CN113881478A - 改性聚醚醚酮复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了改性聚醚醚酮复合材料及其制备方法和应用，其中改性聚醚醚酮复合材料包括：75～99.75重量份的聚醚醚酮基体颗粒、0.25～5重量份的二硫化钼和10～30重量份的增强添加剂。其中，二硫化钼在该改性聚醚醚酮复合材料中能够提高耐磨性，降低摩擦系数。由此，该改性聚醚醚酮复合材料应用于水基润滑液中具有较低的摩擦系数和磨损率，从而可以提高工件的工作稳定性和服役寿命。
Description
技术领域
本发明属于高分子复合材料技术领域，具体涉及一种改性聚醚醚酮复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
聚醚醚酮聚合物材料由于具有优良的耐腐蚀性能和抗疲劳性能，在海洋工程、水利建设等行业具有广阔的应用前景，可以被用于水环境工程材料，如艉轴承和柱塞泵滑靴等。但在水基润滑环境中，聚醚醚酮复合材料存在摩擦系数高、耐磨性差等缺点，会影响聚醚醚酮复合材料制备摩擦副的工作稳定性和服役寿命。近年来研究发现，通过使用改性添加剂对聚醚醚酮复合材料进行改性，可以改善聚醚醚酮的耐磨损性，从而延长服役寿命。
聚醚醚酮复合材料通常使用纤维材料(如碳纤维、玻璃纤维等)和润滑材料(如氮化硅等纳米陶瓷颗粒和石墨烯等二维材料)进行复合。公开号为CN 111303629 A的发明专利公开了一种耐高温自润滑耐磨复合材料，使用碳纤维提高聚醚醚酮的耐磨损性能。公开号为CN 111171509 A的发明专利公开了一种石墨烯改性聚醚醚酮复合材料，能够提高聚醚醚酮的力学性能。但是，目前对适用于水润滑的聚醚醚酮聚合物材料摩擦学性能的改性增强，尚缺少相关研究。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种改性聚醚醚酮复合材料，该改性聚醚醚酮复合材料应用于水基润滑液中具有较低的摩擦系数和磨损率，从而可以提高工件的工作稳定性和服役寿命。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种改性聚醚醚酮复合材料，包括：75～99.75重量份的聚醚醚酮基体颗粒、0.25～5重量份的二硫化钼和10～30重量份的增强添加剂。
根据本发明实施例的改性聚醚醚酮复合材料，其包括75～99.75重量份的聚醚醚酮基体颗粒、0.25～5重量份的二硫化钼和10～30重量份的增强添加剂。其中，二硫化钼作为一种具有自润滑效果的二维材料，将其加入聚醚醚酮材料中，可以和增强添加剂共同协同作用，一方面可以提高聚醚醚酮复合材料的硬度，从而提高聚醚醚酮的耐磨性，另一方面可以通过降低摩擦界面的剪切强度，从而降低聚醚醚酮的摩擦系数；同时，二硫化钼和增强添加剂共同作用可以提高聚醚醚酮复合材料的热传导系数，降低摩擦界面的热量累积，从而也能提高聚醚醚酮的耐磨性。其次，使用较少重量份的二硫化钼即可明显提升聚醚醚酮复合材料的摩擦学性能，有利于生产成本控制。再者，由于二硫化钼的分散性良好，无需额外使用偶联剂，能够使生产工艺得到进一步优化。由此，本申请组成的改性聚醚醚酮复合材料应用于水基润滑液中具有较低的摩擦系数和磨损率，从而可以提高工件的工作稳定性和服役寿命。
另外，根据本发明上述实施例的改性聚醚醚酮复合材料还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述聚醚醚酮基体颗粒的粒径为50微米～2毫米。
在本发明的一些实施例中，所述二硫化钼的粒径为1微米～20微米。由此，可以提升聚醚醚酮复合材料的摩擦学性能，且成本低。
在本发明的一些实施例中，所述增强添加剂包括力学增强添加剂和润滑增强添加剂中的至少一种。
在本发明的一些实施例中，所述力学增强添加剂包括碳纤维和玻璃纤维中的至少一种。由此，能够增强改性聚醚醚酮复合材料的力学性能。
在本发明的一些实施例中，所述润滑增强添加剂包括石墨和聚四氟乙烯中的至少一种。由此，能够增强改性聚醚醚酮复合材料的润滑性。
在本发明的再一个方面，本发明提出了一种制备上述的改性聚醚醚酮复合材料的方法。根据本发明的实施例，上述方法包括：
(1)将聚醚醚酮基体颗粒与二硫化钼和增强添加剂进行混合，以便得到混合料；
(2)将所述混合料在预定温度加热且保温预定时间，然后冷却后进行加工成型，以便得到改性聚醚醚酮复合材料。
