CN112500681A - 一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料，该材料是指将干燥后的质量分数为0.2~20%的纳米尺度凹凸棒石与质量分数为2~60%的微米尺度硬质颗粒同时添加到干燥后的质量分数为30~97%的高温聚合物基体中，搅拌混合或熔融共混至均匀后，经热压成型或注塑成型工艺制得。本发明高温聚合物多元复合材料成分与结构相对简单，在干摩擦条件下表现出极低的摩擦系数与磨损率；同时制备工艺简便，加工成本低、效率高，产品加工精度高。

Description

一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料

技术领域

本发明涉及自润滑材料技术及应用领域，尤其涉及一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料。

背景技术

自润滑材料是指在工作过程中无需外加润滑剂，靠自身即可提供持续润滑的一类功能材料。聚合物材料由于其自润滑特性、高的化学稳定性和减震降噪等特点，在汽车和工业装备等领域有广泛应用。随着装备技术的发展，越来越多的运动机构在更加严苛的工况下服役，如更高的载荷、速度和温度等，对机构的使用寿命和可靠性提出挑战。发展新型高性能聚合物自润滑材料，对于提高运动机构的使用寿命和可靠性具有重要意义。

研究表明，在摩擦过程中，聚合物自润滑材料与金属配副界面若形成具有高承载能力与易剪切特性的转移膜，可显著降低摩擦副的摩擦与磨损，提高材料的使用寿命[高分子材料科学与工程，2020，36，165-172]。然而，纯聚合物材料的耐磨和自润滑性能往往较差。常规的提高聚合物材料摩擦学性能的方式为添加固体润滑剂（如石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯等）和增强填料（如硬质颗粒与纤维等）[Wear，2010，268，893-899]

凹凸棒石是一种晶质水合镁铝硅酸盐矿物，具有层链状结构，是一种常用的吸附材料。前人的研究表明在聚合物基体中添加纳米尺度凹凸棒石可提高材料的力学性能[Composite Interfaces, 2019，27，73-85; Composites Part A: Applied Science andManufacturing，2009，40，1785-1791]。在聚丙烯基体中添加凹凸棒石，可在一定程度上提高基体材料的耐磨性能 [Macromolecular Materials and Engineering，2005，195，195-201]。迄今，鲜有关于凹凸棒石填充聚合物材料摩擦学性能的系统性报导。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种摩擦性能良好的协同增强高温聚合物多元纳米复合材料。

为解决上述问题，本发明所述的一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料，其特征在于：将干燥后的质量分数为0.2~20%的纳米尺度凹凸棒石与质量分数为2~60%的微米尺度硬质颗粒同时添加到干燥后的质量分数为30~97%的高温聚合物基体中，搅拌混合或熔融共混至均匀后，经热压成型或注塑成型工艺制得。

所述纳米尺度凹凸棒石的棒晶长为0.2~800μm，直径为5~800nm。

所述微米尺度硬质颗粒是指短切玻璃纤维、短切玄武岩纤维、短切芳纶纤维、短切碳纤维、碳化硅纤维、晶须、短切金属纤维和硬质陶瓷颗粒的一种或其混合物。

所述高温聚合物是指聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺和聚苯硫醚中的一种。

所述搅拌混合的条件是指转速为25000 r/min，时间为3 min。

所述熔融共混的条件是指双螺杆挤出机一区加热温度370～375℃，二区加热温度380～385℃，三区加热温度390～395℃，四区加热温度400～405℃，螺杆转速为350rpm。

所述热压成型的条件是指预热温度设置为400℃，热压保温温度为360℃，压力为5MPa，保温时间为1h，室温冷却，冷却压力为15MPa。

所述注射成型的条件是指注射模具温度为185℃，注射筒温度380℃，注射背压3MPa，注射压力170MPa。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明将纳米尺度凹凸棒石与微米尺度硬质颗粒同时添加并均匀分散到高温聚合物基体中，利用微米尺度硬质颗粒在摩擦界面高的闪温与应力，促使释放于摩擦界面的纳米凹凸棒石摩擦烧结成高承载和易剪切特性的转移膜，避免了摩擦配副的直接刮擦。

2、本发明中纳米凹凸棒石和微米硬质颗粒表现出显著的协同减摩抗磨作用。硬质颗粒具有高的弹性模量，在摩擦界面承担主要载荷，因此其在滑动界面上真实接触区域的应力和闪温高。在摩擦跑合阶段，释放于界面的凹凸棒石在高的应力和闪温条件下可与残余聚合物颗粒（部分聚合物颗粒发生热分解）混合、压实并最终摩擦烧结成膜。在摩擦稳定阶段，高性能转移膜的生成显著抑制摩擦副的直接接触，大幅降低材料的摩擦与磨损。

