CN114479245B - 磷酸锆四苯基锡协同改性uhmwpe的抗磨复合材料及制备方法 - Google Patents

磷酸锆四苯基锡协同改性uhmwpe的抗磨复合材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磷酸锆四苯基锡协同改性UHMWPE的抗磨复合材料及制备方法。抗磨复合材料由超高分子量聚乙烯、四苯基锡和磷酸锆组成。首先利用行星式球磨机将四苯基锡粉末、磷酸锆粉末与超高分子量聚乙烯粉末机械共混均匀，然后将混合粉料放入模具中，最后采用热压成型法将混合粉料加热模压熔融后固化成型，待冷却脱模后即可得改性超高分子量聚乙烯基抗磨复合材料。本发明利用磷酸锆稳定的二维分子结构所具有的优异的自润滑性能，和金属有机化合物四苯基锡在聚合物基体中的骨架承载效应，协同改性超高分子量聚乙烯，进而改善了超高分子量聚乙烯的抗磨性能。抗磨复合材料在干摩擦工况下的磨损体积均有显著降低。

Description

磷酸锆四苯基锡协同改性UHMWPE的抗磨复合材料及制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种用于工程装备的材料，具体涉及一种磷酸锆四苯基锡协同改性UHMWPE的抗磨复合材料及制备方法。
背景技术
摩擦磨损普遍存在于机械系统中，不可避免地会导致机械损坏和能源浪费。解决这一问题最有效的方法之一是开发具有自润滑功能的抗磨复合材料。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种分子量超过150万的线型结构高分子聚合物，是一种自润滑高分子材料，因具有高的机械强度和抗冲击性，低的摩擦系数与良好的耐磨性而著称，且无毒、无污染、可再循环回收等优点。然而，UHMWPE的高磨损限制了其在工程装备领域的应用，还需对其进行进一步改进。层状结构的磷酸锆(ZrP)由于具有层间滑动效应具有优异的润滑性能，用于高分子复合材料当中，可以增加复合材料的韧性和拉伸强度，提升材料的稳定性，抗氧化性和抗老化性，同时增加了复合材料的耐摩擦性，用于润滑脂、润滑油中，可以提升油品的承载和抗磨能力，减低基础油的黏度，提高基础油的减摩耐磨性等优点，而金属有机化合物四苯基锡(Ph4Sn)在聚合物基体中具有骨架承载效应。利用磷酸锆和四苯基锡协同改性UHMWPE，制备出具有优异抗磨性能的复合材料，对于提升苛刻工况下工程装备用摩擦副材料的摩擦学性能和延长其使用寿命具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磷酸锆四苯基锡协同改性UHMWPE的抗磨复合材料及制备方法，制备出具有优异抗磨性能的复合材料，大大提升苛刻工况下工程装备用摩擦副材料的摩擦学性能和延长其使用寿命。
本发明制备的抗磨复合材料由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、磷酸锆(ZrP)和四苯基锡(Ph4Sn)组成，首先选配超高分子量聚乙烯粉末、磷酸锆和四苯基锡粉末，将三者干燥后通过机械混合形成混合粉末，将混合粉末置于模具中，采用热压机对混合粉末进行先预压后热压成型工艺，得到抗磨复合材料。本发明利用磷酸锆的自润滑作用和四苯基锡的骨架承载作用，提升了超高分子量聚乙烯的抗磨损性能，最终得到工程装备用抗磨复合材料。抗磨复合材料在干摩擦工况下的磨损体积均大幅度降低。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明保护一种磷酸锆四苯基锡协同改性UHMWPE的抗磨复合材料，其特征在于：由超高分子量聚乙烯、磷酸锆和四苯基锡组成。
优选的，所述超高分子量聚乙烯、磷酸锆和四苯基锡均为粉末状，三种粉末材料经过机械混合通过热压机固化成型形成用于工程装备的耐磨聚合物材料。
优选的，所述抗磨复合材料中的磷酸锆含量为4～5wt.％，所述抗磨复合材料中的四苯基锡含量为0.5～5wt.％。
本发明还保护一种抗磨复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、选配超高分子量聚乙烯粉末；选配磷酸锆粉末；选配四苯基锡粉末；
步骤2、将步骤1得到的超高分子量聚乙烯粉末、磷酸锆粉末和四苯基锡粉末混合均匀，形成混合粉末；
步骤3、将混合粉末置于模具中，采用热压机进行先预压后固化成型最后冷却脱模。
优选的，步骤2中，将超高分子量聚乙烯粉末、磷酸锆粉末和四苯基锡粉末通过行星式球磨机进行机械共混1～2h，得到混合粉末。
优选的，所述混合粉末装入模具前，先60～80℃干燥一段时间。
优选的，所述步骤3中，预压的压力为20～30MPa；预压2～5次，每次3～5min。
优选的，所述步骤3中，热压机固化成型的模具设定温度为160～180℃，固化时间为保温3～4h。
优选的，所述步骤3中，固化成型时，保温3～4h后，停止对模具加热，将模具置于空气中自然冷却，冷却过程中，根据模具温度的下降逐渐增加热压机的压力，直至施加热压压力为140～150MPa保压；模具自然冷却至室温时，卸压脱模，即得到减摩抗磨复合材料。
