CN113045846A - 一种含纳米胶囊的聚合物自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种含纳米胶囊的聚合物基自润滑复合材料的制备方法。所述方法以聚合物为基体材料，以碳纳米管、镓基液态金属为改性材料，首先对碳纳米管进行提纯和开口处理，然后将镓基液态金属填充到碳纳米管内部，得到纳米胶囊；再将纳米胶囊均匀的分散在聚合物基体中，通过聚合物成型加工技术制成镓基液态金属/碳纳米管/聚合物复合材料。本发明具有工序简单、操作简便、成本低廉的优点。应用本发明制得的镓基液态金属/碳纳米管/聚合物复合材料具有自润滑性能、耐磨性能、力学性能、导热性能和耐高温性能优良的优点，在摩擦、磨损、润滑领域有较好的工程应用前景。

Description

一种含纳米胶囊的聚合物自润滑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种自润滑性能优良的含纳米胶囊的聚合物复合材料制备方法，特别是涉及一种镓基液态金属/碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法。
背景技术
世界上每年至少有三分之一的能量损失于相对运动中的摩擦，而磨损会造成机械设备的零件失效，与零件寿命和机械工作效率直接相关。鉴于摩擦磨损消耗的巨大成本，需要在摩擦界面引入润滑来减少摩擦副的摩擦磨损。在需要润滑的传统机械中，流体润滑和脂润滑占主导地位，然而随着科技的发展，迫切需要在极端条件下也能有效润滑的新材料、新技术。在航空、航天、医疗器械和精密仪器等领域，由于轻质性、免维护、低排放、高温、高真空等特殊要求，无法应用流体润滑和脂润滑，只能采用固体自润滑材料，自润滑材料的性能对自润滑零件的性能和寿命起着决定性的作用。因此，研制一种自润滑性能优良的新型自润滑复合材料，对高端回转零件和装备的研发有着重要的现实意义。
聚合物是一种常用的自润滑基体材料，具有摩擦系数低、耐腐蚀性好、吸震降噪、轻量性好、价格低、无毒的优点，在自润滑领域得到了广泛的研究和应用，聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯、聚酰亚胺、聚甲醛、聚酰胺等都是常用的自润滑聚合物基体材料。但目前聚合物自润滑材料具有服役工况PV值低、耐温性差的缺点，特别是摩擦界面温度接近聚合物的玻璃化温度或熔点时，聚合物的减摩耐磨性能和强度急剧下降，进而失效。镓基液态金属是一种熔点较低的液态合金，在室温时即为液态，具有黏度低、易剪切、无毒的优点，十分适用于高PV值工况的界面润滑；再者，镓基液态金属的蒸汽压极低、气化温度高，满足自润滑免维护的特殊要求。但由于镓基液态金属在常温下即为液态，无法也不必要直接对聚合物基体进行填充。若将镓基液态金属作为囊芯材料制备成纳米胶囊，进而复合至聚合物基体中，在高PV值时纳米胶囊和镓基液态金属会持续释放到摩擦界面，发挥润滑和界面散热作用，有效避免聚合物基体的润滑失效。
碳纳米管是一种理想的纳米胶囊囊壁材料，它具有管状一维纳米结构，其径向为纳米级尺寸，轴向为微米级尺寸。碳纳米管的强度高、模量高、长径比大，韧性、结构稳定性、轴向传热性能、自润滑性能优良，同时，碳纳米管的轻质性好，密度只有钢的1/6。碳纳米管本身就非常适合作为聚合物的纳米增强材料，它可以增强聚合物的强度、硬度、自润滑性能、力学性能、抗疲劳性能和导热性能。因而，若利用镓基液态金属填充碳纳米管制成纳米胶囊，并利用纳米胶囊对聚合物基体进行增强改性，制备一种自润滑性能、耐磨性能、力学性能、导热性能和耐高温性能优异的新型聚合物基复合材料，并将其应用到摩擦、磨损、润滑领域，将是促进高端回转零件和装备研发的重要举措。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种性能优良的含纳米胶囊聚合物基自润滑复合材料的制备方法。采用本发明制备的镓基液态金属/碳纳米管/聚合物复合材料的自润滑性能和耐磨性能优良，同时具有较好的力学性能、导热性能和耐高温性能。该发明还具有制备工艺简单、操作简便、制备成本低廉的优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种含纳米胶囊的聚合物自润滑复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)所用原料：
