CN113913014A - 复合材料、轴承保持架及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种塑料轴承保持架用复合材料，按质量份包括以下组分：聚苯硫醚35～80份，改性碳纤维10～40份，界面增强剂5～15份，改性耐磨剂5～20份，偶联剂0.3～1.5份，抗氧剂0.1～0.6份，加工助剂0.1～1份。制备得到了外观优、缺陷强度高、耐磨损、耐高温、综合性能优异，综合成本较低、适于大规模应用的塑料轴承保持架用复合材料、轴承保持架，可有效解决现有技术环形轴承保持架产品注塑成型后存在的产品性能、外观不良问题。

Description

复合材料、轴承保持架及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料及轴承保持架领域，具体涉及一种塑料轴承保持架用复合材料、轴承保持架及其制备方法。
技术背景
轴承保持架是滚动轴承上的重要功能部件，主要作用是保持、隔离、引导滚动体正常转动并提供润滑的作用。常用的轴承保持架有金属及改性塑料材质，随着轴承转速提高，密度大的金属材料保持架已不能满足轴承的要求，而密度仅为金属的1/4～1/8，有耐磨、抗震、抗磁、耐辐射、耐蚀、低摩擦等独特优点的塑料轴承保持架应用越来越广泛。目前塑料轴承保持架主要有酚醛层压布材等热固性塑料保持架以及尼龙(PA)、聚甲醛(POM)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺(PI)等热塑性塑料保持架。采用注塑成型的部分热塑性塑料保持架由于产品设计灵活度好、生产效率高，受到行业青睐，目前主要应用的有：PA与POM 类轴承保持架，使用温度一般在120℃以下，耐热性和耐腐蚀性方面有局限性，应用高速轴承时易因受热变形引起抱轴卡死或烧伤变形导致轴承失效；PEEK、PI 类轴承保持架产品性能突出，可满足高速轴承领域应用要求，但价格高成型难度大，对生产设备、生产工艺要求也高；PPS、PPA类轴承保持架具备耐高温、耐腐蚀和优异的力学性能,且相比PEEK、PEI、PI具有显著的成本优势，但材料较脆、产品成型缺陷率高，三类产品均存在一定的应用局限性。
同时随着航空、航天、汽车、船舶、机械制造等工业的飞速发展，对轴承等传动部件的要求越来越高，促使轴承保持架在产品性能、外观、尺寸稳定性方面也提出了更高要求。而轴承保持架一般为环形产品，注塑成型时，熔体汇合处不可避免的产生熔接线成型缺陷，该缺陷处为制品最薄弱环节，性能仅为材料性能的10％-50％，因此引发了轴承保持架产品环拉强度低、制孔变形、外观不达标等问题，造成无法满足高端轴承的应用要求。因此为了进一步扩展塑料轴承保持架的应用，迫切需要解决现有技术存在的不耐温、成本高、成型缺陷等问题，提供一款外观优性能好、耐磨损、耐高温、综合成本较低、适于大规模应用的塑料轴承保持架用复合材料、制品的制备方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种塑料轴承保持架用复合材料，按质量份包括以下组分：聚苯硫醚35～80份，改性碳纤维10～40份，界面增强剂5～15份，改性耐磨剂5～20份，偶联剂0.3～1.5份，抗氧剂0.1～0.6份，加工助剂0.1～1份。
根据本发明提供的一种复合材料，所述的界面增强剂为缺陷改进剂、增容剂、流动改进剂的混合物。
根据本发明提供的一种复合材料，缺陷改进剂、增容剂、流动改进剂质量比为1～5：3～10：1。
根据本发明提供的一种复合材料，所述的缺陷改进剂为环氧基脂肪族共聚物、双酚S型环氧树脂的一种或两种。
根据本发明提供的一种复合材料，所述的增容剂为马来酸酐接枝氢化苯乙烯 -丁二烯嵌段共聚物(SEBS-g-MAH)、马来酸酐接枝乙烯-丙烯酸甲酯的二元共聚物(EMA-g-MAH)或马来酸酐接枝三元乙丙橡胶(EPDM-g-MAH)中的一种或多种，马来酸酐接枝率为0.5-2％。
根据本发明提供的一种复合材料，所述的流动改性剂为树枝状耐高温树脂。
