CN114213818B

CN114213818B - 一种聚对苯二甲酸丁二醇酯基桥梁支座摩擦材料及其制备方法

Info

Publication number: CN114213818B
Application number: CN202210064322.7A
Authority: CN
Inventors: 刘昊; 王建章; 阎逢元
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2023-01-17
Anticipated expiration: 2042-01-20
Also published as: CN114213818A

Abstract

本发明公开了一种聚对苯二甲酸丁二醇酯基桥梁支座摩擦材料及其制备方法，是将聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂、增强纤维、润滑相和其它助剂经过熔融挤出、造粒和注塑成型制成的。本发明以聚对苯二甲酸丁二醇酯为基体，使用有机/无机多相填料、多尺度改性对苯二甲酸丁二醇酯树脂，制备的聚对苯二甲酸丁二醇酯基复合材料具有优异的力学强度，应用于桥梁支座摩擦材料具有较低的磨损率和稳定的摩擦系数，尤其适合应用于高铁桥梁支座重载、高速工况，同时也可应用于干摩擦工况下各种摩擦部件的制造。

Description

一种聚对苯二甲酸丁二醇酯基桥梁支座摩擦材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种桥梁支座摩擦材料，尤其涉及一种以聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂基基桥梁支座摩擦材料及其制备方法，主要用于制造桥梁支座摩擦滑板，属于交通建筑及润滑材料领域。

背景技术

聚合物摩擦滑板广泛应用于铁路、公路桥梁支座中，是保障桥梁结构能够承受车辆载荷、温度徐变和混凝土胀缩产生的水平位移和地震挠度产生的角位移的核心功能部件。随着国内对桥梁承载、抗震能力要求的不断提高，对聚合物摩擦滑板材料的功能要求也相应提高：桥梁支座摩擦材料要在瞬时极高载荷、极宽滑动速度范围内保持低摩擦系数、低磨耗和长使用寿命。

目前，桥梁支座使用的聚合物摩擦材料主要包括聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯及其改性材料。聚四氟乙烯虽然具有较高的摩擦性能，但耐蠕变性能较差，在高应力下磨耗较高。为此，常用锡青铜、石墨、二硫化钼等无机填料填充改性聚四氟乙烯，提高摩擦材料的承载能力、耐磨性并降低变形量。超高分子量聚乙烯具有自润滑、耐磨损、耐腐蚀和耐老化等优点。改性超高分子量聚乙烯经过共混复合或交联等方式，进一步提高了其抗蠕变性能、表面硬度与摩擦磨损性能以满足高速铁路桥梁支座快速滑移的需要。20世纪初改性超高分子量聚乙烯摩擦材料由德国毛勒公司开发后应用于高速铁路桥梁支座上，目前在国内取得大量应用。然而聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯在工程塑料中力学强度并不突出，限制了它们在高速、重载等苛刻桥梁工况下的应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中聚四氟乙烯基、超高分子量聚乙烯基摩擦材料硬度、强度、抗变形能力、耐热性能等性能不理想的问题，提供一种具有高硬度、高强度、抗变形能力强、耐热性能优异的聚对苯二甲酸丁二醇酯基桥梁支座摩擦材料。

本发明聚对苯二甲酸丁二醇酯基桥梁支座摩擦材料，是以聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂为基体，以增强纤维、润滑剂、增塑剂和抗氧剂为填料，经过熔融挤出、造粒和注塑成型制成的。

其中聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂密度为1.20~1.35 g/cm³，熔体体积流动速率为5~40 cm³/10 min。聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂是聚合物基体，相较聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯具有较高的拉伸、弯曲和压缩强度。

增强纤维选自碳纤维、玻璃纤维或硅灰石纤维中的一种或多种；增强纤维的直径为5~15 μm，长度为80~200 μm。增强纤维表面有含氧官能团，能够与聚对苯二甲酸丁二醇酯结构中的酯基官能团形成氢键，具备良好的基体-纤维界面结合力，从而进一步提高摩擦材料的力学强度与表面硬度。

润滑剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、超高分子量聚乙烯中的一种或多种；润滑剂粉体的平均粒径为40~100 μm。润滑剂具备优异的自润滑性能，能够提升摩擦材料的摩擦系数稳定性和磨耗率；同时所述润滑剂均为惰性疏水聚合物，能够提升摩擦材料的耐老化性能。

增塑剂为乙烯-丙烯酸酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯，其中活性组分甲基丙烯酸缩水甘油酯的质量分数为6~10%。增塑剂为三元嵌段共聚物，同时具有惰性乙烯基官能团和极性丙烯酸酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯官能团，通过乙烯基与润滑剂结构中C-F或C-H键相似相容，通过极性丙烯酸酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯官能团与聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂结构中的酯基形成氢键键合，解决了润滑剂与聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂基体不相容的问题。

