CN114621545A - 一种高耐磨复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高耐磨复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高耐磨复合材料及其制备方法和应用，涉及复合材料技术领域。本发明提供的高耐磨复合材料，以重量份数计，包括以下制备原料：聚四氟乙烯75～90份，增强填料10～20份，金属‑有机框架材料1～5份。在本发明中，所述增强填料能够提高复合材料的机械强度，所述金属‑有机框架材料(MOFs)能够提高材料的机械性能和摩擦学性能。本发明提供的高耐磨复合材料具有优异的机械性能和耐磨性，有利于提高复合材料的密封特性，在摩擦学领域和密封领域具有极大的应用价值。

Description

一种高耐磨复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种高耐磨复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
在航空发动机传动与润滑系统中，密封装置是关键核心部件，不仅保证滑油的有效使用，防止飞机环控引气污染，还是影响发动机达到设计使用寿命指标的重要影响因素之一。
聚四氟乙烯具有抗酸抗碱、耐高温、抗各种有机溶剂的特点，常被用作密封材料。但是纯聚四氟乙烯机械性能和耐磨性差，导致其密封特性无法满足工程应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高耐磨复合材料及其制备方法和应用，本发明提供的高耐磨复合材料具有优异的机械性能和耐磨性，提高了复合材料的密封特性。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种高耐磨复合材料，以重量份数计，包括以下制备原料：聚四氟乙烯75～90份，增强填料10～20份，金属-有机框架材料1～5份。
优选地，所述增强填料为聚苯酯、聚酰亚胺和聚醚醚酮中的一种或几种。
优选地，所述金属-有机框架材料为ZIF-8。
优选地，所述金属-有机框架材料的粒径为200～400nm，比表面积为1500～2200m2/g，孔径为0.34～1.16nm。
本发明提供了上述技术方案所述高耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将聚四氟乙烯、增强填料和金属-有机框架材料混合，得到混合物料；
将所述混合物料进行冷压成型，得到坯体；
将所述坯体进行烧结，得到高耐磨复合材料。
优选地，所述冷压成型的压力为60MPa，保压时间为30min。
优选地，所述烧结的温度为375℃，保温时间为90～150min。
本发明提供了上述技术方案所述高耐磨复合材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的高耐磨复合材料在密封装置中的应用。
本发明提供了一种高耐磨复合材料，以重量份数计，包括以下制备原料：聚四氟乙烯75～90份，增强填料10～20份，金属-有机框架材料1～5份。在本发明中，所述增强填料能够提高复合材料的机械强度，所述金属-有机框架材料(MOFs)具有多孔结构，大的比表面积能够提高其与聚四氟乙烯基体材料的界面结合强度，提高材料的机械性能；MOFs在摩擦过程中释放到摩擦副接触界面，能够在金属对偶表面形成高性能的转移膜，摩擦界面高性能转移膜能够缓解摩擦副材料表面的直接刮擦，从而提高复合材料的摩擦学性能。因此，本发明提供的高耐磨复合材料具有优异的机械性能和耐磨性，有利于提高复合材料的密封特性，在摩擦学领域和密封领域具有极大的应用价值。
具体实施方式
本发明提供了一种高耐磨复合材料，以重量份数计，包括以下制备原料：聚四氟乙烯75～90份，增强填料10～20份，金属-有机框架材料1～5份。
在本发明中，若无特殊说明，所有的制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
在本发明中，按重量份数计，制备所述高耐磨复合材料的原料包括聚四氟乙烯75～90份，优选为80～85份。在本发明中，所述聚四氟乙烯的粒径优选为75μm。
在本发明中，以所述聚四氟乙烯的重量份数为基准，制备所述高耐磨复合材料的原料包括增强填料10～20份，优选为10～15份。在本发明中，所述增强填料优选为聚苯酯、聚酰亚胺和聚醚醚酮中的一种或几种，更优选为聚苯酯和聚醚醚酮的混合物；所述聚苯酯和聚醚醚酮的混合物中聚苯酯和聚醚醚酮的质量比优选为1:2。在本发明中，所述聚苯酯的粒径优选为800目；所述聚酰亚胺的粒径优选为75μm；所述聚醚醚酮的粒径优选为80μm。
在本发明中，以所述聚四氟乙烯的重量份数为基准，制备所述高耐磨复合材料的原料包括金属-有机框架材料1～5份，优选为2～4份。在本发明中，所述金属-有机框架材料优选为ZIF-8。在本发明中，ZIF-8作为一种多孔MOFs材料，由Zn离子簇和2-甲基咪唑配体构成，具有良好的机械稳定性，有利于提高复合材料的密封特性。高承载能力的ZIF-8在摩擦过程中释放到摩擦副接触界面能够有效去除金属表面的氧化层，在金属对偶表面形成高性能的转移膜，摩擦界面高性能转移膜能够缓解摩擦副材料表面的直接刮擦，从而提高复合材料的摩擦学性能。