3、本发明多元复合材料在干摩擦条件下表现出极低的摩擦系数与磨损率。直接对比测试结果表明与纯高温聚合物基体材料相比，纳米凹凸棒石和微米硬质颗粒协同增强的多元复合材料耐磨性能可提高50倍。此外，与分别填充纳米凹凸棒石或微米硬质颗粒的复合材料相比，纳米凹凸棒石和微米硬质颗粒协同增强的多元复合材料的耐磨性能也大幅提高，摩擦系数大幅降低。

4、本发明多元自润滑纳米复合材料作为运动部件（滑动轴承、关节滑动轴承、滑块、止推垫圈和密封圈等），可大幅提高运动机构的可靠性和使用寿命，降低摩擦能耗，具有显著的节能减排意义。同时本发明所述高温聚合物多元复合材料可在200℃以上的严苛工况下长期使用，具有优异的自润滑性能，可减少或避免对运动机构的维护。

5、本发明高温聚合物多元复合材料成分与结构相对简单，不需要添加其它助剂，复合材料制备工艺简便，适合热压或注塑成型，便于批量化生产，可操作性强，加工成本低、效率高，产品加工精度高。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例1和对比例1、对比例2、对比例3中复合材料的摩擦系数曲线。

图2为本发明实施例1和对比例1、对比例2、对比例3中复合材料的特征磨损率。

具体实施方式

实施例1 一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料，该材料各组分含量如下：聚醚醚酮87%，纳米尺度凹凸棒石（棒晶长0.5μm，直径70nm）3%，短切碳纤维10%。

将纳米尺度凹凸棒石与短切碳纤维同时加入到聚醚醚酮基体中，在转速为25000r/min条件下机械混合3 min，使其均匀分散；将硫化机预热温度设置为400℃，加入分散均匀的聚合物粉体后，热压保温温度为360℃，压力为5MPa，保温时间为1h，室温冷却，冷却压力为15MPa，热压成型制得块体材料。

实施例2 一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料，各组分含量如下：聚醚醚酮69%、短切碳纤维30%、纳米尺度凹凸棒石（棒晶长0.8μm，直径20nm）1%。

首先，将纳米尺度凹凸棒石和短切碳纤维加入聚醚醚酮粉料进行机械混合。然后将上述机械混合均匀的粉料置于双螺杆挤出机中熔融混炼并挤出。将熔融挤出的粒料经注塑机注射成型。双螺杆挤出机一区加热温度370～375℃，二区加热温度380～385℃，三区加热温度390～395℃，四区加热温度400～405℃，螺杆转速为350rpm；注射机的注射模具温度为185℃，注射筒温度380℃，注射背压3MPa，注射压力170MPa。

实施例3 一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料，各组分含量如下：聚醚醚酮45%、短切碳纤维50%、纳米尺度凹凸棒石5%。纳米尺度凹凸棒石的规格同实施例1。

各组分粉体材料经机械搅拌混合后热压成型制得块体材料，加工参数同实施例1。

实施例4 一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料，各组分含量如下：聚醚醚酮粉体90%、短切碳纤维2%、纳米尺度凹凸棒石8%。纳米尺度凹凸棒石的规格同实施例1。

各组分粉体材料经机械搅拌混合后热压成型制得块体材料，加工参数同实施例1。

实施例5 一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料，各组分含量如下：聚醚醚酮粉体85%、短切碳纤维10%、纳米尺度凹凸棒石5%。纳米尺度凹凸棒石的规格同实施例1。

各组分粉体材料经机械搅拌混合后热注塑成型制得块体材料，加工参数同实施例2。

实施例6 一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料，各组分含量如下：聚醚醚酮粉体30%、短切碳纤维60%、纳米尺度凹凸棒石10%。纳米尺度凹凸棒石的规格同实施例1。

各组分粉体材料经机械搅拌混合后热压成型制得块体材料，加工参数同实施例1。

实施例7 一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料，各组分含量如下：聚醚醚酮粉体97%、短切碳纤维2.8%、纳米尺度凹凸棒石0.2%。纳米尺度凹凸棒石的规格同实施例1。