抗氧剂采用巴斯夫Irganox 1010。该抗氧剂能够在保证摩擦材料力学强度与摩擦磨损性能基本不受影响的前提下，提升摩擦材料的抗氧化与抗老化性能。

大量的优化实验确定，基体原料和填料按以下体积份配比，得到的摩擦材料具有强度高、承载高、抗热变形能力强的特点，满足桥梁支座高速、重载的服役工况要求：聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂85~92份，增强纤维5~10份，润滑剂1~7份，增塑剂0.1~3份，抗氧剂0.1份。

聚对苯二甲酸丁二醇酯基摩擦材料成型产品为桥梁支座摩擦滑板。其制备工艺为：将聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂置于恒温烘箱中烘干2~4h后，与增强纤维、润滑剂、增塑剂和抗氧剂经自动喂料器初步混合后注入双螺杆挤出机进行熔融共混，并经水槽冷却后造粒、烘干；然后将粒料经注塑机注塑、保压成型、冷却脱模。

所述自动喂料器初步混合的转速为5~15 rpm。

所述经双螺杆挤出机熔融共混的挤出温度为250℃~265℃，螺杆转速为50~200rpm。

所述造粒所得粒料直径为2~4 mm，长度为3~5 mm。

所述注塑条件：注塑机料斗温度为255~265℃，模具温度为70~90℃，注塑压力为60~90 MPa；

所述保压成型条件：保压压力为30~40 MPa，保压时间为3~12s。

本发明以聚对苯二甲酸丁二醇酯为基体，使用有机/无机多相填料、多尺度改性对苯二甲酸丁二醇酯树脂，制备的聚对苯二甲酸丁二醇酯基复合材料具有较高的力学强度和表面硬度，低而稳定的摩擦系数和极低的线磨耗率，相对于聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯材料，大幅提高摩擦材料有硬度、强度、抗变形能力、耐热性能，同时通过润滑组分、疏水组分和抗氧组分的合理使用与复配，弥补摩擦材料相较聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯在耐老化性能、吸水性和自润滑性能等方面的不足，尤其适合应用于高铁桥梁支座重载、高速工况，同时也可应用于干摩擦工况下各种摩擦部件的制造。

具体实施方式

实施例1

以体积份计，将聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂（密度为1.20 g/cm³；熔体体积流动速率为40 cm³/10 min）90份，在120℃恒温烘箱中烘干2h后，与玻璃纤维6.6份（直径为12 μm，长度为120 μm），聚四氟乙烯粉体3份（平均粒径为80 μm），增塑剂乙烯-丙烯酸酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯0.3份（甲基丙烯酸缩水甘油酯的质量分数为10%），巴斯夫Irganox 1010（抗氧剂）0.1份，经自动喂料器初步混合后注入双螺杆挤出机进；混合物料经双螺杆挤出机熔融共混均匀（挤出温度265℃，螺杆转速为50 rpm）。经水槽冷却后造粒（粒料直径为2~4 mm，长度为3~5 mm）并烘干，然后将粒料经注塑机注塑（料斗温度为260℃，模具温度为70℃，注塑压力为90 MPa）、保压成型（保压压力30 MPa；保压时间为12 s。）、冷却脱模，得到直径为120 mm，厚度为8 mm的聚对苯二甲酸丁二醇酯基摩擦材料成型产品。

实施例2

以体积份计，取聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂（密度为1.25 g/cm³；熔体体积流动速率为20 cm³/10 min）86份，在120℃恒温烘箱中烘干2h后，与碳纤维（直径为7μm，长度为140μm）10份，超高分子量聚乙烯1份（平均粒径为80 μm），增塑剂乙烯-丙烯酸酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯（甲基丙烯酸缩水甘油酯的质量分数为10%）2.9份，抗氧剂（巴斯夫Irganox 1010）0.1份，经自动喂料器初步混合后注入双螺杆挤出机进行熔融共混（挤出温度255℃，螺杆转速为100 rpm）。经水槽冷却后造粒（粒料直径为2~4 mm，长度为3~5 mm）并烘干；然后将粒料经注塑机注塑（料斗温度为265℃，模具温度为70℃；注塑压力为80 MPa。）、保压成型（保压压力40 MPa；保压时间为6 s。）、冷却脱模，得到直径为120 mm、厚度为8 mm的聚对苯二甲酸丁二醇酯基摩擦材料成型产品。