碳纳米管、浓硫酸、浓硝酸、无水乙醇，其中碳纳米管的直径和长度分别为1～100nm和5～50μm，浓硫酸的浓度为96％，浓硝酸的浓度为70％；
(2)碳纳米管的预处理：
首先在通风橱中将盛有40ml浓硝酸的烧杯置于冰水浴中，持续搅拌并将40～120ml浓硫酸沿着烧杯壁缓慢加入到浓硝酸中，加入过程需持续搅拌直至溶液混合均匀，得到混合均匀的浓硫酸/浓硝酸混合溶液；将碳纳米管放入无水乙醇中进行超声处理，超声结束后将碳纳米管放进烘箱中，在70～80℃烘干4～10h；然后将0.2～0.3g烘干的碳纳米管分散在浓硫酸/浓硝酸混合溶液中，然后在120～180℃回流2～6h，回流结束后用玻璃漏斗和滤纸过滤溶液，用去离子水充分冲洗滤出物直至pH＝7，将滤出物放入真空干燥箱中，在60～70℃干燥12～24h，即得到开口碳纳米管；
(3)纳米胶囊的制备：
将0.2～0.3g的开口碳纳米管放入试管中，再向试管中注入1.0～6.0g镓基液态金属，用细玻璃棒搅拌混合镓基液态金属和碳纳米管，然后将试管密封并抽真空，保持真空度<10-1Pa，在30～60℃对试管进行超声处理30～90min，超声结束后将试管置于30～60℃的水浴中静置8～16h，静置结束后将试管内部恢复至大气压，即得到镓基液态金属和碳纳米管的固液混合物；将镓基液态金属和碳纳米管的固液混合物放入离心机中，利用无水乙醇进行离心洗涤，待洗涤的无水乙醇中几乎不含液态金属时，从离心机中取出内部填充镓基液态金属的碳纳米管，在60～70℃烘干5～10h即得到纳米胶囊；
(4)制备含纳米胶囊的聚合物复合材料：
首先将纳米胶囊添加并均匀分散到聚合物粉体中，纳米胶囊与聚合物的质量比为0.1～25：75～99.9，再进行聚合物成型加工，即得含纳米胶囊的聚合物自润滑复合材料。
所述镓基液态金属包括：60℃以下时物质形态为液态的镓基合金。
所述聚合物包括：聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚氨脂、聚甲醛、聚芳醚酮、聚砜、聚苯硫醚、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚芳酰胺、聚氯乙烯、环氧树脂、丙烯酸酯、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶其中的一种或几种。
所述聚合物成型加工包括：挤出成型、注塑成型、模压成型、压延成型、层压成型、浇铸成型、发泡成型、L-S相转化成型其中的一种或几种。
本发明与现有技术相比具有如下优点：本专利技术具有制备工序简单、操作简便、成本低廉的优点。应用本专利技术制备的镓基液态金属/碳纳米管/聚合物复合材料的自润滑性能、耐磨性能、力学性能、导热性能和耐高温性能优良，可以保障机械回转机构的稳定连续运行，从而较好地推进高端回转零件和装备的研发。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
(1)所用原料：
碳纳米管、浓硫酸、浓硝酸、无水乙醇，其中浓硫酸的浓度为96％，浓硝酸的浓度为70％；
(2)碳纳米管的预处理：
首先在通风橱中将盛有40ml浓硝酸的烧杯置于冰水浴中，持续搅拌并将40ml浓硫酸沿着烧杯壁缓慢加入到浓硝酸中，加入过程需持续搅拌直至溶液混合均匀，得到混合均匀的浓硫酸/浓硝酸混合溶液；将碳纳米管放入无水乙醇中进行超声处理，超声结束后将碳纳米管放进烘箱中，在70℃烘干6h；然后将0.2g烘干的碳纳米管分散在浓硫酸/浓硝酸混合溶液中，然后在120℃回流2h，回流结束后用玻璃漏斗和滤纸过滤溶液，用去离子水充分冲洗滤出物直至pH＝7，将滤出物放入真空干燥箱中，在60℃干燥12h，即得到开口碳纳米管；
(3)纳米胶囊的制备：