各组分粉体材料经机械搅拌混合后热压成型制得块体材料，加工参数同实施例1。

实施例8 一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料，各组分含量如下：聚醚醚酮粉体70%、短切碳纤维10%、纳米尺度凹凸棒石20%。纳米尺度凹凸棒石的规格同实施例1。

各组分粉体材料经机械搅拌混合后热注塑成型制得块体材料，加工参数同实施例2。

上述实施例1~8中，纳米尺度凹凸棒石的棒晶长为0.2~800μm，直径为5~800nm。各组分含量为质量百分数，单位为kg。

微米尺度硬质颗粒是指短切玻璃纤维、短切玄武岩纤维、短切芳纶纤维、短切碳纤维、碳化硅纤维、晶须、短切金属纤维和硬质陶瓷颗粒的一种或其混合物。

高温聚合物是指聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺和聚苯硫醚中的一种。

对比例1

纯聚醚醚酮材料：100%聚醚醚酮粉体材料经热压成型制得块体材料，热压加工参数同实施例1。

对比例2

微米硬质颗粒增强聚醚醚酮复合材料，各组分含量如下：聚醚醚酮90%、微米硬质颗粒10%。硬质颗粒规格同实施例1。聚醚醚酮粉体和硬质颗粒粉体材料经机械搅拌混合后热压成型制得块体材料，加工参数同实施例1。

对比例3

纳米凹凸棒石增强聚醚醚酮复合材料，各组分含量如下：聚醚醚酮97%、纳米凹凸棒石3%。聚醚醚酮粉体和纳米凹凸棒石粉体材料经机械搅拌混合后热压成型制得块体材料，加工参数同实施例1。

对比例4

纳米凹凸棒石增强聚醚醚酮复合材料，各组分含量如下：聚醚醚酮90%、纳米凹凸棒石10%。聚醚醚酮粉体和纳米凹凸棒石粉体材料经机械搅拌混合后热压成型制得块体材料，加工参数同实施例1。

将实施例1~5及对比例1~4所述材料制成板材，加工成4×4×12mm³的试样块，利用销-盘摩擦试验机考察各种材料的摩擦磨损性能，每次试验重复至少3次。

摩擦学测试条件为：对偶金属为GCr15轴承钢，初始表面粗糙度R_a=0.25μm，钢环内径25mm，外径42mm。试验载荷3MPa，滑动速度1m/s，摩擦磨损试验时间3h，干摩擦（无任何润滑介质）。

材料的摩擦系数通过扭矩传感器实时测量，并自动记录。材料的磨损率通过以下公式计算得到，结果见表1：

式中：∆m为实验前后材料的损失（g），ρ是材料的密度（g/cm³），F是施加在聚合物上的压力，L为摩擦试验过程中总的滑动距离（m）。

表1 实施例及对比例制备材料的平均摩擦系数和磨损率测定计算结果

Claims (8)

1.一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料，其特征在于：将干燥后的质量分数为0.2~20%的纳米尺度凹凸棒石与质量分数为2~60%的微米尺度硬质颗粒同时添加到干燥后的质量分数为30~97%的高温聚合物基体中，搅拌混合或熔融共混至均匀后，经热压成型或注塑成型工艺制得。

2.如权利要求1所述的一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料，其特征在于：所述纳米尺度凹凸棒石的棒晶长为0.2~800μm，直径为5~800nm。

3.如权利要求1所述的一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料，其特征在于：所述微米尺度硬质颗粒是指短切玻璃纤维、短切玄武岩纤维、短切芳纶纤维、短切碳纤维、碳化硅纤维、晶须、短切金属纤维和硬质陶瓷颗粒的一种或其混合物。

4.如权利要求1所述的一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料，其特征在于：所述高温聚合物是指聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺和聚苯硫醚中的一种。

5.如权利要求1所述的一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料，其特征在于：所述搅拌混合的条件是指转速为25000 r/min，时间为3 min。

6.如权利要求1所述的一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料，其特征在于：所述熔融共混的条件是指双螺杆挤出机一区加热温度370~375℃，二区加热温度380~385℃，三区加热温度390~395℃，四区加热温度400~405℃，螺杆转速为350rpm。

7.如权利要求1所述的一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料，其特征在于：所述热压成型的条件是指预热温度设置为400℃，热压保温温度为360℃，压力为5MPa，保温时间为1h，室温冷却，冷却压力为15MPa。

8.如权利要求1所述的一种协同增强高温聚合物多元纳米复合材料，其特征在于：所述注射成型的条件是指注射模具温度为185℃，注射筒温度380℃，注射背压3MPa，注射压力170MPa。

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