CN113105698A - 具有热响应和自润滑性能的耐磨材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有热响应和自润滑性能的耐磨材料及其制备方法，本发明的方法包括以下步骤：1、将高聚物与采用离子交换法制备得到的纳米类流体均溶解于有机混合溶剂中，搅拌均匀得到混和溶液，混合溶液中纳米类流体的质量浓度为10％‑30％，高聚物的质量浓度为10％‑30％；2、将混和溶液注入模具，室温下风干，得到具有热响应和自润滑性能的耐磨材料。本发明利用了纳米类流体的无机有机结合的特殊结构使得此润滑膜中的无机粒子能够隔绝摩擦副的直接接触减少摩擦副的损耗，同时还填补表面擦痕自修复功能，使得本发明的耐磨材料具有热响应和自润滑性能，即可以在使用过程中自行分泌润滑物质，无需额外添加润滑液，使用方便，耐磨效果好。

Description

具有热响应和自润滑性能的耐磨材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及耐磨材料领域，具体涉及一种具有热响应和自润滑性能的耐磨材料及其制备方法。
背景技术
随着工业的发展以及人们需求的递增，产量的提升对机器的生产加工提出了更高效的要求，摩擦作为一种常见的物理现象广泛存在于工业生产中，摩擦力的存在导致相互作用的物体表面产生物质的转移，造成机械接触面的损耗，加快了机械的老化造成人力物力的不必要消耗，提高了生产成本，给工业生产带来不利影响，为解决此问题同时为响应环保的号召，提升机械耐磨性延长使用寿命降低能耗势在必行。原始的机械润滑性、耐磨性的提升主要是通过对摩擦面之间增添润滑剂的方式来达到润滑的效果，由于机械的运转与挤压导致润滑油的损耗，需要不断向摩擦中心添加润滑层，无法实现机械的自润滑，工作效率低。兼具良好的摩擦学性能和较低成本的聚合物在润滑领域逐渐发展，而聚合物的力学性能弱，且聚合物固体润滑的低摩擦机制涉及到内部界面处的失效，通过无机纳米粒子的引入聚合物可实现聚合物的增强，通过改性后的纳米无机粒子具有润滑效果零蒸汽压，纳米粒子可作为一种受力支撑，隔绝摩擦副的相互接触，减少摩擦副的磨损，且具备原位修复磨损的作用，是一种良好的润滑剂，本专利通过结合无机纳米材料与高聚物实现了一种具有热响应性的耐摩擦材料。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种具有热响应和自润滑性能的耐磨材料及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
具有热响应和自润滑性能的耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将高聚物与采用离子交换法制备得到的纳米类流体均溶解于有机溶剂中，搅拌均匀得到混和溶液，混合溶液中纳米类流体的质量浓度为10％-30％，高聚物的质量浓度为10％-30％；
步骤2，将混和溶液注入模具，室温下风干，得到具有热响应和自润滑性能的耐磨材料。
进一步的，所述步骤1中的高聚物采用聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚偏氟乙烯中的任意一种。
进一步的，所述步骤2中的采用离子交换法制备得到的纳米类流体采用埃洛石类流体、SiO2类流体、TiO2类流体和石墨烯类流体中的任意一种。
所述具有热响应和自润滑性能的耐磨材料由上述任一种方法制成。
本发明的有益效果为：由于固体表面具有降低表面能的趋势，而流体作为一种表面能较低的物质在热刺激下布朗运动加速，使得更多的纳米类流体聚集在固体表面起到了润滑作用，而纳米类流体的无机有机结合的特殊结构使得此润滑膜中的无机粒子能够隔绝摩擦副的直接接触减少摩擦副的损耗，同时还具有填补表面擦痕自修复功能，因此使得本发明的耐磨材料具有热响应和自润滑性能，即可以在使用过程中自行分泌润滑物质，无需额外添加润滑液，使用方便，耐磨效果好，在摩擦学领域具有较好的应用前景。
附图说明
图1为类流体的制备流程图；
图2为本发明热处理前的扫面电镜图；
图3为本发明经过热处理后的扫描电镜图；
图4为加入SiO2纳米类流体后的PMMA材料相比纯PMMA材料的摩擦系数对比图。
图5为纳米类流体SiO2-DC5700-NPES的透射电镜图。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
具有热响应和自润滑性能的耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将高聚物与采用离子交换法制备得到的纳米类流体均溶解于有机溶剂中，搅拌均匀后得到混和溶液，混合溶液中纳米类流体的质量浓度为10％-30％，高聚物的质量浓度为10％-30％；
步骤2、将混和溶液注入模具，室温下风干，得到具有热响应和自润滑性能的耐磨材料。
作为一种实施方式，所述步骤1中的高聚物采用聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚偏氟乙烯中的任意一种。