将0.2g的开口碳纳米管放入试管中，再向试管中注入1.0g镓-铟液态金属，用细玻璃棒搅拌混合镓基液态金属和碳纳米管，然后将试管密封并抽真空，保持真空度<10-1Pa，在30℃对试管进行超声处理30min，超声结束后将试管置于30℃的水浴中静置8h，静置结束后将试管内部恢复至大气压，即得到镓基液态金属和碳纳米管的固液混合物；将镓基液态金属和碳纳米管的固液混合物放入离心机中，利用无水乙醇进行离心洗涤，待洗涤的无水乙醇中几乎不含液态金属时，从离心机中取出内部填充镓基液态金属的碳纳米管，在60℃烘干5h即得到纳米胶囊；
(4)制备含纳米胶囊的聚合物复合材料：
首先将5％的纳米胶囊添加并均匀分散到95％的聚四氟乙烯粉体中，再进行模压成型加工，即得含纳米胶囊的聚合物自润滑复合材料。
实施例2
(1)所用原料：
碳纳米管、浓硫酸、浓硝酸、无水乙醇，其中浓硫酸的浓度为96％，浓硝酸的浓度为70％；
(2)碳纳米管的预处理：
首先在通风橱中将盛有40ml浓硝酸的烧杯置于冰水浴中，持续搅拌并将80ml浓硫酸沿着烧杯壁缓慢加入到浓硝酸中，加入过程需持续搅拌直至溶液混合均匀，得到混合均匀的浓硫酸/浓硝酸混合溶液；将碳纳米管放入无水乙醇中进行超声处理，超声结束后将碳纳米管放进烘箱中，在70℃烘干8h；然后将0.2g烘干的碳纳米管分散在浓硫酸/浓硝酸混合溶液中，然后在140℃回流4h，回流结束后用玻璃漏斗和滤纸过滤溶液，用去离子水充分冲洗滤出物直至pH＝7，将滤出物放入真空干燥箱中，在60℃干燥16h，即得到开口碳纳米管；
(3)纳米胶囊的制备：
将0.2g的开口碳纳米管放入试管中，再向试管中注入3.0g镓-铟液态金属，用细玻璃棒搅拌混合镓基液态金属和碳纳米管，然后将试管密封并抽真空，保持真空度<10-1Pa，在40℃对试管进行超声处理50min，超声结束后将试管置于40℃的水浴中静置10h，静置结束后将试管内部恢复至大气压，即得到镓基液态金属和碳纳米管的固液混合物；将镓基液态金属和碳纳米管的固液混合物放入离心机中，利用无水乙醇进行离心洗涤，待洗涤的无水乙醇中几乎不含液态金属时，从离心机中取出内部填充镓基液态金属的碳纳米管，在60℃烘干7h即得到纳米胶囊；
(4)制备含纳米胶囊的聚合物复合材料：
首先将10％的纳米胶囊添加并均匀分散到90％的聚酰亚胺粉体中，再进行热模压成型加工，即得含纳米胶囊的聚合物自润滑复合材料。
实施例3
(1)所用原料：
碳纳米管、浓硫酸、浓硝酸、无水乙醇，其中浓硫酸的浓度为96％，浓硝酸的浓度为70％；
(2)碳纳米管的预处理：
首先在通风橱中将盛有40ml浓硝酸的烧杯置于冰水浴中，持续搅拌并将100ml浓硫酸沿着烧杯壁缓慢加入到浓硝酸中，加入过程需持续搅拌直至溶液混合均匀，得到混合均匀的浓硫酸/浓硝酸混合溶液；将碳纳米管放入无水乙醇中进行超声处理，超声结束后将碳纳米管放进烘箱中，在80℃烘干10h；然后将0.3g烘干的碳纳米管分散在浓硫酸/浓硝酸混合溶液中，然后在160℃回流4h，回流结束后用玻璃漏斗和滤纸过滤溶液，用去离子水充分冲洗滤出物直至pH＝7，将滤出物放入真空干燥箱中，在70℃干燥20h，即得到开口碳纳米管；
(3)纳米胶囊的制备：
将0.3g的开口碳纳米管放入试管中，再向试管中注入4.0g镓-铟-锡液态金属，用细玻璃棒搅拌混合镓基液态金属和碳纳米管，然后将试管密封并抽真空，保持真空度<10- 1Pa，在50℃对试管进行超声处理70min，超声结束后将试管置于50℃的水浴中静置13h，静置结束后将试管内部恢复至大气压，即得到镓基液态金属和碳纳米管的固液混合物；将镓基液态金属和碳纳米管的固液混合物放入离心机中，利用无水乙醇进行离心洗涤，待洗涤的无水乙醇中几乎不含液态金属时，从离心机中取出内部填充镓基液态金属的碳纳米管，在70℃烘干9h即得到纳米胶囊；
(4)制备含纳米胶囊的聚合物复合材料：
首先将20％的纳米胶囊添加并均匀分散到80％的尼龙66粉体中，再进行挤出成型加工，即得含纳米胶囊的聚合物自润滑复合材料。
实施例4
(1)所用原料：
碳纳米管、浓硫酸、浓硝酸、无水乙醇，其中浓硫酸的浓度为96％，浓硝酸的浓度为70％；
(2)碳纳米管的预处理：
首先在通风橱中将盛有40ml浓硝酸的烧杯置于冰水浴中，持续搅拌并将120ml浓硫酸沿着烧杯壁缓慢加入到浓硝酸中，加入过程需持续搅拌直至溶液混合均匀，得到混合均匀的浓硫酸/浓硝酸混合溶液；将碳纳米管放入无水乙醇中进行超声处理，超声结束后将碳纳米管放进烘箱中，在80℃烘干12h；然后将0.3g烘干的碳纳米管分散在浓硫酸/浓硝酸混合溶液中，然后在180℃回流6h，回流结束后用玻璃漏斗和滤纸过滤溶液，用去离子水充分冲洗滤出物直至pH＝7，将滤出物放入真空干燥箱中，在70℃干燥24h，即得到开口碳纳米管；
