CN113981700B - 一种纤维织物自润滑复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种纤维织物自润滑复合材料及其制备方法和应用，属于自润滑材料技术领域。Ta4C3Tx和V4C3Tx均为Mxene材料，具有独特的层状结构和优异的承载能力，本发明将二者用于制备纤维织物自润滑复合材料，Ta4C3Tx和V4C3Tx容易发生层间滑移，降低摩擦系数和磨损率，尤其适用于低温重载环境。本发明将二维片状ZnNiAl‑LDH作为固体润滑剂，二维片状ZnNiAl‑LDH容易发生层间滑移，降低摩擦系数和磨损率，且ZnNiAl‑LDH能很好的传递应力，特别适合高速高温工况下工作。

Description

一种纤维织物自润滑复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及自润滑材料技术领域，尤其涉及一种纤维织物自润滑复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
自润滑纤维织物复合材料作为轴承的关键部件，其性能直接影响轴承的服役寿命。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。其中，混纺聚醚醚酮(PEEK)/PTFE织物因其联合了PEEK纤维高的承载力和PTFE纤维突出的润滑性能而成为一种优异的自润滑衬垫材料。然而，随着应用条件的苛刻，纯PEEK-PTFE混纺纤维织物已不能满足使用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纤维织物自润滑复合材料及其制备方法和应用，能够降低纯PEEK-PTFE混纺纤维织物的摩擦系数和磨损率。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种纤维织物自润滑复合材料，包括PEEK-PTFE混纺纤维织物和负载于所述PEEK-PTFE混纺纤维织物上的固体润滑剂，所述固体润滑剂为Ta4C3Tx和V4C3Tx的混合物或者为二维层状ZnNiAl-LDH；所述PEEK-PTFE混纺纤维织物和固体润滑剂通过聚醚酰亚胺粘结。
优选的，所述纤维织物自润滑复合材料中PEEK-PTFE混纺纤维织物的质量含量为60～90％。
优选的，当所述固体润滑剂为Ta4C3Tx和V4C3Tx的混合物时，所述聚醚酰亚胺、Ta4C3Tx和V4C3Tx的质量比为(10～30)：(0.2～0.4)：(0.2～0.4)。
优选的，所述Ta4C3Tx的片径为5～20μm，厚度为50～100nm；所述V4C3Tx的片径为5～50μm，厚度10～100nm。
优选的，当所述固体润滑剂为二维层状ZnNiAl-LDH时，所述聚醚酰亚胺和二维层状ZnNiAl-LDH的质量比为(10～30)：(0.2～0.4)。
优选的，所述二维层状ZnNiAl-LDH的片径为1～2μm，厚度为50～100nm。
本发明提供了上述方案所述纤维织物自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
按照纤维织物自润滑复合材料中聚醚酰亚胺和固体润滑剂的质量比，将聚醚酰亚胺和固体润滑剂分散到N,N-二甲基甲酰胺中，得到浸渍液；
将PEEK-PTFE混纺纤维织物浸渍到所述浸渍液中，干燥后得到纤维织物自润滑复合材料。
优选的，重复所述浸渍和干燥，直至PEEK-PTFE混纺纤维织物的质量达到纤维织物自润滑复合材料质量的60～90％。
本发明提供了上述方案所述纤维织物自润滑复合材料在重载低温环境下作为摩擦材料的应用；所述重载低温环境的温度在-100℃以下，所述重载低温环境的载荷在20MPa以上；所述纤维织物自润滑复合材料中固体润滑剂为Ta4C3Tx和V4C3Tx的混合物。
本发明提供了上述方案所述纤维织物自润滑复合材料在高速高温工况下作为摩擦材料的应用；所述高速高温工况的温度在100℃以上，所述高速高温工况的转速在5m/s以上；所述纤维织物自润滑复合材料中固体润滑剂为二维层状ZnNiAl-LDH。