缺陷改进剂具备强极性活性基团，在注塑成型时易在熔体流动前端富集，与体系组分间产生强的分子间作用力，从而形成缺陷桥接结构，提升缺陷处产品性能；树脂状耐高温流动改性剂改善材料流动性能同时由于本身位阻较大减弱了体系组分沿垂直流动方向的取向。
根据本发明提供的一种复合材料，所述的改性碳纤维为短切碳纤维，纤维长度0.5-6mm，直径5-20um；通过如下方法制备：在氮气保护下通过热处理去浆，再涂敷耐高温环氧树脂制备而成。其中所述的耐高温环氧树脂为四缩水甘油基 4,4'-二氨基二苯醚、4,4'-二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺、三缩水甘油基对氨基苯酚中的一种或多种。该类耐高温环氧树脂分子中含有多个环氧基团，环氧基团与碳纤维表面的羟基活性基团发生反应，环氧基团还可以与PPS分子链末端的巯基(-SH)引发开环反应，从而起到了非常好的桥接作用。
根据本发明提供的一种复合材料，所述的改性耐磨剂为耐磨剂与硅烷类偶联剂高速混合制备而成，耐磨剂与硅烷类偶联剂的投料质量比为1：0.005～0.02。
根据本发明提供的一种复合材料，所述的耐磨剂为聚四氟乙烯、二硫化钼、硫化亚锡-磷酸盐、纳米二氧化硅、纳米氧化锌中的一种或多种。所述的硅烷类偶联剂为γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷、3-苯胺基丙基三甲氧基硅烷、γ- 巯丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种。耐磨剂通过改性后耐磨剂粉体与体系其它组分通过氢键和极性键形成强界面结合，从而不仅可减弱粉体添加带了的界面影响，而且可较大幅度提升耐磨改进效果。
根据本发明提供的一种复合材料，所述的抗氧剂为1,3,5-三(4-叔丁基-3- 羟基-2,6-二甲基苄基)-1,3,5-三嗪-2,4,6-(1H,3H,5H)-三酮、3,9-双[1,1-二甲基-2-[(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酰氧基]乙基]-2,4,8,10-四氧螺[5.5] 十一烷、N，N，-双-(3-3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺、三[2，4- 二叔丁基苯基]亚磷酸酯、双(2，4—二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯、季戊四醇类十二硫代丙酯中的两种或多种复配。上述抗氧剂与聚苯硫醚具有良好的相容性，能有效地防止聚苯硫醚热氧化降解，同时也是一种高效的加工稳定剂，能改善聚苯硫醚在高温加工条件下的耐变色性。
根据本发明提供的一种复合材料，所述的加工助剂为季戊四醇硬脂酸酯、氧化聚乙烯蜡、芥酸酰胺中的一种或多种。
本发明还提供一种塑料轴承保持架用复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：按配方称取各原料，分别进行聚苯硫醚干燥处理、碳纤维改性处理、耐磨剂改性处理；
S2：将S1步骤干燥后的聚苯硫醚，与界面增强剂、偶联剂、抗氧剂、改性耐磨剂、加工助剂混合，加入双螺杆挤出机的主喂料中；将S1步骤处理过的改性碳纤维加入至所述的双螺杆挤出机的侧喂料中，熔融共混挤出，制成所述的塑料轴承保持架用复合材料。
根据本发明提供的一种塑料轴承保持架用复合材料的制备方法，所述的S1 步骤聚苯硫醚的干燥温度为110-150℃，干燥时间4～8h。碳纤维改性退浆热处理温度为300-400℃，处理时间为3-6h；耐磨剂改性的混合温度为100～120℃，混合时间为2～5min。
根据本发明提供的一种塑料轴承保持架用复合材料的制备方法，所述的S2 步骤双螺杆挤出机的熔融挤出温度分别为：进料段270-290℃、熔融段320-330℃、混炼段300-320℃、排气段310-290℃、模头270-290℃，其中，螺杆长径比36～ 48：1，螺杆转速200～500rpm。
本发明还提供一种轴承保持架的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将上述的复合材料注塑成型制成所述的塑料保持架初品；
