CN112376032A - 金属离子注入制备低摩擦丁腈橡胶表面的方法 - Google Patents

金属离子注入制备低摩擦丁腈橡胶表面的方法 Download PDF

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张俊彦
贾倩
张斌
杨生荣
高凯雄
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    • C08J2309/02—Copolymers with acrylonitrile

Abstract

本发明提供了一种金属离子注入制备低摩擦丁腈橡胶表面的方法，是采用Mevva‑V.Ru真空电弧离子源，在丁腈橡胶表面进行了金属离子（Mg、Al、Fe）注入处理，获得具有低摩擦性能的丁腈橡胶表面。改性后丁腈橡胶表面摩擦系数从0.8降低到0.2左右。本发明采用独特的真空电弧离子源，在丁腈橡胶表面注入金属离子，获得具有低摩擦性能的表面改性丁腈橡胶，可作为密封部件防止流体泄漏和污染物进入机械设备。

Description

金属离子注入制备低摩擦丁腈橡胶表面的方法
技术领域
本发明涉及一种表面改性降低丁腈橡胶摩擦系数的方法，尤其涉及一种金属离子注入制备低摩擦丁腈橡胶表面的方法，属于聚合物表面改性领域。
背景技术
丁腈橡胶是由丁二烯和丙烯腈经乳液聚合法制得的，具有极好的耐油性，较高的耐磨性，较好的耐热性，较强的粘接力，以及良好的耐水性和气密性，被广泛用于汽车工业和航天领域。在许多情况下，丁腈橡胶作为密封件以防止润滑剂的泄漏和污染物进入工作腔。然而，橡胶动密封件遭受高摩擦并引起严重的磨损，最终导致密封失效。因此，对其进行简单处理获得具有优异摩擦学性能的产品是提高可靠性服役的关键。
表面改性和组分改性是目前常用的降低摩擦和提高耐磨寿命的手段。专利ZL201410363636.2 提供了一种自润滑耐磨丁腈橡胶的制备方法，包括如下步骤：（1）在丁腈橡胶混炼过程中，加入橡胶基础配方2~6wt%的减磨填料，混炼25~30min后，再在150℃下硫化10min，得到橡胶半成品；（2）在橡胶半成品的表面喷涂、固化固体润滑涂层材料，以降低摩擦系数，减少磨损，延长橡胶使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属离子注入改性制备低摩擦丁腈橡胶表面的方法。
一、金属离子注入制备低摩擦丁腈橡胶表面
本发明金属离子注入制备低摩擦丁腈橡胶表面的方法，是采用Mevva-V.Ru真空电弧离子源，在丁腈橡胶表面进行了金属离子（Mg、Al、Fe）注入处理，获得具有低摩擦性能的丁腈橡胶表面。具体表面金属离子注入处理如下：
（1）将丁腈橡胶在40~60℃的肥皂去离子水中超声清洗去除表面污染物；重复3~5次，每次清洗5~10 min；再于沸腾的去离子水中冲洗，去除表面肥皂及石蜡残留；然后放入烘箱，于40~60 ℃烘干15~20 min，取出后冷却至室温备用；
（2）将上述清洁处理的丁腈橡胶放入真空腔体中，抽真空至1×10-6 Pa；真空腔中预先安置了Mg、Al、Fe靶材作为离子注入材料；
（3）打开电弧电源，调节电流20~50 A，占空比57.5%，产生束电流密度为0.25~0.5 A/100cm2·s；
（4）调节并控制加速电压-20 kV，以Mg、Al、Fe为靶材作为离子注入材料；采用真空电弧离子源注入金属离子100~280 s；待腔体冷却后取出，即得低摩擦丁腈橡胶。
上述真空电弧离子源采用Mevva-V.Ru真空电弧离子源。电弧电源采用直流脉冲弧电源。
通过上述对丁腈橡胶表面注入金属离子获得的低摩擦丁腈橡胶结构见图1。
二、表面金属离子注入方法表面改性后的丁腈橡胶性能
测试方法：在摩擦试验机上检测金属离子注入后丁腈橡胶的摩擦性能。选择直径为ø4mm 的GCr15钢球作为对偶球。具体参数如下：摩擦载荷为5N，线速度为75 mm/s，旋转半径为4mm，湿度25 %，测试时间为90min。
测试结果：丁腈橡胶的摩擦系数从0.6降低至0.2左右，说明表面注入金属离子后的丁腈橡胶具有低摩擦高耐磨性能。
本发明金属离子注入丁腈橡胶表面，增加了橡胶表面的致密性，同时提高了交联程度，降低了橡胶表面能，降低了摩擦系数。因此，本发明的优势在于：不需要对橡胶本体进行改变，可以根据不同需求在橡胶表面选择注入不同的金属离子，并通过控制工艺时间实现对丁腈橡胶表面耐磨性的处理。
附图说明
图1为本发明表面金属离子注入方法制备的低摩擦丁腈橡胶结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明表面金属离子注入制备低摩擦丁腈橡胶的方法及表面改性处理后橡胶的性能作进一步说明。
实施例1
（1）将丁腈橡胶在60℃的肥皂去离子水中超声清洗，去除表面污染物，每次清洗10min，重复5次；再于100℃沸腾去离子水中冲洗，去除表面肥皂及石蜡残留；清洗结束后将丁腈橡胶放入烘箱，于60℃烘干20 min，取出后冷却至室温备用；
（2）将上述已清洁丁腈橡胶放入真空腔体中，抽真空至1×10-6 Pa（真空腔中预先安置了Mg靶作为离子注入材料）；
（3）打开电弧电源，调节电流50 A，占空比为57.5%，产生的束电流密度为0.5 A/100cm2·s；
（4）调节并控制加速电压-20 kV；采用Mevva-5·Ru真空电弧离子源注入金属离子Mg，时间为100 s；待腔体冷却后取出，即得低摩擦丁腈橡胶；
（5）在摩擦试验机上检测金属离子注入后丁腈橡胶的摩擦系数：选择直径为ø4 mm 的GCr15钢球作为对偶球。具体参数如下：摩擦载荷为5 N，线速度为75 mm/s，旋转半径为4mm，湿度25 %，测试时间为90 min，摩擦系数为0.27。
实施例2
（1）将丁腈橡胶在60℃的肥皂去离子水中超声清洗，去除表面污染物，每次清洗10min，重复5次；再于100℃沸腾去离子水中冲洗，去除表面肥皂及石蜡残留；清洗结束后将丁腈橡胶放入烘箱，于60 ℃烘干20 min，取出后冷却至室温备用；
（2）将上述已清洁丁腈橡胶放入真空腔体中，抽真空至1×10-6 Pa（真空腔中预先安置了Al靶作为离子注入材料）；
（3）打开电弧电源，调节电流20 A，占空比为57.5%，产生的束电流密度为0.25 A/100cm2·s；
（4）调节并控制加速电压-20 kV；采用Mevva-5·Ru真空电弧离子源注入金属离子Al，时间为280s，待腔体冷却后取出，即得低摩擦丁腈橡胶；
（5）在摩擦试验机上检测金属离子注入后丁腈橡胶的摩擦系数：选择直径为ø4 mm 的GCr15钢球作为对偶球。具体参数如下：摩擦载荷为5N，线速度为75 mm/s，旋转半径为4mm，湿度25 %，测试时间为90min，摩擦系数为0.20。
实施例3
（1）将丁腈橡胶在60℃的肥皂去离子水中超声清洗，去除表面污染物，每次清洗10min，重复5次；再于100℃沸腾去离子水中冲洗，去除表面肥皂及石蜡残留；清洗结束后将丁腈橡胶放入烘箱，于60 ℃烘干20 min，取出后冷却至室温备用；
（2）将上述已清洁丁腈橡胶放入真空腔体中，抽真空至1×10-6 Pa（真空腔中预先安置了Fe靶作为离子注入材料）；
（3）打开电弧，调节电流35 A，占空比为57.5%，产生的束电流密度为0.35 A/100 cm2·s；
（4）调节并控制加速电压-20 kV；采用Mevva-5·Ru真空电弧离子源注入金属离子Fe，时间为210 s，待腔体冷却后取出，即得低摩擦丁腈橡胶；
（5）在摩擦试验机上检测金属离子注入后丁腈橡胶的摩擦系数：选择直径为ø4 mm 的GCr15钢球作为对偶球。具体参数如下：摩擦载荷为5 N，线速度为75 mm/s，旋转半径为4mm，湿度25 %，测试时间为90 min，摩擦系数为0.36。