本发明提供了一种纤维织物自润滑复合材料，包括PEEK-PTFE混纺纤维织物和负载于所述PEEK-PTFE混纺纤维织物上的固体润滑剂，所述固体润滑剂为Ta4C3Tx和V4C3Tx的混合物或者为二维层状ZnNiAl-LDH；所述PEEK-PTFE混纺纤维织物和固体润滑剂通过聚醚酰亚胺粘结。Ta4C3Tx和V4C3Tx均为Mxene材料，具有独特的层状结构和优异的承载能力，本发明将二者用于制备纤维织物自润滑复合材料，Ta4C3Tx和V4C3Tx容易发生层间滑移，降低摩擦系数和磨损率，尤其适用于低温重载环境。本发明将二维片状ZnNiAl-LDH作为固体润滑剂，二维片状ZnNiAl-LDH容易发生层间滑移，降低摩擦系数和磨损率，且ZnNiAl-LDH能很好的传递应力，特别适合高速高温工况下工作。
附图说明
图1为ZnNiAl-LDH的形貌图。
具体实施方式
本发明提供了一种纤维织物自润滑复合材料，包括PEEK-PTFE混纺纤维织物和负载于所述PEEK-PTFE混纺纤维织物上的固体润滑剂，所述固体润滑剂为Ta4C3Tx和V4C3Tx的混合物或者为二维层状ZnNiAl-LDH；所述PEEK-PTFE混纺纤维织物和固体润滑剂通过聚醚酰亚胺粘结。
在本发明中，所述PEEK-PTFE混纺纤维织物优选采用平纹结构编织，面密度优选为420g/cm2。在本发明中，所述纤维织物自润滑复合材料中PEEK-PTFE混纺纤维织物的质量含量优选为60～90％，更优选为65～85％，进一步优选为70～80％。
在本发明中，当所述固体润滑剂为Ta4C3Tx和V4C3Tx的混合物时，所述聚醚酰亚胺、Ta4C3Tx和V4C3Tx的质量比优选为(10～30)：(0.2～0.4)：(0.2～0.4)，更优选为30：0.4：0.4。
在本发明中，所述Ta4C3Tx的片径优选为5～20μm，厚度优选为50～100nm；所述V4C3Tx的片径优选为5～50μm，厚度优选为10～100nm。Ta4C3Tx和V4C3Tx均为Mxene材料，具有独特的层状结构和优异的承载能力，本发明将二者用于制备纤维织物自润滑复合材料，Ta4C3Tx和V4C3Tx容易发生层间滑移，降低摩擦系数和磨损率，尤其适用于低温重载环境。
在本发明中，当所述固体润滑剂为二维层状ZnNiAl-LDH时，所述聚醚酰亚胺和二维层状ZnNiAl-LDH的质量比优选为(10～30)：(0.2～0.4)，更优选为10:0.4。在本发明中，所述二维层状ZnNiAl-LDH的片径优选为1～2μm，厚度优选为50～100nm。
本发明将二维片状ZnNiAl-LDH作为固体润滑剂，二维片状ZnNiAl-LDH容易发生层间滑移，降低摩擦系数和磨损率，且ZnNiAl-LDH能很好的传递应力，特别适合高速高温工况下工作。
本发明提供了上述方案所述纤维织物自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
按照纤维织物自润滑复合材料中聚醚酰亚胺和固体润滑剂的质量比，将聚醚酰亚胺和固体润滑剂分散到N,N-二甲基甲酰胺中，得到浸渍液；
将PEEK-PTFE混纺纤维织物浸渍到所述浸渍液中，干燥后得到纤维织物自润滑复合材料。
在本发明中，未经特殊说明，所用原料均为本领域熟知的市售商品。
按照纤维织物自润滑复合材料中聚醚酰亚胺和固体润滑剂的质量比，将聚醚酰亚胺和固体润滑剂分散到N,N-二甲基甲酰胺中，得到浸渍液。
在本发明中，所述聚醚酰亚胺和N,N-二甲基甲酰胺的质量比优选为(10～30)：(75～80)，更优选为(10～20)：(75～77)。
本发明采用N,N-二甲基甲酰胺既能溶解分散聚醚酰亚胺，同时具有容易除去的特点。在本发明中，所述分散优选在搅拌条件下进行，所述搅拌的转速优选为1000～1500rpm，更优选为1100～1500rpm。在本发明中，所述分散的时间优选为2～3h。
得到浸渍液后，本发明将PEEK-PTFE混纺纤维织物浸渍到所述浸渍液中，干燥后得到纤维织物自润滑复合材料。