实施例3

以体积份计，取聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂（聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂的密度为1.20 g/cm³；熔体体积流动速率为40 cm³/10 min。）92份，在120℃恒温烘箱中烘干2h后，与碳纤维（碳纤维直径为7 μm，长度为140 μm）6.6份，聚偏氟乙烯（平均粒径为80μm）3份，增塑剂乙烯-丙烯酸酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯（甲基丙烯酸缩水甘油酯的质量分数为8%）0.2份，抗氧剂（巴斯夫Irganox 1010）0.1份，经自动喂料器初步混合后注入双螺杆挤出机进料口；混合物料经双螺杆挤出机熔融共混（挤出温度260℃，螺杆转速为70 rpm）。经水槽冷却后造粒（粒料直径为2~4 mm，长度为3~5 mm）并烘干，然后将粒料经注塑机注塑（料斗温度为265℃，模具温度为70℃；注塑压力为60 MPa。）、保压成型（保压压力30 MPa；保压时间为6s。）、冷却脱模，得到直径为300 mm，厚度为8 mm的聚对苯二甲酸丁二醇酯基摩擦材料成型产品。

对比例1

以体积份计，将聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂（（聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂的密度为1.20 g/cm³；熔体体积流动速率为40 cm³/10 min）90份，在120℃恒温烘箱中烘干2h后，与超高分子量聚乙烯9.6份，增塑剂乙烯-丙烯酸酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯（甲基丙烯酸缩水甘油酯的质量分数为10%）0.3份，抗氧剂（Irganox 1010）0.1份，经自动喂料器初步混合后注入双螺杆挤出机熔融共混（挤出温度260℃，螺杆转速为50 rpm）。熔融混合物料经水槽冷却后造粒并烘干，然后将粒料经注塑机注塑（料斗温度为260℃，模具温度为70℃；注塑压力为90 MP。）、保压成型（保压压力30 MPa；保压时间为12 s。）、冷却脱模，得到直径为120 mm，厚度为8 mm的聚对苯二甲酸丁二醇酯基摩擦材料成型产品。

对比例2

以体积份计，将聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂（聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂的密度为1.20 g/cm³；熔体体积流动速率为40 cm³/10 min。）90份，在120℃恒温烘箱中烘干2h后，与玻璃纤维（直径为12 μm，长度为120 μm。）9.6份，增塑剂乙烯-丙烯酸酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯（甲基丙烯酸缩水甘油酯的质量分数为10%）0.3份，抗氧剂（巴斯夫Irganox 1010）0.1份，经自动喂料器初步混合后注入双螺杆挤出机进行熔融共混（挤出温度260℃，螺杆转速为50 rpm）。熔融共混物料经水槽冷却后造粒并烘干，然后将粒料经注塑机注塑（料斗温度为260℃，模具温度为70℃；注塑压力为90 MP。）、保压成型（保压压力30 MPa；保压时间为12 s。）、冷却脱模，得到直径为120 mm，厚度为8 mm的聚对苯二甲酸丁二醇酯基摩擦材料成型产品。

对比例3

以体积份计，将聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂（密度为1.20 g/cm³；熔体体积流动速率为40 cm³/10）min90份，在120℃恒温烘箱中烘干2h后，与玻璃纤维（直径为12 μm，长度为120 μm）6.6份，氧化铜（平均粒径为200 μm）3份，增塑剂乙烯-丙烯酸酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯（甲基丙烯酸缩水甘油酯的质量分数为10%）0.3份，抗氧剂（巴斯夫Irganox 1010）0.1份，经自动喂料器初步混合后注入双螺杆挤出机进行熔融共混（挤出温度265℃，螺杆转速为50 rpm）。共混物料经水槽冷却后造粒并烘干，然后将粒料经注塑机注塑（料斗温度为260℃，模具温度为70℃；注塑压力为90 MP。）、保压成型（保压压力30 MPa；保压时间为12 s。）、冷却脱模，得到直径为120 mm，厚度为8 mm的聚对苯二甲酸丁二醇酯基摩擦材料成型产品。

下面对本发明实施例1-3制备的聚对苯二甲酸丁二醇酯基摩擦材料成型产品的各项性能指标进行检测，并与对比例1-3对照，以说明本发明产品的优越性。

1、密度测试。按照标准GB/T 1033.1-2008，采用排水法测试聚对苯二甲酸丁二醇酯基摩擦材料成型产品密度。

2、力学性能测试：拉伸强度与断裂伸长率按照标准GB/T 1040.3-2006进行测试，试样类型为1B型，拉伸速率10 mm/min。拉伸弹性模量按照标准GB/T 1040.1-2006和GB/T1040.3-2006进行测试，试样类型为1B型，拉伸速率1 mm/min。弯曲强度按照标准GB/T9341-2008进行测试，试样尺寸为80×10×4 mm长条形，标距64 mm，弯曲速率2 mm/min。压缩强度按照标准GB/T 1041-2008进行测试，试样尺寸为10×10×4 mm的B型，压缩速率为1mm/min。简支梁缺口冲击强度按照标准GB/T 1043.1-2008进行，试样为80×10×4 mm的C型侧向双侧缺口，缺口底部剩余宽度8 mm，冲击摆锤7.5 J。表面硬度按照标准GB/T 2411-2008进行，将底座与试样紧密接触15 s后读数。