步骤2：将塑料保持架初品退火热处理制成所述塑料轴承保持架成品。
根据本发明提供的一种轴承保持架的制备方法，所述的注塑温度为 290-330℃，注塑速度为80-150mm/s，保压压力为80-130MPa，模具温度120-160℃。
根据本发明提供的一种轴承保持架的制备方法，所述的热处理温度为 110-160℃，热处理时间为10-15h。
有益效果
(1)本发明制备的轴承保持架用复合材料利用界面增强剂、碳纤维及耐磨剂处理工艺，使得体系内产生环氧基、砜基、羟基、巯基、羧基等活性基团，并发生相应的化学反应，同时在注塑成型时极性基团在熔体流动前端富集，形成具备强分子间作用力的缺陷桥接结构，极大程度的改善了碳纤维、聚苯硫醚树脂、耐磨剂之间的界面结合性能以及注塑缺陷处的产品性能，制备得到了外观优、缺陷强度高、耐磨损、耐高温、综合性能优异，综合成本较低、适于大规模应用的塑料轴承保持架用复合材料、轴承保持架，从而可有效解决现有技术环形轴承保持架产品注塑成型后存在的产品性能、外观不良问题。
(2)本发明制备的轴承保持架相比热压、模压烧结等工艺生产的塑料保持架生产效率高、成本低、适合大规模生产；相比常用的尼龙与聚甲醛类塑料保持架产品使用温度、尺寸稳定性更高；相比聚酰亚胺、聚醚醚酮类塑料保持架加工性优、综合成本低，具备质量轻、耐磨损、耐油、耐高温、综合性能优异、尺寸稳定好等性能，可广泛的应用于航空航天、汽车制造、舰船武器等许多高端轴承领域。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
下述中，如无特殊说明，所有的原料均来自于商购或者通过本领域的常规方法制备而得。下述中，所使用的聚苯硫醚(PPS)购于重庆聚狮新材料科技有限公司，所使用的碳纤维购于日本东丽；所使用的耐磨剂购于日本大金工业株式会所、奥地利特博科，所使用的缺陷改进剂购于东莞创之源新材料科技有限公司、东北石化研究所，所述的流动改性剂购于威海晨源分子新材料有限公司，所使用的抗氧剂购于美国氰特工业公司、中国台湾奇钛，所使用的偶联剂购于南京奥诚化工，所使用的加工助剂购于意大利发基公司。
下述中，改性碳纤维通过如下方法制备而得：在氮气气氛保护下，将碳纤维置于高温炉腔体中，在温度400℃下处理4h，然后置于装有无水氯化钙干燥剂的干燥器中备用。将耐高温环氧树脂配置成4％的丙酮溶液，搅拌均匀，将上述去浆处理的碳纤维完全浸没于耐高温环氧树脂丙酮溶液中2-3h，后取出置于支架上待溶剂完全挥发，放入真空烘箱中80℃烘24h，制成改性碳纤维。
下述中，改性耐磨剂通过如下方法制备而成：将耐磨剂PTFE、硫化亚锡-磷酸盐按照质量比10：3比例置于高速混合机中，于100～120℃条件下高速搅拌 3min后，按照耐磨剂：硅烷偶联剂质量比99：1加入硅烷偶联剂，继续搅拌5min，制成改性耐磨剂。
实施例1
本实施例提供一种塑料轴承保持架,以质量份数计，其原料包括：聚苯硫醚 48份，环氧基脂肪族共聚物2份，马来酸酐接枝氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物 5份，树枝状耐高温树脂1份，上述方法制备的改性碳纤维30份，上述方法制备的改性耐磨剂13份，偶联剂0.5份，抗氧剂0.5份，加工助剂0.6份；
其制备方法为：
(1)按配方称取各原料，将所述聚苯硫醚(PPS)放入干燥箱，温度设定 110℃，干燥时间6小时；将碳纤维、耐磨剂按上述方法进行改性处理；
(2)将(1)步骤干燥后的聚苯硫醚、偶联剂加入高速混料锅中混合1min 后，加入界面增强剂、抗氧剂、加工助剂等混合1min，再加入改性耐磨剂混合 1min，制成混合料，将混合料加入双螺杆挤出机的主喂料中，将(1)步骤处理过的改性碳纤维加入至所述的双螺杆挤出机的侧喂料中，挤出机螺杆长径比40： 1，从加料段到机头温度设定为：280℃/290℃/320℃/330℃/330℃/320℃/320℃ /300℃/300℃/290℃，螺杆转速400rpm，熔融共混挤出，制成所述的塑料轴承保持架用复合材料；