浸渍前，本发明优选还包括对所述PEEK-PTFE混纺纤维织物进行预处理，所述预处理优选包括：将PEEK-PTFE混纺纤维织物放入石油醚中进行第一超声清洗，第一干燥后再放入丙酮和乙醇的混合溶液中进行第二超声清洗，取出后进行第二干燥。在本发明中，所述第一超声清洗和第二超声清洗的时间独立地优选为25～35min。本发明对所述第一超声清洗和第二超声清洗的功率没有特殊要求，采用本领域熟知的超声功率即可。本发明对所述第一干燥和第二干燥的条件没有特殊要求。在本发明的实施例中，所述第二干燥的温度优选为80～90℃，时间优选为1～2h。在本发明中，所述丙酮和乙醇的混合溶液中丙酮和乙醇的体积比优选为(1～3):(1～2)。本发明利用预处理除去织物在纺织过程中沾在纤维上的胶料和油剂。
本发明对所述浸渍液的用量没有特殊要求，能够将PEEK-PTFE混纺纤维织物完全浸没即可。在本发明中，所述干燥的温度优选为90～110℃，更优选为100℃。本发明对所述干燥的时间没有特殊要求，完全干燥即可。在本发明中，所述干燥优选在真空干燥箱中进行。
本发明优选重复所述浸渍和干燥，直至PEEK-PTFE混纺纤维织物的质量达到自润滑织物复合材料质量的60～90％。
当所述纤维织物自润滑复合材料中固体润滑剂为Ta4C3Tx和V4C3Tx的混合物时，本发明提供了上述方案所述纤维织物自润滑复合材料在重载低温环境下作为摩擦材料的应用；所述重载低温环境的温度在-100℃以下，所述重载低温环境的载荷在20MPa以上。在本发明的实施例中，所述重载低温环境的温度为-180℃，载荷为26MPa(1000N)。
当所述纤维织物自润滑复合材料中固体润滑剂为二维层状ZnNiAl-LDH时，本发明提供了上述方案所述纤维织物自润滑复合材料在高速高温工况下作为摩擦材料的应用；所述高速高温工况的温度在100℃以上，所述高速高温工况的转速在5m/s以上。在本发明的实施例中，所述高速高温工况的温度为120℃，转速为5m/s。
下面结合实施例对本发明提供的纤维织物自润滑复合材料及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
以下实施例和对比例所用原料情况：
PEEK-PTFE混纺纤维织物由陕西省纺织科学研究院提供，面密度为420g/cm2；
采用上海市合成树脂研究所的聚醚酰亚胺(PEI)；
采用江苏先丰纳米材料科技有限公司的Ta4C3Tx，片径为5～20μm，厚度为50～100nm；
采用江苏先丰纳米材料科技有限公司的V4C3Tx，片径为5～50μm，厚度为10～100nm；
采用利安隆博华(天津)医药化学有限公司的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和石油醚；
采用江苏先丰纳米材料科技有限公司的ZnNiAl-LDH，形貌如图1所示，由图1可知，所述二维层状ZnNiAl-LDH的片径为1.5μm，厚度为80nm。
采用上海新光化工有限公司生产的铁锚牌204酚醛树脂胶。
实施例1
将PEEK-PTFE混纺纤维织物放入石油醚中超声清洗35min，烘干后再放入丙酮：乙醇体积比为3:2的混合溶液中超声清洗35min，取出后在80℃下烘干2h；
将PEI、DMF、Ta4C3Tx、V4C3Tx按质量比30:80:0.4:0.4混合，以1500rpm的速度磁力搅拌3h，然后将预处理后的纤维织物放入浸渍液中浸渍，在110℃的真空烘箱中烘干，重复浸渍、烘干的操作直至织物的含量占复合材料总含量的60％，得到纤维织物自润滑复合材料。
实施例2
将PEEK-PTFE混纺纤维织物放入石油醚中超声清洗30min，烘干后再放入丙酮：乙醇体积比为3:1的混合溶液中超声清洗33min，取出后在90℃下烘干1.5h；
将PEI、DMF、Ta4C3Tx、V4C3Tx按质量比20:77:0.3:0.3混合，以1400rpm的速度磁力搅拌2.5h，然后将预处理后的纤维织物放入浸渍液中浸渍，在100℃的真空烘箱中烘干，重复浸渍、烘干的操作直至织物的含量占复合材料总含量的70％，得到纤维织物自润滑复合材料。
实施例3
将PEEK-PTFE混纺纤维织物放入石油醚中超声清洗25min，烘干后再放入丙酮：乙醇体积比为1:1的混合溶液中超声清洗25min，取出后在85℃下烘干1h；