由此，根据本发明实施例的制备上述的改性聚醚醚酮复合材料的方法，将聚醚醚酮基体颗粒与二硫化钼和增强添加剂进行混合，其中二硫化钼作为一种具有自润滑效果的二维材料，将其加入聚醚醚酮材料中，可以和增强添加剂共同协同作用，一方面可以提高聚醚醚酮复合材料的硬度，从而提高聚醚醚酮的耐磨性，另一方面可以通过降低摩擦界面的剪切强度，从而降低聚醚醚酮的摩擦系数；同时，二硫化钼和增强添加剂共同作用可以提高聚醚醚酮复合材料的热传导系数，降低摩擦界面的热量累积，从而也能提高聚醚醚酮的耐磨性。其次，使用较少重量份的二硫化钼即可明显提升聚醚醚酮复合材料的摩擦学性能，有利于生产成本控制。再者，由于二硫化钼的分散性良好，无需额外使用偶联剂，能够使生产工艺得到进一步优化。并通过将上述得到的含有聚醚醚酮基体颗粒、二硫化钼和增强添加剂的混合料在预定温度加热且保温预定时间，聚醚醚酮基体颗粒在预定温度中融化，与二硫化钼和增强添加剂充分混合。二硫化钼、增强添加剂和聚醚醚酮通过范德华力结合，无需添加其他交联剂即可实现非常好的界面结合强度。经冷却后进行加工成型，即可得到本申请上述的改性聚醚醚酮复合材料。由此，采用本申请方法得到的改性聚醚醚酮复合材料应用于水基润滑液中具有较低的摩擦系数和磨损率，从而可以提高工件的工作稳定性和服役寿命。
另外，根据本发明上述实施例的改性聚醚醚酮复合材料的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述预定温度为340～390℃，所述预定时间为30min～120min。
在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述加工成型包括挤出、吹塑、压制、注射、压延、拉幅薄膜、静态浇铸、嵌铸、离心浇铸、流延铸塑、搪塑、滚塑、冷压烧结、涂覆和纺丝中的至少一种。
在本发明的又一个方面，本发明提出了一种上述的改性聚醚醚酮复合材料在水基润滑液中的应用。由此，可以提高工件在水基润滑液中的工作稳定性和服役寿命。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种改性聚醚醚酮复合材料。根据本发明的实施例，该改性聚醚醚酮复合材料包括：75～99.75重量份的聚醚醚酮基体颗粒、0.25～5重量份的二硫化钼和10～30重量份的增强添加剂。
发明人发现，在聚醚醚酮复合材料中，二硫化钼和增强添加剂共同协同作用能够提高耐磨性，降低摩擦系数，如果二硫化钼的添加量过低，聚醚醚酮摩擦表面的二硫化钼二维材料的覆盖率低，无法实现最优的摩擦学特性；如果二硫化钼的添加量过高，则会由于大量的二硫化钼与聚醚醚酮结合形成较大的磨屑而发生磨粒磨损，使磨损率提高。如果增强添加剂的添加量过低，聚醚醚酮复合材料的强度增强不够，其耐磨损性会减弱；如果增强添加剂的添加量过高，则会对对偶面的金属摩擦副产生影响，使其产生金属磨粒，从而使磨损率提高。其次，使用较少重量份的二硫化钼即可明显提升聚醚醚酮复合材料的摩擦学性能，有利于生产成本控制。再者，由于二硫化钼的分散性良好，无需额外使用偶联剂，能够使生产工艺得到进一步优化。由此，本申请组成的改性聚醚醚酮复合材料应用于水基润滑液中具有较低的摩擦系数和磨损率，从而可以提高工件的工作稳定性和服役寿命。
根据本发明的一个实施例，组成上述改性聚醚醚酮复合材料的聚醚醚酮基体颗粒的粒径并不受特别限制，根据本发明的一个具体实施例，聚醚醚酮基体颗粒的粒径为50微米～2毫米。
根据本发明的再一个实施例，组成上述改性聚醚醚酮复合材料的二硫化钼的粒径并不受特别限制，根据本发明的一个具体实施例，二硫化钼的粒径为1微米～20微米。发明人发现，若二硫化钼的粒径过大，则容易团聚为大尺寸磨粒而失去二维材料的润滑作用；若二硫化钼的粒径过小，则影响其经济成本。
根据本发明的又一个实施例，上述增强添加剂包括力学增强添加剂和润滑增强添加剂中的至少一种，其中力学增强添加剂包括碳纤维和玻璃纤维中的至少一种，由此能够增强改性聚醚醚酮复合材料的力学性能；润滑增强添加剂包括石墨和聚四氟乙烯中的至少一种，由此，能够增强改性聚醚醚酮复合材料的润滑性。
在本发明的再一个方面，本发明提出了一种制备上述改性聚醚醚酮复合材料的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：
