CN113715452B - 一种自润滑衬垫复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自润滑衬垫复合材料及其制备方法和应用，属于纺织技术领域。本发明先对PTFE或PIPD纤维长丝表面进行上浆处理，在纤维长丝表面形成浆膜，再通过交织，两种纤维长丝得到PTFE/PIPD自润滑织物坯布，坯布经增强树脂浸渍后，粘贴于金属基材表面，进行固化，得到所述自润滑衬垫复合材料。本发明所得PTFE/PIPD自润滑织物坯布强力大、抗压缩性好，制成的自润滑衬垫复合材料具有摩擦系数低、磨损率小、粘接强度高的特点，应用于摩擦运动部件，是一种适用于常温高载荷条件下的自润滑衬垫复合材料。

Description

一种自润滑衬垫复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及纺织技术领域，尤其涉及一种自润滑衬垫复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
自润滑衬垫在轴承中扮演着润滑剂的角色，它将轴承中两个金属面之间的摩擦转变为金属对自润滑衬垫的摩擦，其性能直接决定着自润滑轴承的服役稳定性和服役寿命。目前，常用的自润滑织物是由具有自润滑性能的聚四氟乙烯(PTFE)纤维与其它的高性能纤维混纺编织而成。
目前，常用的自润滑织物衬垫中使用的增强纤维主要为芳纶纤维、玻璃纤维，具体的如陈继刚等公开了芳纶/聚四氟乙烯纤维织物衬垫力学建模与性能计算(陈继刚薛亚红,邱红亮.芳纶/聚四氟乙烯纤维织物衬垫力学建模与性能计算[J].纺织学报,2015,36(001):82～87)，陈涛公开了以聚四氟乙烯纤维、芳纶纤维、PTFE/Nomex合股纱等为原料，采用机织形式织造出衬垫织物，经过表面处理、上胶处理、固化处理制备成衬垫复合材料(陈涛.固体自润滑织物衬垫复合材料的设计及摩擦性能研究[D].上海工程技术大学.2014)，现有技术中利用芳纶纤维、玻璃纤维与PTFE纤维制得的自润滑衬垫复合材料均存在承载力和耐磨性不能同时兼顾的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自润滑衬垫复合材料及其制备方法和应用。本发明制得的自润滑衬垫复合材料不仅承载力高，且耐磨性好。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种自润滑衬垫复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将第一纤维原丝进行上浆处理，得到上浆纤维；
将所述上浆纤维和第二纤维原丝进行交织，得到PTFE/PIPD自润滑织物坯布，所述第一纤维原丝和第二纤维原丝独立为聚四氟乙烯纤维或聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑)纤维，且所述第一纤维原丝和第二纤维原丝的材质不同；
将所述PTFE/PIPD自润滑织物坯布经增强树脂浸渍后，粘贴于金属基材表面，进行固化，得到所述自润滑衬垫复合材料。
优选地，所述聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑)纤维为长丝，线密度为400～1000D，单丝直径为22～28μm。
优选地，所述聚四氟乙烯纤维为长丝，单丝直径为20～30μm。
优选地，所述PTFE/PIPD自润滑织物坯布的组织为原组织、变化组织或复杂组织。
优选地，所述PTFE/PIPD自润滑织物坯布的组织点飞数≥1，组织循环数为3～12。
优选地，所述增强树脂包括酚醛树脂、聚酰亚胺树脂和环氧树脂中的一种或多种。
优选地，所述固化的温度为180～210℃，保温时间为100～140min。
优选地，由室温升温至所述固化的温度的升温速率为2～10℃/min。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的自润滑衬垫复合材料。
本发明还提供了上述技术方案所述的自润滑衬垫复合材料作为耐摩擦材料的应用。