将PEI、DMF、Ta4C3Tx、V4C3Tx按质量比10:75:0.2:0.2混合，以1000rpm的速度磁力搅拌2h，然后将预处理后的纤维织物放入浸渍液中浸渍，在90℃的真空烘箱中烘干，重复浸渍、烘干的操作直至织物的含量占复合材料总含量的80％，得到纤维织物自润滑复合材料。
实施例4
将PEEK-PTFE混纺纤维织物放入石油醚中超声清洗30min，烘干后再放入丙酮：乙醇体积比为1:2的混合溶液中超声清洗25min，取出后在90℃下烘干1.5h；
将PEI、DMF、Ta4C3Tx、V4C3Tx按质量比25:80:0.2:0.4混合，以1000rpm的速度磁力搅拌2h，然后将预处理后的纤维织物放入浸渍液中浸渍，在100℃的真空烘箱中烘干，重复浸渍、烘干的操作直至织物的含量占复合材料总含量的90％，得到纤维织物自润滑复合材料。
对比例1
将PEI、DMF、Ta4C3Tx按质量比25:80:0.6混合，不添加V4C3Tx，其余工艺与实施例4完全相同，得到纤维织物自润滑复合材料。
对比例2
将PEI、DMF、V4C3Tx按质量比25:80:0.6混合，不添加Ta4C3Tx，其余工艺与实施例4完全相同，得到纤维织物自润滑复合材料。
对比例3
将PEI、DMF按质量比25:80混合，不添加Ta4C3Tx和V4C3Tx，其余工艺与实施例4完全相同，得到纤维织物自润滑复合材料。
性能测试1：
用酚醛树脂将各实施例和对比例制备的自润滑纤维织物复合材料粘接到摩擦试验用的对偶上，固化后在重载低温条件下进行摩擦磨损测试，摩擦磨损测试条件：摩擦磨损测试采用高真空低温摩擦磨损试验机，自润滑织物复合材料与GCr15钢环对磨，试验载荷26MPa(1000N)，转速0.1cm/s，运行时间2h，摩擦系数和磨损率为3～5次测试的平均值，试验温度为-180℃。各实施例和对比例的测试结果见表1。
表1实施例和对比例的试验结果
Figure BDA0003349541770000071
由表1对比例1～3及实施例4可以看出，Ta4C3Tx和V4C3Tx单独使用都有降低系数和磨损率的作用，但是两者同时使用后摩擦学性能提高的更多，说明两者具有协同作用。
以下实施例所用固体润滑剂为ZnNiAl-LDH：
实施例5
将PEEK-PTFE混纺纤维织物放入石油醚中超声清洗30min，烘干后再放入丙酮：乙醇体积比为1:1的混合溶液中超声清洗35min，取出后在80℃下烘干1h；
将PEI、DMF、ZnNiAl-LDH按质量比10:75:0.2混合，以1000rpm的速度磁力搅拌2h，然后将预处理后的纤维织物放入浸渍液中浸渍，在90℃的真空烘箱中烘干，重复浸渍、烘干的操作直至织物的含量占复合材料总含量的90％，得到纤维织物自润滑复合材料。
实施例6
将PEEK-PTFE混纺纤维织物放入石油醚中超声清洗25min，烘干后再放入丙酮：乙醇体积比为3:2的混合溶液中超声清洗25min，取出后在90℃下烘干2h。
将PEI、DMF、ZnNiAl-LDH按质量比30:80:0.4混合，以1500rpm的速度磁力搅拌3h，然后将预处理后的纤维织物放入浸渍液中浸渍，在110℃的真空烘箱中烘干，重复浸渍、烘干的操作直至织物的含量占复合材料总含量的60％，得到纤维织物自润滑复合材料。
实施例7
将PEEK-PTFE混纺纤维织物放入石油醚中超声清洗30min，烘干后再放入丙酮：乙醇体积比为3:1的混合溶液中超声清洗35min，取出后在85℃下烘干2h；
将PEI、DMF、ZnNiAl-LDH按质量比20:80:0.2混合，以1400rpm的速度磁力搅拌2h，然后将预处理后的纤维织物放入浸渍液中浸渍，在95℃的真空烘箱中烘干，重复浸渍、烘干的操作直至织物的含量占复合材料总含量的70％，得到纤维织物自润滑复合材料。
实施例8
将PEEK-PTFE混纺纤维织物放入石油醚中超声清洗25min，烘干后再放入丙酮：乙醇体积比为1:2的混合溶液中超声清洗25min，取出后在90℃下烘干1h；