S100：将聚醚醚酮基体颗粒与二硫化钼和增强添加剂进行混合
该步骤中，将二硫化钼和增强添加剂进行混合，然后再与聚醚醚酮基体颗粒进行混合，以便得到混合料。根据本发明的一个具体实施例，将二硫化钼粉末按比例添加至增强添加剂中，进行12-24小时充分混合，以形成混合料1，然后将该混合料1按比例添加至聚醚醚酮基体颗粒中，进行12-24小时充分混合，以形成混合料2，以确保改性聚醚醚酮复合材料中的二硫化钼呈均匀分散状态。
需要说明的是，上述混合的工艺可以包括采用气流粉碎机或球磨机进行混合的机械混合工艺、将混合料溶于溶液中的液相混合工艺、以及对混合料加热至固液共存态进行混合的熔融共混工艺中的至少一种。该机械混合工艺、液相混合工艺和熔融共混工艺均为本领域常规操作，此处不再赘述。
S200：将混合料在预定温度加热且保温预定时间，然后冷却后进行加工成型
该步骤中，将上述得到的混合料在预定温度加热，并保温预定时间，聚醚醚酮基体颗粒在预定温度中融化，并与二硫化钼和增强添加剂充分混合。二硫化钼、增强添加剂和聚醚醚酮通过范德华力结合，无需添加其他交联剂即可实现非常好的界面结合强度。然后冷却至室温进行加工成型，以便得到改性聚醚醚酮复合材料。
根据本发明的一个实施例，上述预定温度和预定时间并不受特别限制，根据本发明的一个具体实施例，对上述得到的混合料进行加热的预定温度为340～390℃，进行保温的预定时间为30min～120min。发明人发现，若预定温度过高，则容易发生挤出现象，若预定温度过低，则聚醚醚酮会保持颗粒状态无法形成复合材料。
根据本发明的再一个实施例，上述的加工成型包括挤出、吹塑、压制、注射、压延、拉幅薄膜、静态浇铸、嵌铸、离心浇铸、流延铸塑、搪塑、滚塑、冷压烧结、涂覆和纺丝中的至少一种。
需要说明的是，上述挤出、吹塑、压制、注射、压延、拉幅薄膜、静态浇铸、嵌铸、离心浇铸、流延铸塑、搪塑、滚塑、冷压烧结、涂覆和纺丝均为本领域常规操作，此处不再赘述。
根据本发明实施例的制备上述的改性聚醚醚酮复合材料的方法，将聚醚醚酮基体颗粒与二硫化钼和增强添加剂进行混合，其中二硫化钼作为一种具有自润滑效果的二维材料，将其加入聚醚醚酮材料中，可以和增强添加剂共同协同作用，一方面可以提高聚醚醚酮复合材料的硬度，从而提高聚醚醚酮的耐磨性，另一方面可以通过降低摩擦界面的剪切强度，从而降低聚醚醚酮的摩擦系数；同时，二硫化钼和增强添加剂共同作用可以提高聚醚醚酮复合材料的热传导系数，降低摩擦界面的热量累积，从而也能提高聚醚醚酮的耐磨性。其次，使用较少重量份的二硫化钼即可明显提升聚醚醚酮复合材料的摩擦学性能，有利于生产成本控制。再者，由于二硫化钼的分散性良好，无需额外使用偶联剂，能够使生产工艺得到进一步优化。并通过将上述得到的含有聚醚醚酮、二硫化钼和增强添加剂的混合料在预定温度加热且保温预定时间，聚醚醚酮基体颗粒在预定温度中融化，与二硫化钼和增强添加剂充分混合。二硫化钼、增强添加剂和聚醚醚酮通过范德华力结合，无需添加其他交联剂即可实现非常好的界面结合强度，经冷却后进行加工成型，即可得到本申请上述的改性聚醚醚酮复合材料。由此，本申请组成的改性聚醚醚酮复合材料具有较低的水基润滑的摩擦系数和磨损率，进而有助于提高其在水基润滑液中应用的工作稳定性和服役寿命。
需要说明的是，上述针对改性聚醚醚酮复合材料所描述的特征和优点同样适用于该制备改性聚醚醚酮复合材料的方法，此处不再赘述。
在本发明的又一个方面，本发明提出了一种上述的改性聚醚醚酮复合材料在水基润滑液中的应用。
根据本发明的一个实施例，对于上述的改性聚醚醚酮复合材料在水基润滑液中的应用，可以是应用于水环境工程材料，如艉轴承和柱塞泵滑靴等。申请人发现，本申请组成的改性聚醚醚酮复合材料具有较低的水基润滑的摩擦系数和磨损率，由此有助于提高其在水基润滑液中应用的工作稳定性和服役寿命。
下面详细描述本发明的实施例，需要说明的是下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。本实施例中所使用的增强添加剂为碳纤维。在实际应用中，也可选用玻璃纤维、石墨等添加剂。另外，如果没有明确说明，在下面的实施例中所采用的所有试剂均为市场上可以购得的，或者可以按照本文或已知的方法合成的，对于没有列出的反应条件，也均为本领域技术人员容易获得的。
对比例
取聚醚醚酮基体颗粒100g，置于真空烧结炉中，烧结温度390℃，保温30分钟后冷却至室温，得到组合物A。
实施例1