本发明提供了一种自润滑衬垫复合材料的制备方法，包括以下步骤：将第一纤维原丝进行上浆处理，得到上浆纤维；将所述上浆纤维和第二纤维原丝进行交织，得到PTFE/PIPD自润滑织物坯布，所述第一纤维原丝和第二纤维原丝独立为聚四氟乙烯纤维或聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑)纤维，且所述第一纤维原丝和第二纤维原丝的材质不同；将所述PTFE/PIPD自润滑织物坯布经增强树脂浸渍后，粘贴于金属基材表面，进行固化，得到所述自润滑衬垫复合材料。PIPD纤维分子链上羟基、咪唑N原子和NH原子之间形成的分子链内氢键增强分子链刚性，而分子链间的氢键网格构成了蜂窝状的晶体构架使得PIPD纤维的压缩强度在所有聚合物纤维中最高。另外，这种蜂窝结构加固了分子链间的横向作用，使得PIPD纤维具有良好的压缩和剪切特性，压缩和扭曲性能为目前聚合物之最。本发明利用PIPD纤维制备自润滑衬垫复合材料，PIPD纤维在分子链的方向上存在大量的-NH和-OH基团，容易在分子链间和分子内形成强烈的H键，具有良好的压缩和扭曲性能，PIPD纤维长丝的拉伸强度为5.7GPa，拉伸模量为330GPa，压缩强度为1.7GPa，剪切模量为7GPa，进而使制得的自润滑衬垫复合材料具有非常优异的力学性能和抗压缩性能，拉伸强度大于150MPa，500MPa静载荷条件永久变形量小于0.076mm，PTFE纤维在衬垫聚合物材料中起到减摩的作用，PIPD纤维与PTFE纤维的协同作用，结合使用增强树脂，使得本发明制备的自润滑衬垫织物具有承载力高、摩擦系数小的特点。且PIPD纤维的钢棒状分子结构决定其具有较高的耐热性，PIPD纤维在空气中热分解温度为530℃，LOI值为59％，具有优良的耐热阻燃性能，同时PIPD纤维在紫外光照射下非常稳定，而且具有不导电、耐腐蚀的优异性能，本发明将PIPD纤维作为增强纤维，应用于自润滑衬垫材料的制造，不仅可以提升自润滑衬垫织物的力学性能，更进一步将提高自润滑轴承的服役稳定性和服役寿命。实施例的数据表明，本发明制得的自润滑衬复合材料具有强度高，摩擦系数小、耐磨损性能优异的特点，在重载条件下，能提供较小的摩擦系数，较低的磨损率，是一种适用于常温高载荷条件下的自润滑衬垫复合材料。
进一步地，本发明在织造过程中通过织造工艺使得本发明的PTFE/PIPD自润滑织物坯布布面平整，厚度均匀，由于织物能够贴合曲面铺设且不易起皱，因此制备的织物衬垫可以方便贴附在金属基材的表面，并通过固化工艺使其整体光滑平整，且表面无褶皱、无气泡。
进一步地，本发明的制备方法具有生产工艺简单、环境友好型的特点。
附图说明
图1为实施例1所用PIPD纤维长丝的SEM照片；
图2为实施例1所用PIPD纤维长丝的TGA曲线；
图3为实施例1制备的自润滑衬垫复合材料经摩擦磨损试验后衬垫的实物照片。
具体实施方式
本发明提供了一种自润滑衬垫复合材料制备方法，包括以下步骤；
将第一纤维原丝进行上浆处理，得到上浆纤维；
将所述上浆纤维和第二纤维原丝进行交织，得到PTFE/PIPD自润滑织物坯布，所述第一纤维原丝和第二纤维原丝独立为聚四氟乙烯纤维或聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑)纤维，且所述第一纤维原丝和第二纤维原丝的材质不同；
将所述PTFE/PIPD自润滑织物坯布经增强树脂浸渍后，粘贴于金属基材表面，进行固化，得到所述自润滑衬垫复合材料。
本发明将第一纤维原丝进行上浆处理，得到上浆纤维。在本发明中，所述第一纤维原丝为聚四氟乙烯纤维或聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑)纤维。
在本发明中，所述聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑)纤维优选为长丝，线密度优选为400～1000D，单丝直径优选为22～28μm。
在本发明中，所述聚四氟乙烯纤维优选为长丝，单丝直径优选为20～30μm。
本发明优选对所述聚四氟乙烯纤维进行上浆处理。
在本发明中，所述上浆处理使用的上浆液优选为聚乙烯醇(PVA)浆料，所述上浆液的含固量优选为5～20％。在本发明中，所述上浆液优选经煮浆后使用，所述煮浆的温度优选为70～100℃，更优选为80～90℃。
在本发明中，所述上浆处理的温度优选为45～80℃，烘干温度优选为50～85℃，上浆速度优选为30～70m/min。
在本发明中，所述上浆优选在上浆机上进行。
得到上浆纤维后，本发明将所述上浆纤维和第二纤维原丝进行交织，得到PTFE/PIPD自润滑织物坯布，所述第二纤维原丝为聚四氟乙烯纤维或聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑)纤维，所述第一纤维原丝和第二纤维原丝的材质不同。