3、热变形温度。按照标准GB/T 1634.1-2004进行A法水平测试，试样尺寸为80×10×4 mm，试验负荷1.8 MPa，升温速率2℃/min。

4、摩擦磨损性能。将上述获得直径100 mm，厚度8 mm聚对苯二甲酸丁二醇酯基摩擦材料成型产品嵌于专用工装后与镜面不锈钢配副，嵌入深度6 mm。配副间不涂抹硅脂，在45 MPa正应力下预压1 h，随后在100吨压剪试验机下进行动摩擦系数相关性测试。试验温度为23±1℃，位移为50 mm，滑移速度分别为5，50，100，150，200，250，350，450，550，650，750，850，950，1100 mm/s，每个滑移速度下进行3次平行试验，取最后一圈滑移时水平力与正应力的比值作为摩擦系数。磨耗率在45 MPa载荷、150 mm/s滑移速度下滑移10 km后按失重法测定磨损失重并计算得到。

测试结果见表1、2。

由表1可见，本发明提供的聚对苯二甲酸丁二醇酯基摩擦材料成型制品拉伸强度为67.2~79.9MPa，断裂伸长率4.68~11.73%，拉伸弹性模量3700~5760 MPa，弯曲强度100.9~102.7 MPa，压缩强度88.1~93.3 MPa，简支梁C型缺口冲击强度7.2~14.0 kJ/m²，热变形温度75.2℃~82.3℃，邵氏硬度75.1~76.6。摩擦系数为0.046~0.058，线磨耗率2.4~3.6μm/km，具有较高的力学强度和表面硬度，低而稳定的摩擦系数和极低的线磨耗率。

由表2可见，对比例1力学强度与热变形温度低，说明不添加增强纤维将导致所得聚对苯二甲酸丁二醇酯基摩擦材料成型产品强度与硬度低，承载负荷有限；对比例2与对比例3不添加润滑剂或改变润滑剂种类，所得聚对苯二甲酸丁二醇酯基摩擦材料成型产品摩擦系数高且波动大，同时磨损率较高，说明润滑剂的选择与含量对保证聚对苯二甲酸丁二醇酯基摩擦材料成型产品低且稳定的摩擦系数和较低的磨耗率具有重要作用。

Claims

1.一种聚对苯二甲酸丁二醇酯基桥梁支座摩擦材料，是以聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂为基体，以增强纤维、润滑剂、增塑剂和抗氧剂为填料，经过熔融挤出、造粒、注塑成型而得；所述各原料按以下体积份进行配比：聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂85~92份，增强纤维5~10份，润滑剂1~7份，增塑剂0.1~3份，抗氧剂0.1份；

所述聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂密度为1.20~1.35 g/cm³，熔体体积流动速率为5~40cm³/10 min；增强纤维选自碳纤维、硅灰石纤维中的一种或多种；增强纤维的直径为5~15 μm，长度为80~200 μm；润滑剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、超高分子量聚乙烯中的一种或多种；润滑剂粉体的平均粒径为40~100 μm；增塑剂为乙烯-丙烯酸酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯，其中活性组分甲基丙烯酸缩水甘油酯的质量分数为6~10%；抗氧剂采用巴斯夫Irganox1010。

2.如权利要求1所述一种聚对苯二甲酸丁二醇酯基桥梁支座摩擦材料的制备方法，是将聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂置于恒温烘箱中烘干2~4h后，与增强纤维、润滑剂、增塑剂和抗氧剂经自动喂料器初步混合后注入双螺杆挤出机进行熔融共混，并经水槽冷却后造粒、烘干；然后将粒料经注塑机注塑、保压成型、冷却脱模。

3.如权利要求2所述一种聚对苯二甲酸丁二醇酯基桥梁支座摩擦材料的制备方法，其特征在于：所述经双螺杆挤出机熔融共混的挤出温度为250℃~265℃，螺杆转速为50~200rpm。

4.如权利要求2所述一种聚对苯二甲酸丁二醇酯基桥梁支座摩擦材料的制备方法，所述注塑条件：注塑机料斗温度为255~265℃，模具温度为70~90℃，注塑压力为60~90 MPa。

5.如权利要求2所述一种聚对苯二甲酸丁二醇酯基桥梁支座摩擦材料的制备方法，其特征在于：所述保压成型条件：保压压力为30~40MPa，保压时间为3~12s。