(3)将(2)步骤的塑料轴承保持架用复合材料150℃干燥4h后注塑成型制成所述的塑料保持架初品；注塑温度为290-330℃，注塑速度为130mm/s，保压压力为100MPa，模具温度140℃。
(4)将(3)步骤的塑料保持架初品置于120℃的烘箱中退火热处理12h制成所述塑料轴承保持架成品。
实施例2
本实施例提供一种塑料轴承保持架,以质量份数计，其原料包括：聚苯硫醚 58份，双酚S型环氧树脂2份，马来酸酐接枝氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物5 份，树枝状耐高温树脂1份，上述方法制备的改性碳纤维30份，上述方法制备的改性耐磨剂13份，偶联剂0.5份，抗氧剂0.5份，加工助剂0.6份；
其制备方法同实施例1
实施例3
本实施例提供一种塑料轴承保持架,以质量份数计，其原料包括：聚苯硫醚 58份，环氧基脂肪族共聚物2份，马来酸酐接枝乙烯-丙烯酸甲酯的二元共聚物 5份，树枝状耐高温树脂1份，上述方法制备的改性碳纤维20份，上述方法制备的改性耐磨剂13份，偶联剂0.5份，抗氧剂0.5份，加工助剂0.6份；
其制备方法为：
(1)按配方称取各原料，将所述聚苯硫醚(PPS)放入干燥箱，温度设定 110℃，干燥时间6小时；将碳纤维、耐磨剂按上述方法进行改性处理；
(2)将(1)步骤干燥后的聚苯硫醚、偶联剂加入高速混料锅中混合1min 后，加入界面增强剂、抗氧剂、加工助剂等混合1min，再加入改性耐磨剂混合 1min，制成混合料，将混合料加入双螺杆挤出机的主喂料中，将(1)步骤处理过的改性碳纤维加入至所述的双螺杆挤出机的侧喂料中，挤出机螺杆长径比40：1，从加料段到机头温度设定为：280℃/290℃/320℃/330℃/330℃/320℃/320℃ /300℃/300℃/290℃，螺杆转速400rpm，熔融共混挤出，制成所述的塑料轴承保持架用复合材料；
(3)将(2)步骤的塑料轴承保持架用复合材料150℃干燥4h后注塑成型制成所述的塑料保持架初品；注塑温度为290-330℃，注塑速度为120mm/s，保压压力为90MPa，模具温度140℃。
(4)将(3)步骤的塑料保持架初品置于120℃的烘箱中退火热处理12h制成所述塑料轴承保持架成品。
对比例1
本对比例提供一种塑料轴承保持架,以质量份数计，其原料包括：聚苯硫醚 56份，上述方法制备的改性碳纤维30份，上述方法制备的改性耐磨剂13份，偶联剂0.5份，抗氧剂0.5份，加工助剂0.6份；
其制备方法同实施例1
对比例2
本对比例提供一种塑料轴承保持架,以质量份数计，其原料包括：聚苯硫醚 56份，短切碳纤维30份，聚四氟乙烯10份，硫化锡-磷酸盐3份，偶联剂0.5 份，抗氧剂0.5份，加工助剂0.6份；
其制备方法为：按配方称取各原料，将所述聚苯硫醚(PPS)放入干燥箱，温度设定110℃，干燥时间6小时；将干燥后的聚苯硫醚、偶联剂、耐磨剂、抗氧剂、加工助剂加入双螺杆挤出机的主喂料中，将短切碳纤维加入至所述的双螺杆挤出机的侧喂料中，挤出机螺杆长径比40：1，从加料段到机头温度设定为：280℃ /290℃/320℃/330℃/330℃/320℃/320℃/300℃/300℃/290℃，螺杆转速 400rpm，熔融共混挤出，制成塑料轴承保持架用复合材料。
本发明实施例、对比例制备的改性粒子放入烘箱中150℃热烘4h，然后放置入干净的注塑机料筒内同工艺下进行注塑成型，注塑温度290℃～330℃，注塑压力100MPa，注射速度100mm/s，模具温度140℃。
本发明拉伸强度按照GB/T1040.2-2006测试，环拉强度测量方法参考标准JB/T4037-2007测试，压缩强度按照JB/T 4037-2007&GB/T 5132-1985测试，弯曲强度按照GB/T9341-2008测试，简支梁无缺口强度按照GB/T1043.1-2008 测试，热变形温度按照GB/T1634.2-2004测试，摩擦系数、磨损量测量方法参考标准GB/T3960-1983进行测试,外观为目测。
产品性能及注塑样条性能见下表：
Figure BDA0003324796420000071