在本发明中，所述交织前优选还包括依次进行整经、浆纱、穿综过筘和经纬纱准备。本发明对所述整经、浆纱、穿综过筘和经纬纱准备的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。在本发明中，所述浆纱时的片纱根数优选为1500～4000根，幅宽优选为40～80cm。
在本发明中，所述交织时上机张力优选为10～50kg。本发明优选根据排列密度和提综顺序进行交织获得不同结构的自润滑衬垫用织物坯布。
本发明优选以经过上浆处理的PTFE纤维为经线，以PIPD纤维为纬线，在全自动剑杆织机上纵横交织。
在本发明中，所述PTFE/PIPD自润滑织物坯布的组织优选为原组织、变化组织或复杂组织。
在本发明中，所述PTFE/PIPD自润滑织物坯布的组织点飞数优选≥1，组织循环数优选为3～12。
所述交织完成后，本发明优选还包括退浆、等离子体处理和整理的步骤，本发明对所述退浆、等离子体处理和整理的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。在本发明中，所述退浆优选使用无机碱溶液，所述无机碱溶液优选为氢氧化钠溶液，所述氢氧化钠溶液的质量分数优选为3％～5％。在本发明中，所述等离子体处理后纤维表面的粗糙度增大且纤维表面的活性得到提高，使PTFE/PIPD自润滑织物坯布与增强树脂的粘结强度增大。
得到PTFE/PIPD自润滑织物坯布后，本发明将所述PTFE/PIPD自润滑织物坯布经增强树脂浸渍后，粘贴于金属基材表面，进行固化，得到所述自润滑衬垫复合材料。
在本发明中，所述增强树脂优选包括酚醛树脂、聚酰亚胺树脂和环氧树脂中的一种或多种。
在本发明中，所述增强树脂优选以增强树脂浸渍液的形式使用，所述增强树脂浸渍液的溶剂优选包括丙酮、乙醇和乙酸乙酯中的一种或多种。
在本发明中，所述增强树脂浸渍液的浓度优选为0.03～0.5g/mL。
在本发明中，所述金属基材优选为轴承钢，更优选为9Cr18Mo、9Cr18MoV、9Cr18、4Cr13或17-4PH。
在本发明中，所述浸渍后增强树脂的质量含量优选为25～30％，更优选为26～28％。
在本发明中，所述固化的温度优选为180～210℃，保温时间优选为100～140min，更优选为110～120min。
在本发明中，由室温升温至所述固化的温度的升温速率优选为2～10℃/min。
在本发明中，所述固化的压力优选为0.2MPa。
所述固化完成后，本发明优选还包括除去所述金属基材的步骤，本发明对所述除去所述金属基材的步骤没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的自润滑衬垫复合材料。
本发明还提供了上述技术方案所述的自润滑衬垫复合材料作为耐摩擦材料的应用。
为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的自润滑衬垫复合材料及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
本发明实施例中摩擦磨损性能测试
测试方法：采用玄武三号摩擦磨损试验机，以直径2mm的45号钢作为摩擦对偶，在一定的环境温度、滑动速度、试验时间等条件下，通过调整外加载荷，研究自润滑织物衬垫材料在不同应用载荷条件下的摩擦磨损性能。平均摩擦系数和实时摩擦系数通过连接的计算机处理收集到的数据后，自动输出。磨损量数据的获取，采用精度为0.001mm的数字深度测量仪(高度计)测量磨痕深度。磨损率计算方法：K＝ΔV/P·L；K─比磨损率；ΔV─磨损体积；P─应用载荷；L─滑动距离。
本发明实施例中聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑)纤维为长丝，线密度为400D，单丝直径为28μm；聚四氟乙烯纤维为长丝，单丝直径为20μm。
实施例1
设计织物组织循环数R为3，组织点飞数S为1的织物规格。PTFE纤维长丝为经纱，PTFE纤维长丝经上浆处理作为经纱使用，上浆采用聚乙烯醇(PVA)为主浆料，浆液含固量5％，煮浆温度70℃。煮浆完成后，在上浆机上对经纱进行上浆处理，上浆温度45℃，烘干温度50℃，上浆速度30m/min，将前处理的PTFE纤维长丝在GA193-600全自动整经机上进行整经，然后片纱上浆，片纱根数为1500根，幅宽为40cm，然后以PIPD纤维长丝作为纬纱直接使用，两者在全自动剑杆织机上按照织物规格和织造工艺纵横交织，上机张力为10kg，得到PTFE/PIPD自润滑织物坯布，将PTFE/PIPD自润滑织物坯布经质量分数为3％的NaOH溶液做退浆处理，碱水退浆后晾干后，经等离子体处理，然后在酚醛树脂胶液(浓度为0.03g/mL)中浸渍、烘干，直至酚醛树脂基体在织物复合材料中的质量分数达到25％。然后将裁剪成一定尺寸的织物，利用酚醛树脂胶黏剂将织物复合材料粘接在9Cr18Mo基材表面。最后将试样在180℃(升温速率10℃/min)，0.2MPa条件下固化反应120min，最终得到聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑)纤维基自润滑织物衬垫材料，即自润滑衬垫复合材料。
