CN114085529A - 一种聚苯硫醚基自润滑多元复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚苯硫醚基自润滑多元复合材料，该复合材料由下述体积百分比的原料组成：聚苯硫醚粉体或粒料50%~93%、增强纤维5%~30%、纳米级蛇纹石2%~5%、固体润滑剂0%~15%。同时，本发明还公开了该复合材料的制备方法。本发明可显著降低PPS基复合材料的摩擦系数，提高聚合物复合材料的耐磨性。
Description
技术领域
本发明涉及自润滑复合材料技术及应用领域，尤其涉及一种聚苯硫醚基自润滑多元复合材料及其制备方法。
背景技术
聚合物材料由于其质轻、自润滑特性、化学稳定性高和减震降噪等特点，广泛应用于汽车、船舶、航空和工业装备等领域。随着现代工业的迅速发展，愈来愈多的运动机构服役于严苛的工况，如高载、高速和频繁启停等，因此对运动机构服役寿命和可靠性提出严峻挑战。而发展高可靠、长寿命、自润滑复合材料对于解决相关运动机构的摩擦学性能设计难题具有重要意义。
聚苯硫醚（PPS）树脂是一种结晶性耐热高分子材料，该树脂具有高熔点、优异的耐化学腐蚀性和阻燃特性。采用增强纤维和无机矿物质填充PPS基复合材料可获得具有优异的耐热性、高机械强度和优异的尺寸稳定性的典型的工程材料。
蛇纹石是一种含水的富镁硅酸盐的总称，常呈叶片状，一般用于建筑材料、耐火材料以及化肥原材料，具有原料成本低廉、细化工艺简单和环境友好等众多优点。研究者发现纳米蛇纹石作为润滑油添加剂可显著改善摩擦副的润滑状态，有效降低摩擦磨损[硅酸盐学报,2020,48（2）:299-308]。此外，纳米蛇纹石也可用作功能填料改善金属基复合材料的摩擦学性能，专利CN106399764A报导Al基材料中添加硅粉以及少量蛇纹石粉，可有效提升铝基复合材料的摩擦学性能；但未见其作为功能性填料用于填充改性纤维增强型复合材料的报导。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种摩擦性能良好的聚苯硫醚基自润滑多元复合材料。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供该聚苯硫醚基自润滑多元复合材料的制备方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种聚苯硫醚基自润滑多元复合材料，其特征在于：该复合材料由下述体积百分比的原料组成：聚苯硫醚粉体或粒料50%~93%、增强纤维5%~30%、纳米级蛇纹石2%~5%、固体润滑剂0%~15%。
所述增强填料为碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维中的任意一种。
所述固体润滑剂为石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯中的一种。
如上所述的一种聚苯硫醚基自润滑多元复合材料的制备方法，其特征在于：首先按配比称量各原料；然后将各原料烘干；其次，将烘干的纳米级蛇纹石、增强纤维、聚苯硫醚粉体或粒料和或固体润滑剂通过高速搅拌机充分混合，或利用双螺杆挤出机熔融共混并挤出造粒；最后，将所得的混合粉体或粒料热压成型或注塑成型，即得复合材料。
所述烘干的条件是指温度为120℃，时间为5h ~12h。
所述双螺杆挤出机的工作条件是指一区加热温度320℃~325℃，二区加热温度330℃~335℃，三区加热温度340℃~345℃，四区加热温度350℃~355℃，模具温度为130℃~150℃，注射压力为50MPa，螺杆转速为40rpm ~150rpm，背压1MPa ~4MPa。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明在常规纤维增强PPS基复合材料中进一步添加成本低廉的纳米级别蛇纹石，然后巧妙利用摩擦界面的高闪温与应力作用，促使界面释放的纳米蛇纹石发生摩擦化学反应，进而烧结成高承载和易剪切特性的摩擦转移膜，有效避免了摩擦副的直接刮擦，显著降低PPS基复合材料的摩擦系数，提高了聚合物复合材料的耐磨性。