(3)纳米胶囊的制备：
将0.3g的开口碳纳米管放入试管中，再向试管中注入6.0g镓-铟-锡液态金属，用细玻璃棒搅拌混合镓基液态金属和碳纳米管，然后将试管密封并抽真空，保持真空度<10- 1Pa，在60℃对试管进行超声处理90min，超声结束后将试管置于60℃的水浴中静置16h，静置结束后将试管内部恢复至大气压，即得到镓基液态金属和碳纳米管的固液混合物；将镓基液态金属和碳纳米管的固液混合物放入离心机中，利用无水乙醇进行离心洗涤，待洗涤的无水乙醇中几乎不含液态金属时，从离心机中取出内部填充镓基液态金属的碳纳米管，在70℃烘干10h即得到纳米胶囊；
(4)制备含纳米胶囊的聚合物复合材料：
首先将25％的纳米胶囊添加并均匀分散到75％的聚醚砜粉体中，再进行注塑成型加工，即得含纳米胶囊的聚合物自润滑复合材料。

Claims (4)

1.一种含纳米胶囊的聚合物自润滑复合材料的制备方法，其特征在于制备步骤为：
(1)所用原料：
碳纳米管、浓硫酸、浓硝酸、无水乙醇，其中浓硫酸的浓度为96％，浓硝酸的浓度为70％；
(2)碳纳米管的预处理：
首先在通风橱中将盛有40ml浓硝酸的烧杯置于冰水浴中，持续搅拌并将40～120ml浓硫酸沿着烧杯壁缓慢加入到浓硝酸中，加入过程需持续搅拌直至溶液混合均匀，得到混合均匀的浓硫酸/浓硝酸混合溶液；将碳纳米管放入无水乙醇中进行超声处理，超声结束后将碳纳米管放进烘箱中，在70～80℃烘干6～12h；然后将0.2～0.3g烘干的碳纳米管分散在浓硫酸/浓硝酸混合溶液中，然后在120～180℃回流2～6h，回流结束后用玻璃漏斗和滤纸过滤溶液，用去离子水充分冲洗滤出物直至pH＝7，将滤出物放入真空干燥箱中，在60～70℃干燥12～24h，即得到开口碳纳米管；
(3)纳米胶囊的制备：
将0.2～0.3g的开口碳纳米管放入试管中，再向试管中注入1.0～6.0g镓基液态金属，用细玻璃棒搅拌混合镓基液态金属和碳纳米管，然后将试管密封并抽真空，保持真空度<10-1Pa，在30～60℃对试管进行超声处理30～90min，超声结束后将试管置于30～60℃的水浴中静置8～16h，静置结束后将试管内部恢复至大气压，即得到镓基液态金属和碳纳米管的固液混合物；将镓基液态金属和碳纳米管的固液混合物放入离心机中，利用无水乙醇进行离心洗涤，待洗涤的无水乙醇中几乎不含液态金属时，从离心机中取出内部填充镓基液态金属的碳纳米管，在60～70℃烘干5～10h即得到纳米胶囊；
(4)制备含纳米胶囊的聚合物复合材料：
首先将纳米胶囊添加并均匀分散到聚合物粉体中，纳米胶囊与聚合物的质量比为0.1～25：75～99.9，再进行聚合物成型加工，即得含纳米胶囊的聚合物自润滑复合材料。
2.如权利要求1所述的含纳米胶囊的聚合物自润滑复合材料，其特征在于，所述步骤(3)中，镓基液态金属包括：60℃以下时物质形态为液态的镓基合金。
3.如权利要求1所述的含纳米胶囊的聚合物自润滑复合材料，其特征在于，所述步骤(4)中，聚合物包括：聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚氨脂、聚甲醛、聚芳醚酮、聚砜、聚苯硫醚、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚芳酰胺、聚氯乙烯、环氧树脂、丙烯酸酯、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶其中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的含纳米胶囊的聚合物自润滑复合材料，其特征在于，所述步骤(4)中，聚合物成型加工包括：挤出成型、注塑成型、模压成型、压延成型、层压成型、浇铸成型、发泡成型、L-S相转化成型其中的一种或几种。
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