取聚醚醚酮基体颗粒(粒径为200微米)70g，加入二硫化钼(粒径为1.5微米)0.25g和29.75g的碳纤维，使用球磨机搅拌24小时使两种材料混合均匀，置于真空烧结炉中，烧结温度390℃，保温30分钟后冷却至室温，得到组合物B。
实施例2
取聚醚醚酮基体颗粒(粒径为200微米)70g，加入二硫化钼(粒径为1.5微米)0.5g和29.5g的碳纤维，使用球磨机搅拌24小时使两种材料混合均匀，置于真空烧结炉中，烧结温度390℃，保温30分钟后冷却至室温，得到组合物C。
实施例3
取聚醚醚酮基体颗粒(粒径为200微米)99g，加入二硫化钼(粒径为1.5微米)1g和29g的碳纤维，使用球磨机搅拌24小时使两种材料混合均匀，置于真空烧结炉中，烧结温度390℃，保温30分钟后冷却至室温，得到组合物D。
实施例4
取聚醚醚酮基体颗粒(粒径为200微米)98g，加入二硫化钼(粒径为1.5微米)2g和28g的碳纤维，使用球磨机搅拌24小时使两种材料混，使用球磨机搅拌24小时使两种材料混合均匀，置于真空烧结炉中，烧结温度390℃，保温30分钟后冷却至室温，得到组合物E。
对于上述得到的组合物A-E，采用UMT-5标准摩擦磨损试验机分别测试各组合物的摩擦系数和磨损率，试验介质为去离子水，试验所采用的对磨副为直径10mm的304不锈钢球，恒载荷为5N，线速度为100mm/s。具体测试结果如表1所示。
表1
| 对比例 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | |
| 组合物 | A | B | C | D | E |
| 摩擦系数 | 0.1342 | 0.0428 | 0.0707 | 0.0862 | 0.1103 |
| 磨损率(10<sup>-6</sup>mm<sup>3</sup>/Nm) | 0.1137 | 0.0073 | 0.0195 | 0.06 | 0.0899 |
由表1数据可知，实施例1-4的改性聚醚醚酮复合材料在水环境中的摩擦系数和磨损率均明显低于对比例中的聚醚醚酮，摩擦系数的降低幅度可达68％，磨损率最多可降低一个数量级以上，表明采用本申请的改性聚醚醚酮复合材料确实可以降低水基润滑的摩擦系数和磨损率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种改性聚醚醚酮复合材料，其特征在于，包括：
75～99.75重量份的聚醚醚酮基体颗粒；
0.25～5重量份的二硫化钼；
10～30重量份的增强添加剂。
2.根据权利要求1所述的改性聚醚醚酮复合材料，其特征在于，所述聚醚醚酮基体颗粒的粒径为50微米～2毫米。
3.根据权利要求1或2所述的改性聚醚醚酮复合材料，其特征在于，所述二硫化钼的粒径为1微米～20微米。
4.根据权利要求1所述的改性聚醚醚酮复合材料，其特征在于，所述增强添加剂包括力学增强添加剂和润滑增强添加剂中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的改性聚醚醚酮复合材料，其特征在于，所述力学增强添加剂包括碳纤维和玻璃纤维中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的改性聚醚醚酮复合材料，其特征在于，所述润滑增强添加剂包括石墨和聚四氟乙烯中的至少一种。
7.一种制备权利要求1-6中任一项所述的改性聚醚醚酮复合材料的方法，其特征在于，包括：
(1)将聚醚醚酮基体颗粒与二硫化钼和增强添加剂进行混合，以便得到混合料；
(2)将所述混合料在预定温度加热且保温预定时间，然后冷却后进行加工成型，以便得到改性聚醚醚酮复合材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述预定温度为340～390℃，所述预定时间为30min～120min。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述加工成型包括挤出、吹塑、压制、注射、压延、拉幅薄膜、静态浇铸、嵌铸、离心浇铸、流延铸塑、搪塑、滚塑、冷压烧结、涂覆和纺丝中的至少一种。
10.一种权利要求1-6中任一项所述的改性聚醚醚酮复合材料在水基润滑液中的应用。
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