Claims (6)

1.金属离子注入制备低摩擦丁腈橡胶表面的方法，是采用Mevva-V.Ru真空电弧离子源，在丁腈橡胶表面注入金属离子，获得具有低摩擦性能的丁腈橡胶表面。
2.如权利要求1所述金属离子注入制备低摩擦丁腈橡胶表面的方法，包括以下工艺步骤：
（1）清洗丁腈橡胶去除表面污染物；
（2）将上述清洁处理的丁腈橡胶放入真空腔体中，抽真空至1×10-6 Pa；真空腔中预先安置了金属靶材作为金属离子注入材料；
（3）打开电弧电源，调节电流20~50 A，占空比57.5%，产生束电流密度为0.25~0.5 A/100cm2·s；
（4）调节并控制加速电压-20 kV，采用真空电弧离子源，在丁腈橡胶表面注入金属离子，注入时间为100~280 s；待腔体冷却后取出，即得低摩擦丁腈橡胶。
3.如权利要求2所述金属离子注入制备低摩擦丁腈橡胶表面的方法，其特征在于：清洗丁腈橡胶的工艺：将丁腈橡胶在40~60℃的肥皂去离子水中超声清洗去除表面污染物；重复3~5次，每次清洗5~10 min；再于沸腾的去离子水中冲洗，去除表面肥皂及石蜡残留；然后放入烘箱，于40~60 ℃烘干15~20 min，取出后冷却至室温备用。
4.如权利要求2所述金属离子注入制备低摩擦丁腈橡胶表面的方法，其特征在于：作为金属离子注入材料的金属靶材为Mg靶、Al靶或Fe靶。
5.如权利要求2所述金属离子注入制备低摩擦丁腈橡胶表面的方法，其特征在于：真空电弧离子源采用Mevva-V.Ru真空电弧离子源。
6.如权利要求2所述金属离子注入制备低摩擦丁腈橡胶表面的方法，其特征在于：电弧电源采用直流脉冲弧电源。
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