Figure BDA0003324796420000081
通过上表的测试结果，可以清晰的看到本发明各实施例制得的轴承保持架材料通过利用界面增强剂、碳纤维及耐磨剂处理工艺，有效解决现有技术环形轴承保持架产品注塑成型后存在的产品性能、外观不良问题，极大程度的改善了产品的外观，提高了产品环拉强度、压缩强度等性能，制备得到了外观优、缺陷强度高、耐磨损、耐高温、综合性能优异，综合成本较低、适于大规模应用的塑料轴承保持架用复合材料、轴承保持架，具备广阔的应用前景。未添加界面增强剂(对比例1)与现有常规聚苯硫醚类轴承保持架材料(对比例2)因各组分界面连接较弱，成型缺陷性能损失过大影响，制品外观、性能难以满足高端轴承领域应用要求。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种复合材料，其特征在于，按质量份包括以下组分：聚苯硫醚35～80份，改性碳纤维10～40份，界面增强剂5～15份，改性耐磨剂5～20份，偶联剂0.3～1.5份，抗氧剂0.1～0.6份，加工助剂0.1～1份，所述的界面增强剂为缺陷改进剂、增容剂、流动改进剂的混合物。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，缺陷改进剂、增容剂、流动改进剂质量比为(1～5)：(3～10)：1。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述的缺陷改进剂为环氧基脂肪族共聚物、双酚S型环氧树脂的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述的增容剂为马来酸酐接枝氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、马来酸酐接枝乙烯-丙烯酸甲酯的二元共聚物或马来酸酐接枝三元乙丙橡胶中的一种或多种，马来酸酐接枝率为0.5-2％。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述的流动改性剂为树枝状耐高温树脂。
6.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述的改性碳纤维为短切碳纤维，纤维长度0.5-6mm，直径5-20um；所述的改性碳纤维通过如下方法制备：在氮气保护下通过热处理去浆，再涂敷耐高温环氧树脂制备而成，其中所述的耐高温环氧树脂为四缩水甘油基4,4'-二氨基二苯醚、4,4'-二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺、三缩水甘油基对氨基苯酚中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述的改性耐磨剂为耐磨剂与硅烷类偶联剂高速混合制备而成，耐磨剂与硅烷类偶联剂的投料质量比为1：(0.005～0.02)。
8.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述的耐磨剂为聚四氟乙烯、二硫化钼、硫化亚锡-磷酸盐、纳米二氧化硅、纳米氧化锌中的一种或多种，所述的硅烷类偶联剂为γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷、3-苯胺基丙基三甲氧基硅烷、γ-巯丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种。
9.一种轴承保持架的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：将权利要求1-8中任一项所述的复合材料注塑成型制成所述的塑料保持架初品；
步骤2：将塑料保持架初品退火热处理制成所述塑料轴承保持架成品。一种轴承保持架，其特征在于，用如权利要求1-8中任一项所述的复合材料或用权利要求9所述的制备方法制备得到。
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