优选的，所述步骤3的冷却过程中热压机施压参数为：当控温仪温度显示为110℃，施加压力20～30MPa保压；等温度冷却至100℃，施加压力50～60MPa保压；等温度冷却至90℃，施加压力80～90MPa保压；等温度冷却至80℃，施加压力140～150MPa保压直至冷却至常温。
本发明的有益效果：
(1)本发明选用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)粉末为基础材料，对其添加磷酸锆(ZrP)、四苯基锡(Ph4Sn)进行热压成型得到工程装备用ZrPPh4SnUHMWPE聚合物材料试样。由于磷酸锆的自润滑作用和四苯基锡的骨架承载作用，当磷酸锆含量为4～5wt.％，四苯基锡含量为0.5～5wt.％，超高分子量聚乙烯的含量为90～95.5wt.％时，复合材料的耐磨性效果最好，对材料的损耗减小60％以上。
(2)在干摩擦条件下ZrPPh4SnUHMWPE复合材料与纯UHMWPE材料相比，无明显增摩变化。ZrPPh4SnUHMWPE聚合物材料在干摩擦工况下进行摩擦学试验，复合材料磨损体积都比纯UHMWPE材料低，说明ZrPPh4SnUHMWPE复合材料在干摩擦工况下具有更好的耐塑性化和耐磨损性能。
附图说明
图1为本发明中工程装备用耐磨聚合物材料干摩擦工况下摩擦系数和摩擦时间关系图，图中曲线1-4分别为纯UHMWPE材料(曲线1)和实施例1～3(曲线2～4)中制备的不同组成工程装备用用抗磨复合材料曲线；
图2为纯UHMWPE和本发明实施例1～3中制备的工程装备用聚合物材料干摩擦工况下复合材料的磨损体积图；
图3为本发明实施例1中制备的工程装备用聚合物材料干摩擦工况下复合材料的磨痕形貌三维图；
图4为本发明实施例2中制备的工程装备用聚合物材料干摩擦工况下复合材料的磨痕形貌三维图；
图5为本发明实施例3中制备的工程装备用聚合物材料干摩擦工况下复合材料的磨痕形貌三维图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及应用实例，对依据本发明提出的一种磷酸锆四苯基锡协同改性超高分子量聚乙烯的抗磨复合材料具体实施方式进行详细说明。以下实施例仅用于更清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
以下实施例中所述超高分子量聚乙烯粉末、磷酸锆粉末和四苯基锡粉末，其均为常规的市购产品。
实施例1：称取总重量百分比为1wt.％的Ph4Sn原料、4.95wt.％的ZrP原料和94.05wt.％的UHMWPE原料粉末，使用行星式球磨机机械研磨共混1～2h(无明显单一相)。之后将粉末在60～80℃干燥3h。接下来进行成型工艺：将干燥后的原料装入模具中，使用20～30MPa压力进行预压，预压3次，每次3～5min；预压结束后进行固化成型，将模具温度设置为160～180℃，开始对模具加热，控温仪显示温度达到设置温度时，保温3～4h后，停止加热；将模具置于空气中自然冷却，当控温仪温度显示为110℃，施加压力20～30MPa保压；等温度冷却至100℃，施加压力50～60MPa保压；等温度冷却至90℃，施加压力80～90MPa保压；等温度冷却至80℃，施加压力140～150MPa保压；模具自然冷却至室温时，卸压脱模，得到磷酸锆四苯基锡协同改性UHMWPE的抗磨复合材料。
实施例2：称取总重量百分比为3wt.％的Ph4Sn原料、4.85wt.％的ZrP原料和92.15wt.％的UHMWPE原料粉末，使用行星式球磨机机械研磨共混1～2h。之后将粉末在60～80℃干燥3h。接下来进行成型工艺：将干燥后的原料装入模具中，使用20～30MPa压力进行预压，预压3次，每次3～5min；预压结束后进行固化成型，将模具温度设置为160～180℃，开始对模具加热，控温仪显示温度达到设置温度时，保温3～4h后，停止加热；将模具置于空气中自然冷却，当控温仪温度显示为110℃，施加压力20～30MPa保压；等温度冷却至100℃，施加压力50～60MPa保压；等温度冷却至90℃，施加压力80～90MPa保压；等温度冷却至80℃，施加压力140～150MPa保压；模具自然冷却至室温时，卸压脱模，得到磷酸锆四苯基锡协同改性UHMWPE的抗磨复合材料。
实施例3：称取总重量百分比为5wt.％的Ph4Sn原料、4.75wt.％的ZrP原料和90.25wt.％的UHMWPE原料粉末，使用行星式球磨机机械研磨共混1～2h。之后将粉末在60～80℃干燥3h。接下来进行成型工艺：将干燥后的原料装入模具中，使用20～30MPa压力进行预压，预压3次，每次3～5min；预压结束后进行固化成型，将模具温度设置为160～180℃，开始对模具加热，控温仪显示温度达到设置温度时，保温3～4h后，停止加热；将模具置于空气中自然冷却，当控温仪温度显示为110℃，施加压力20～30MPa保压；等温度冷却至100℃，施加压力50～60MPa保压；等温度冷却至90℃，施加压力80～90MPa保压；等温度冷却至80℃，施加压力140～150MPa保压；模具自然冷却至室温时，卸压脱模，得到磷酸锆四苯基锡协同改性UHMWPE的抗磨复合材料。
将上述实施例1～3所制备的UHMWPE复合材料试样的摩擦学性能进行对比，所得结果见图1和图2，磨痕形貌的宽度和深度数据见表1。
表1摩擦学性能对比
Figure BDA0003503623630000041