图1为实施例1所用PIPD纤维长丝的SEM照片；图2为实施例1所用PIPD纤维长丝的TGA曲线；图3为实施例1制备的自润滑衬垫复合材料经摩擦磨损试验后衬垫的实物照片。
经测试，本实施例制得的自润滑衬垫复合材料在滑动速度0.26m/s、室温、应用载荷18Kg条件下的磨损率为1.2808×10-14m3·(Nm)-1，摩擦系数为0.0713。
实施例2
设计织物组织循环数R为4，组织点飞数S为1的织物规格。PTFE纤维长丝为经纱，PTFE纤维长丝经上浆处理作为经纱使用，上浆采用聚乙烯醇(PVA)为主浆料，浆液含固量5％，煮浆温度70℃。煮浆完成后，在上浆机上对经纱进行上浆处理，上浆温度45℃，烘干温度50℃，上浆速度30m/min，将前处理的PTFE纤维长丝在GA193-600全自动整经机上进行整经，然后片纱上浆，片纱根数为1500根，幅宽为40cm，然后以PIPD纤维长丝作为纬纱直接使用，两者在全自动剑杆织机上按照织物规格和织造工艺纵横交织，上机张力为10kg，得到PTFE/PIPD自润滑织物坯布，将PTFE/PIPD自润滑织物坯布经质量分数为3％的NaOH溶液做退浆处理，碱水退浆后晾干后，经等离子体处理，然后在酚醛树脂胶液(浓度为0.03g/mL)中浸渍、烘干，直至酚醛树脂基体在织物复合材料中的质量分数达到28％。然后将裁剪成一定尺寸的织物，利用酚醛树脂胶黏剂将织物复合材料粘接在9Cr18Mo基材表面。最后将试样在180℃(升温速率10℃/min)，0.2MPa条件下固化反应120min，最终得到聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑)纤维基自润滑织物衬垫材料，即自润滑衬垫复合材料。
经测试，本实施例制得的自润滑衬垫复合材料在滑动速度0.26m/s、室温、应用载荷18.4Kg条件下的磨损率为1.5713×10-14m3·(Nm)-1，摩擦系数为0.0729。
实施例3
设计织物组织循环数R为4，组织点飞数S为3的织物规格。PTFE纤维长丝为经纱，PTFE纤维长丝经上浆处理作为经纱使用，上浆采用聚乙烯醇(PVA)为主浆料，浆液含固量5％，煮浆温度70℃。煮浆完成后，在上浆机上对经纱进行上浆处理，上浆温度45℃，烘干温度50℃，上浆速度30m/min，将前处理的PTFE纤维长丝在GA193-600全自动整经机上进行整经，然后片纱上浆，片纱根数为1500根，幅宽为40cm，然后以PIPD纤维长丝作为纬纱直接使用，两者在全自动剑杆织机上按照织物规格和织造工艺纵横交织，上机张力为10kg，得到PTFE/PIPD自润滑织物坯布，将PTFE/PIPD自润滑织物坯布经质量分数为3％的NaOH溶液做退浆处理，碱水退浆后晾干后，经等离子体处理，然后在酚醛树脂胶液(浓度为0.03g/mL)中浸渍、烘干，直至酚醛树脂基体在织物复合材料中的质量分数达到26％。然后将裁剪成一定尺寸的织物，利用酚醛树脂胶黏剂将织物复合材料粘接在9Cr18Mo基材表面。最后将试样在180℃(升温速率10℃/min)，0.2MPa条件下固化反应120min，最终得到聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑)纤维基自润滑织物衬垫材料，即自润滑衬垫复合材料。
经测试，本实施例制得的自润滑衬垫复合材料在滑动速度0.26m/s、室温、应用载荷20.8Kg条件下的磨损率为1.6557×10-14m3·(Nm)-1，摩擦系数为0.0665。
实施例4