2、本发明中固体润滑剂具有层状结构，在摩擦过程中易沿晶体层间发生滑移，可进一步调控PPS基复合材料，使新型PPS基多元纳米复合材料表现出极低的摩擦磨损。在极端苛刻工况下，固体润滑剂可快速促使纳米蛇纹石发生摩擦化学反应，并与对偶钢环发生耦合反应，提高对偶金属表面转移膜附着力，生成高性能的转移膜能够持续稳定地服役于苛刻环境。
3、本发明多元复合材料与纯PPS材料相比，平均摩擦系数下降71%，特征磨损率由纯PPS基材料的4.5×10-5 mm3/Nm降为7.2×10-7 mm3/Nm，抗磨性能提高62.5倍。
4、本发明复合材料制备工艺简单，适合热压成型或注塑成型，加工成本低，产品加工精度高，可规模化生产，在现代装备和汽车等领域诸多运动机构中具有十分广阔的应用前景。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例1~2和对比例1~2复合材料的摩擦系数曲线。
图2为本发明实施例1~2和对比例1~2复合材料的磨损率的比较。
具体实施方式
一种聚苯硫醚基自润滑多元复合材料，该复合材料由下述体积百分比的原料组成：聚苯硫醚粉体或粒料50%~93%、增强纤维5%~30%、纳米级蛇纹石2%~5%、固体润滑剂0%~15%。
其中：增强填料为碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维中的任意一种。
固体润滑剂为石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯中的一种。
该复合材料的制备方法：首先按配比称量各原料；然后将各原料于120℃烘干5h ~12h；其次，将烘干的纳米级蛇纹石、增强纤维、聚苯硫醚粉体或粒料和或固体润滑剂通过高速搅拌机充分混合，或利用双螺杆挤出机熔融共混并挤出造粒；最后，将所得的混合粉体或粒料热压成型或注塑成型，即得复合材料。
双螺杆挤出机的工作条件是指一区加热温度320℃~325℃，二区加热温度330℃~335℃，三区加热温度340℃~345℃，四区加热温度350℃~355℃，模具温度为130℃~150℃，注射压力为50MPa，螺杆转速为40rpm ~150rpm，背压1MPa ~4MPa。
实施例1 一种聚苯硫醚基自润滑多元复合材料
将85L聚苯硫醚基体、10L碳纤维、5L蛇纹石的材料放置于烘箱进行烘干处理，烘干5h，烘干温度120℃；再利用双螺杆挤出机将其熔融共混并挤出造粒、注塑成型即得；其中双螺杆挤出机一区加热温度320~325℃，二区加热温度330℃~335℃，三区加热温度340℃~345℃，四区加热温度350℃~355℃、模具温度为150℃、注射压力为50MPa、螺杆转速为150rpm、背压1MPa。
实施例2 一种聚苯硫醚基自润滑多元复合材料
将80L聚苯硫醚基体、10L碳纤维、2L蛇纹石和8L石墨的材料放置烘箱进行烘干处理，烘干12h，烘干温度120℃；再利用双螺杆挤出机将其熔融共混并挤出造粒、注塑成型；双螺杆挤出机一区加热温度320℃~325℃，二区加热温度330℃~335℃，三区加热温度340℃~345℃，四区加热温度350℃~355℃、模具温度为130℃、注射压力为50MPa、螺杆转速为40rpm、背压1MPa。
实施例3 一种聚苯硫醚基自润滑多元复合材料
将50L聚苯硫醚基体、30L碳纤维、5L蛇纹石和15L石墨的材料放置烘箱进行烘干处理，烘干12h，烘干温度120℃；再利用双螺杆挤出机将其熔融共混并挤出造粒、注塑成型；双螺杆挤出机一区加热温度320℃~325℃，二区加热温度330℃~335℃，三区加热温度340℃~345℃，四区加热温度350℃~355℃、模具温度为130℃、注射压力为50MPa、螺杆转速为100rpm、背压4MPa。
实施例4 一种聚苯硫醚基自润滑多元复合材料
将73L聚苯硫醚基体、10L碳纤维、2L蛇纹石和15L石墨的材料放置烘箱进行烘干处理，烘干12h，烘干温度120℃；再利用双螺杆挤出机将其熔融共混并挤出造粒、注塑成型；双螺杆挤出机一区加热温度320℃~325℃，二区加热温度330℃~335℃，三区加热温度340℃~345℃，四区加热温度350℃~355℃、模具温度为130℃、注射压力为50MPa、螺杆转速为150rpm、背压1MPa。