干摩擦工况下的摩擦学试验是在销-盘摩擦磨损试验机上进行的，运动副的对偶件均为GCr15轴承钢的φ8mm的球，工作载荷为50N，速度为1.10ms(转速500rmin)，旋转半径为21mm，工作时间为30min。
从图1～5及表1可以看出，实施例1～3的ZrPPh4SnUHMWPE复合材料与UHMWPE试样对比，摩擦系数略有增加，但磨痕的宽度和深度均有明显的减小，磨损体积均有所降低，最大降幅超60％以上。本发明所制备的改性ZrPPh4SnUHMWPE复合材料含量在称取总重量百分比为4～5wt.％的磷酸锆，0.5～5wt.％的四苯基锡和90～95.5wt.％的超高分子量聚乙烯原料粉末范围内在干摩擦工况下具有更优异的耐磨性能。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种磷酸锆四苯基锡协同改性UHMWPE的抗磨复合材料，其特征在于：由超高分子量聚乙烯、磷酸锆和四苯基锡组成；
所述超高分子量聚乙烯、磷酸锆和四苯基锡均为粉末状，三种粉末材料经过机械混合通过热压机固化成型形成用于工程装备的耐磨聚合物材料；
抗磨复合材料中的磷酸锆含量为4～5wt.％，所述抗磨复合材料中的四苯基锡含量为0.5～5wt.％。
2.一种权利要求1所述抗磨复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、选配超高分子量聚乙烯粉末；选配磷酸锆粉末；选配四苯基锡粉末；
步骤2、将步骤1得到的超高分子量聚乙烯粉末、磷酸锆粉末和四苯基锡粉末混合均匀，形成混合粉末；
步骤3、将混合粉末置于模具中，采用热压机进行先预压后固化成型最后冷却脱模。
3.如权利要求2所述抗磨复合材料的制备方法，其特征在于：步骤2中，将超高分子量聚乙烯粉末、磷酸锆粉末和四苯基锡粉末通过行星式球磨机进行机械共混1～2h，得到混合粉末。
4.如权利要求2所述抗磨复合材料的制备方法，其特征在于：所述混合粉末装入模具前，先60～80℃干燥一段时间。
5.如权利要求2所述抗磨复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，预压的压力为20～30MPa；预压2～5次，每次3～5min。
6.如权利要求2所述抗磨复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，热压机固化成型的模具设定温度为160～180℃，固化时间为保温3～4h。
7.如权利要求6所述抗磨复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，固化成型时，保温3～4h后，停止对模具加热，将模具置于空气中自然冷却，冷却过程中，根据模具温度的下降逐渐增加热压机的压力，直至施加热压压力为140～150MPa保压；模具自然冷却至室温时，卸压脱模，即得到减摩抗磨复合材料。
8.如权利要求7所述抗磨复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3的冷却过程中热压机施压参数为：当控温仪温度显示为110℃，施加压力20～30MPa保压；等温度冷却至100℃，施加压力50～60MPa保压；等温度冷却至90℃，施加压力80～90MPa保压；等温度冷却至80℃，施加压力140～150MPa保压直至冷却至常温。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003293175A (ja) * 2002-04-03 2003-10-15 Nippon Paint Co Ltd リン酸ジルコニウム積層分子防食膜及び製品
CN107163245A (zh) * 2017-06-06 2017-09-15 湖南工业大学 一种纳米有机改性磷酸锆/mc尼龙复合材料及其制备方法
CN110452435A (zh) * 2019-07-09 2019-11-15 武汉材料保护研究所有限公司 一种四苯基锡改性超高分子量聚乙烯的抗磨复合材料及其制备方法
CN110591294A (zh) * 2019-09-30 2019-12-20 华南理工大学 一种改性磷酸锆-环氧纳米复合材料及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003293175A (ja) * 2002-04-03 2003-10-15 Nippon Paint Co Ltd リン酸ジルコニウム積層分子防食膜及び製品
CN107163245A (zh) * 2017-06-06 2017-09-15 湖南工业大学 一种纳米有机改性磷酸锆/mc尼龙复合材料及其制备方法
CN110452435A (zh) * 2019-07-09 2019-11-15 武汉材料保护研究所有限公司 一种四苯基锡改性超高分子量聚乙烯的抗磨复合材料及其制备方法
CN110591294A (zh) * 2019-09-30 2019-12-20 华南理工大学 一种改性磷酸锆-环氧纳米复合材料及其制备方法

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