设计织物组织经纱循环数Rj为8，组织循环纬纱数Rw为4，原组织点飞数S为1的织物规格。PTFE纤维长丝为经纱，PTFE纤维长丝经上浆处理作为经纱使用，上浆采用聚乙烯醇(PVA)为主浆料，浆液含固量5％，煮浆温度70℃。煮浆完成后，在上浆机上对经纱进行上浆处理，上浆温度45℃，烘干温度50℃，上浆速度30m/min，将前处理的PTFE纤维长丝在GA193-600全自动整经机上进行整经，然后片纱上浆，片纱根数为1500根，幅宽为40cm，然后以PIPD纤维长丝作为纬纱直接使用，两者在全自动剑杆织机上按照织物规格和织造工艺纵横交织，上机张力为10kg，得到PTFE/PIPD自润滑织物坯布，将PTFE/PIPD自润滑织物坯布经质量分数为3％的NaOH溶液做退浆处理，碱水退浆后晾干后，经等离子体处理，然后在酚醛树脂胶液(浓度为0.03g/mL)中浸渍、烘干，直至酚醛树脂基体在织物复合材料中的质量分数达到30％。然后将裁剪成一定尺寸的织物，利用酚醛树脂胶黏剂将织物复合材料粘接在9Cr18Mo基材表面。最后将试样在180℃(升温速率10℃/min)，0.2MPa条件下固化反应120min，最终得到聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑)纤维基自润滑织物衬垫材料，即自润滑衬垫复合材料。
经测试，本实施例制得的自润滑衬垫复合材料在滑动速度0.26m/s、室温、应用载荷23.2Kg条件下的磨损率为1.7300×10-14m3·(Nm)-1，摩擦系数为0.0594。
对比例1
使用芳纶/PTFE纤维织物采用与实施例1相同的织物组织、相同增强树脂，同等固化工艺制备的衬垫复合材料，在滑动速度0.26m/s、室温、应用载荷23.2Kg条件下的磨损率为3.1338×10-14m3·(Nm)-1，摩擦系数为0.0614。
对比例2
使用PIPD/PTFE纤维织物采用与实施例1相同的织物组织、相同增强树脂，同等固化工艺制备的衬垫复合材料，在滑动速度0.26m/s、室温、应用载荷23.2Kg条件下的磨损率为1.7300×10-14m3·(Nm)-1，摩擦系数为0.0594。
对比例3
PTFE纯纤维织物制备的衬垫复合材料，无法承载滑动速度0.26m/s、室温、应用载荷23.2Kg的摩擦试验条件，衬垫在试验机开机即磨穿。
对比例4
常用的自润滑织物是由具有自润滑性能的聚四氟乙烯(PTFE)纤维与其它的高性能纤维混纺编织而成。由于现阶段PIPD纤维原丝线密度较大，织造出来的织物厚度亦较大，通过固化等一系列制备过程制备的衬垫厚度则更大，不利于摩擦磨损试验的进行，所以在试验设计阶段没有制备PIPD纯织物。
通过对比可知，PIPD/PTFE纤维织物的抗压缩性好，衬垫的摩擦磨损效果好，抗磨性能更佳。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种自润滑衬垫复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将第一纤维原丝进行上浆处理，得到上浆纤维；
将所述上浆纤维和第二纤维原丝进行交织，得到PTFE/PIPD自润滑织物坯布，所述第一纤维原丝和第二纤维原丝独立为聚四氟乙烯纤维或聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑)纤维，且所述第一纤维原丝和第二纤维原丝的材质不同；所述PTFE/PIPD自润滑织物坯布的组织点飞数≥1，组织循环数为3～12；
将所述PTFE/PIPD自润滑织物坯布经增强树脂浸渍后，粘贴于金属基材表面，进行固化，得到所述自润滑衬垫复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑)纤维为长丝，线密度为400～1000D，单丝直径为22～28μm。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述聚四氟乙烯纤维为长丝，单丝直径为20～30μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述PTFE/PIPD自润滑织物坯布的组织为原组织、变化组织或复杂组织。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述增强树脂包括酚醛树脂、聚酰亚胺树脂和环氧树脂中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述固化的温度为180～210℃，保温时间为100～140min。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，由室温升温至所述固化的温度的升温速率为2～10℃/min。
8.权利要求1～7任一项所述制备方法制得的自润滑衬垫复合材料。
9.权利要求8所述的自润滑衬垫复合材料作为耐摩擦材料的应用。
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