实施例5 一种聚苯硫醚基自润滑多元复合材料
将93L聚苯硫醚基体、5L碳纤维、2L蛇纹石放置烘箱烘干处理，烘干12h，烘干温度120℃；再利用双螺杆挤出机将其熔融共混并挤出造粒、注塑成型；双螺杆挤出机一区加热温度320℃~325℃，二区加热温度330℃~335℃，三区加热温度340℃~345℃，四区加热温度350℃~355℃、模具温度为150℃、注射压力为50MPa、螺杆转速为100rpm、背压4MPa。
对比例1：材料制作方法及设备参数与实施例l相同，只使用纯聚苯硫醚粒料。
对比例2：材料制作方法及设备参数与实施例1相同，各组分的体积分数为：聚苯硫醚粉料90%、碳纤维10%。
对比例3：材料制作方法及设备参数与实施例l相同，各组分的体积分数为：聚苯硫醚粉料95%、纳米蛇纹石5%。
【摩擦实验】
将实施例1~5及对比例1~3所得材料加工成25mm×10mm×4mm的试样块，在高速环-块摩擦试验机（MRH-1A）上进行摩擦试验，每个试样至少进行三次以上的重复试验。测试条件为：室温，对偶钢环为GCr15轴承钢，初始端面粗糙度Ra=0.2µm~0.27µm，钢环内径40mm，外径50mm，试验载荷100N，滑动速度0.5m/s，摩擦磨损试验时间3h，干摩擦工况。
然后按下式计算特征磨损率，结果参见表1：
式中：Ws—磨损率，B—试样宽度，R—对磨钢环半径，W—聚合物试样磨痕宽度，F—施加载荷，L—滑动距离。
表1实施例及对比例制备材料的平均摩擦系数和磨损率测定计算结果
由表1可以看出，本发明多元复合材料与纯聚苯硫醚基体材料、单独填充纳米蛇纹石或者单独填充增强纤维的复合材料相比，均表现极低的摩擦系数及磨损率。
绘制实施例1~2和对比例1~2复合材料的摩擦系数曲线，并比较实施例1~2和对比例1~2复合材料的磨损率。由图1可以发现：实施例1~2摩擦系数均明显低于对比例1~2，且实施例1较纯PPS对比摩擦系数降低了57%；由图2可以发现：实施例1的磨损率为8.1×10-7mm3/Nm，相比对比例1~2具有更高的耐磨性能，且实施例1较纯PPS对比磨损率降低56倍。
Claims (6)
1.一种聚苯硫醚基自润滑多元复合材料，其特征在于：该复合材料由下述体积百分比的原料组成：聚苯硫醚粉体或粒料50%~93%、增强纤维5%~30%、纳米级蛇纹石2%~5%、固体润滑剂0%~15%。
2.如权利要求1所述的一种聚苯硫醚基自润滑多元复合材料，其特征在于：所述增强填料为碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维中的任意一种。
3.如权利要求1所述的一种聚苯硫醚基自润滑多元复合材料，其特征在于：所述固体润滑剂为石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯中的一种。
4.如权利要求1所述的一种聚苯硫醚基自润滑多元复合材料的制备方法，其特征在于：首先按配比称量各原料；然后将各原料烘干；其次，将烘干的纳米级蛇纹石、增强纤维、聚苯硫醚粉体或粒料和或固体润滑剂通过高速搅拌机充分混合，或利用双螺杆挤出机熔融共混并挤出造粒；最后，将所得的混合粉体或粒料热压成型或注塑成型，即得复合材料。
5.如权利要求4所述的一种聚苯硫醚基自润滑多元复合材料的制备方法，其特征在于：所述烘干的条件是指温度为120℃，时间为5h ~12h。
6.如权利要求4所述的一种聚苯硫醚基自润滑多元复合材料的制备方法，其特征在于：所述双螺杆挤出机的工作条件是指一区加热温度320℃~325℃，二区加热温度330℃~335℃，三区加热温度340℃~345℃，四区加热温度350℃~355℃，模具温度为130℃~150℃，注射压力为50MPa，螺杆转速为40rpm ~150rpm，背压1MPa ~4MPa。
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