作为一种实施方式，所述步骤2中的采用离子交换法制备得到的纳米类流体采用埃洛石类流体、SiO2类流体、TiO2类流体和石墨烯类流体中的任意一种。
具有热响应和自润滑性能的耐磨材料，由上述任一种方法制备得到。
所述采用离子交换法制备得到的纳米类流体可以是SiO2、TiO2、炭黑、碳纳米管、埃洛石、石墨烯等纳米类流体。如图1所示，为本实施例采用的SiO2纳米类流体的制备流程图，类流体采用离子交换法制备，在二氧化硅纳米粒子表面先通过共价键接枝DC5700，然后通过离子交换的方式，接枝NPES。由于纳米类流体表面能低，且具有热响应性，使得纳米类流体在热刺激下具有向聚合物膜表面迁移的趋势。在摩擦过程中，产生的热会诱使类流体从聚合物内部迁移出来及时的补充润滑剂，保护摩擦副，减少因摩擦导致的能量损耗。如图4所示，图4中加入的是SiO2纳米类流体，可以看出加入纳米类流体后的PMMA材料的摩擦系数相比纯PMMA材料的摩擦系数有明显降低。
图2中为PS与PMMA掺流体与不掺流体成膜后的表面形貌，通过表面形貌观察发现PMMA表面的流体含量比PS多，而PMMA的极性大于PS，PMMA的表面能比PS大，固体为了降低表面能会在其表面吸附更多的类流体，同时PS分子中有苯环阻碍了流体的迁移，导致PMMA表面的流体含量比PS多，因此通过应用不同极性的基体可以达到控制流体释放速度的效果。
由图3可以看出，PS与PMMA掺流体与不掺流体成膜后经过加热处理后的表面形貌，原本没有流体颗粒的PS表面出现了流体颗粒，表明流体对热具有响应性。
类流体浓度越高润滑层越厚，同时不同种类的类流体具有不同的功能，二氧化硅能够起到增强作用，二氧化钛类流体起到吸收紫外线的作用，埃洛石能有较好的吸附性能，能够吸附摩擦产生的碳，氧化石墨烯类流体能够有效的阻碍复合材料中的微裂纹扩展，同时有较高的热导率有助于摩擦过程中产生的热量散失。因此可以根据耐磨材料使用的场景需要选择不同的类流体制备。
如图4所示，可以看出在50N的作用力下摩擦1800s后，聚合物PMMA基底中掺杂10wt％的DC5700-NPES有机物相较于无掺杂的聚合物基底的摩擦系数降低了6.9％，添加30wt％的DC5700-NPES有机物时摩擦系数降低了8.6％，30％的有机含量的摩擦系数相较于10％的有机含量摩擦系数仅降低了1.7％。表明了随着有机物含量的增多聚合物膜的摩擦系数降低，但是纯有机物对聚合物摩擦性能的提升效果甚微。当在聚合物中添加5wt％含无机物的SiO2-DC5700-NPES时，此膜的摩擦系数相较于无掺杂聚合物降低了62.1％；当聚合物中添加50wt％的SiO2-DC5700-NPES时摩擦系数降低了75.9％。含量为50wt％类流体的聚合物相较于含量为5wt％类流体的聚合物的摩擦系数降低了13.8％，此时随着SiO2-DC5700-NPES的含量的增高摩擦系数降低，同时也表明类流体SiO2-DC5700-NPES相较于纯有机物DC5700-NPES对聚合物摩擦性能的提升更具优势，同时聚合物的摩擦系数随着类流体含量的增多而降低，摩擦性能随着类流体的含量的增多而增强。总体上，带无机核的类流体SiO2-DC5700-NPES相较于有机物DC5700-NPES更有优势应用于提高聚合物的摩擦性能。
如图5所示为纳米类流体SiO2-DC5700-NPES的透射电镜图，其在微观下时单分散的，表明我们对纳米SiO2的改性阻止了纳米粒子的团聚使其能够更好的分散在聚合物基体中，改善了纳米粒子易团聚所带来的力学性能损害产生的影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.具有热响应和自润滑性能的耐磨材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将高聚物与采用离子交换法制备得到的纳米类流体均溶解于有机溶剂中，搅拌均匀后得到混和溶液，混合溶液中纳米类流体的质量浓度为10％-30％，高聚物的质量浓度为10％-30％；
步骤2、将混和溶液注入模具，室温下风干，得到具有热响应和自润滑性能的耐磨材料。
2.根据权利要求1所述的具有热响应和自润滑性能的耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的高聚物采用聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚偏氟乙烯中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的具有热响应和自润滑性能的耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的采用离子交换法制备得到的纳米类流体采用埃洛石类流体、SiO2类流体、TiO2类流体和石墨烯类流体中的任意一种。
4.具有热响应和自润滑性能的耐磨材料，其特征在于，由上述权利要求1-3中任一种方法制备得到。
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