将PEI、DMF、ZnNiAl-LDH按质量比10:75:0.4混合，以1100rpm的速度磁力搅拌3h，然后将预处理后的纤维织物放入浸渍液中浸渍，在100℃的真空烘箱中烘干，重复浸渍、烘干的操作直至织物的含量占复合材料总含量的65％，得到纤维织物自润滑复合材料。
对比例4
不使用ZnNiAl-LDH，PEI、DMF质量比为10:75，其余与实施例4完全相同。
性能测试2：
用酚醛树脂将实施例5～8和对比例4制备的自润滑纤维织物复合材料粘接到摩擦试验用的对偶上，固化后在高速高温工况下进行摩擦磨损测试，摩擦磨损测试条件：摩擦磨损测试采用高真空低温摩擦磨损试验机，自润滑织物复合材料与GCr15钢环对磨，试验0.5MPa(50N)，转速5m/s，运行时间1h，摩擦系数和磨损率为3～5次测试的平均值，试验温度为120℃。测试结果见表2。
表2实施例5～8和对比例4的结果
项目 摩擦系数 磨损率/10<sup>-14</sup>m<sup>3</sup>·N<sup>-1</sup>·m<sup>-1</sup>
实施例5 0.234 4.6
实施例6 0.214 3.1
实施例7 0.248 6.2
实施例8 0.200 2.3
对比例4 0.263 16.3
由表2可以看出，在高速高温工况下，添加ZnNiAl-LDH之后，纤维织物自润滑复合材料的摩擦系数和磨损率都开始下降。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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 (8)

1.一种纤维织物自润滑复合材料，包括PEEK-PTFE混纺纤维织物和负载于所述PEEK-PTFE混纺纤维织物上的固体润滑剂，所述固体润滑剂为Ta4C3Tx和V4C3Tx的混合物或者为二维层状ZnNiAl-LDH；所述PEEK-PTFE混纺纤维织物和固体润滑剂通过聚醚酰亚胺粘结；
当所述固体润滑剂为Ta4C3Tx和V4C3Tx的混合物时，所述聚醚酰亚胺、Ta4C3Tx和V4C3Tx的质量比为(10～30)：(0.2～0.4)：(0.2～0.4)；
当所述固体润滑剂为二维层状ZnNiAl-LDH时，所述聚醚酰亚胺和二维层状ZnNiAl-LDH的质量比为(10～30)：(0.2～0.4)。
2.根据权利要求1所述的纤维织物自润滑复合材料，其特征在于，所述纤维织物自润滑复合材料中PEEK-PTFE混纺纤维织物的质量含量为60～90％。
3.根据权利要求1所述的纤维织物自润滑复合材料，其特征在于，所述Ta4C3Tx的片径为5～20μm，厚度为50～100nm；所述V4C3Tx的片径为5～50μm，厚度10～100nm。
4.根据权利要求1所述的纤维织物自润滑复合材料，其特征在于，所述二维层状ZnNiAl-LDH的片径为1～2μm，厚度为50～100nm。
5.权利要求1～4任一项所述纤维织物自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
按照纤维织物自润滑复合材料中聚醚酰亚胺和固体润滑剂的质量比，将聚醚酰亚胺和固体润滑剂分散到N,N-二甲基甲酰胺中，得到浸渍液；
将PEEK-PTFE混纺纤维织物浸渍到所述浸渍液中，干燥后得到纤维织物自润滑复合材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，重复所述浸渍和干燥，直至PEEK-PTFE混纺纤维织物的质量达到纤维织物自润滑复合材料质量的60～90％。
7.权利要求1～3任一项所述纤维织物自润滑复合材料在重载低温环境下作为摩擦材料的应用；所述重载低温环境的温度在-100℃以下，所述重载低温环境的载荷在20MPa以上；所述纤维织物自润滑复合材料中固体润滑剂为Ta4C3Tx和V4C3Tx的混合物。
8.权利要求1或4所述纤维织物自润滑复合材料在高速高温工况下作为摩擦材料的应用；所述高速高温工况的温度在100℃以上，所述高速高温工况的转速在5m/s以上；所述纤维织物自润滑复合材料中固体润滑剂为二维层状ZnNiAl-LDH。
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