90 mm/s，旋转半径为5mm，湿度30 %，测试时间为60 min，摩擦系数为0.28。
实施例4
（1）将硅橡胶放入70℃的去离子水中超声清洗20 min，重复3次，去除硅橡胶表面的污染物；再将初步超声清洗后的样品放入沸腾的去离子水中清洗，去除表面残留的肥皂和石蜡；将清洗完成的硅橡胶放入烘箱，95 ℃条件下烘干10 min；
（2）将完成清洗的硅橡胶冷却至室温后放入真空腔体中，抽真空至1×10-5 Pa；
（3）向真空腔体通入烃类气体CH4，控制Ar:CH4流量比为8:1，保持气压2.0 Pa；
（4）打开灯丝电源及栅极电压，调整电流至20 A，调整加速电压至+15 kV；电子束离子注入即开始，注入时间20 min。待腔体冷却后取出，即得表面改性的硅橡胶；
（5）在摩擦试验机上检测表面改性处理硅橡胶的摩擦性能。选择直径为ø6 mm 的GCr15钢球作为对偶球。具体参数如下：摩擦载荷为3 N，线速度为90 mm/s，旋转半径为5mm，湿度30 %，测试时间为60 min，摩擦系数为0.42。

Claims (1)

1.低温电子束激发等离子体注入碳纳米团簇制备低摩擦高耐磨硅橡胶表面的方法，以烃类气体作为碳源，氩气作为稀释气体，采用高温热丝电子源提供气体所需的离化能量，通过电子束注入离化烃类气体，在硅橡胶的亚表层形成碳纳米团簇，获得低摩擦高耐磨硅橡胶表面；具体工艺如下：
（1）将硅橡胶在50~70 ℃的去离子水中超声清洗15~20 min，重复2~4次，去除硅橡胶表面的污染物；再放入沸腾的去离子水中清洗，去除表面残留的肥皂和石蜡；然后放入烘箱，在80~95℃条件下烘干，冷却至室温；
（2）将完成清洗的硅橡胶放入真空腔体中，抽真空至1×10-5 Pa；
（3）向真空腔体通入烃类气体和氩气，控制氩气与烃类气体的流量比为2:1~10:1，保持气压2.0 Pa；所述烃类气体为甲烷或乙炔；
（4）打开灯丝电源及栅极电压，调整电流至10~30 A，调整加速电压至+15~+20 kV；电子束离子注入即开始，注入时间10~40 min；待腔体冷却后取出，即表面改性的硅橡胶。
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