在本发明中，所述金属-有机框架材料的粒径优选为200～400nm，比表面积优选为1500～2200m2/g，更优选为1800～2000m2/g，孔径优选为0.34～1.16nm。
本发明提供了上述技术方案所述高耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将聚四氟乙烯、增强填料和金属-有机框架材料混合，得到混合物料；
将所述混合物料进行冷压成型，得到坯体；
将所述坯体进行烧结，得到高耐磨复合材料。
本发明将聚四氟乙烯、增强填料和金属-有机框架材料混合，得到混合物料。在本发明中，所述混合优选为机械混合；所述混合的时间优选为2min。本发明优选将混合后的材料进行干燥，得到混合物料。在本发明中，所述干燥的温度优选为120℃；所述干燥的时间优选为2h。
得到混合物料后，本发明将所述混合物料进行冷压成型，得到坯体。在本发明中，所述冷压成型的压力优选为60MPa，保压时间优选为30min。
得到坯体后，本发明将所述坯体进行烧结，得到高耐磨复合材料。在本发明中，所述烧结的温度优选为375℃，保温时间优选为90～150min，更优选为100～120min。在本发明中，由室温升温至所述烧结的温度的升温速率优选为5℃/min。
在本发明中，所述烧结优选在聚四氟乙烯烧结炉中进行；所述烧结的气氛优选为大气环境。
本发明优选在所述烧结后，自由降温，得到高耐磨复合材料。
本发明还提供了上述技术方案所述高耐磨复合材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的高耐磨复合材料在密封装置中的应用，优选将所述高耐磨复合材料加工成唇形密封圈。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例和对比例采用的原料：
聚四氟乙烯购于日本大金氟化有限公司，聚四氟乙烯的粒径为75μm；
聚苯酯购于自贡众城特种塑料有限公司，聚苯酯的粒径为800目；
聚酰亚胺购于上海合成树脂研究所研制的非晶YS-20，聚酰亚胺的粒径为75μm；
聚醚醚酮购于吉林省中研高分子材料股份有限公司，聚醚醚酮的粒径为80μm；
ZIF-8购于江苏先丰纳米材料科技有限公司，ZIF-8的平均粒径为300nm，平均比表面积为1800m2/g，平均孔径为0.9nm。
实施例1
称取聚四氟乙烯79g、聚苯酯20g、ZIF-81g，加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min，每隔30s散热1h，将混合好的材料在120℃条件下干燥2h，冷却至室温，得到混合物料；
将所述混合物料均匀填装到模具中，在60MPa压强条件下冷压预成型，保压30min，脱模得到坯体；
将所述坯体放入烧结炉中烧结，以5℃/min升温速率由室温逐步升温至375℃，并在375℃保温100min，烧结结束后自由降温，得到高耐磨复合材料。
实施例2
称取聚四氟乙烯78g、聚苯酯20g、ZIF-82g，加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min，每隔30s散热1h，将混合好的材料在120℃条件下干燥2h，冷却至室温，得到混合物料；
将所述混合物料均匀填装到模具中，在60MPa压强条件下冷压预成型，保压30min，脱模得到坯体；
将所述坯体放入烧结炉中烧结，以5℃/min升温速率由室温逐步升温至375℃，并在375℃保温100min，烧结结束后自由降温，得到高耐磨复合材料。
实施例3
称取聚四氟乙烯77g、聚苯酯20g、ZIF-83g，加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min，每隔30s散热1h，将混合好的材料在120℃条件下干燥2h，冷却至室温，得到混合物料；
将所述混合物料均匀填装到模具中，在60MPa压强条件下冷压预成型，保压30min，脱模得到坯体；
将所述坯体放入烧结炉中烧结，以5℃/min升温速率由室温逐步升温至375℃，并在375℃保温100min，烧结结束后自由降温，得到高耐磨复合材料。
实施例4
称取聚四氟乙烯76g、聚苯酯20g、ZIF-84g，加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min，每隔30s散热1h，将混合好的材料在120℃条件下干燥2h，冷却至室温，得到混合物料；
将所述混合物料均匀填装到模具中，在60MPa压强条件下冷压预成型，保压30min，脱模得到坯体；
将所述坯体放入烧结炉中烧结，以5℃/min升温速率由室温逐步升温至375℃，并在375℃保温100min，烧结结束后自由降温，得到高耐磨复合材料。
实施例5
称取聚四氟乙烯75g、聚苯酯20g、ZIF-85g，加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min，每隔30s散热1h，将混合好的材料在120℃条件下干燥2h，冷却至室温，得到混合物料；
将所述混合物料均匀填装到模具中，在60MPa压强条件下冷压预成型，保压30min，脱模得到坯体；
将所述坯体放入烧结炉中烧结，以5℃/min升温速率由室温逐步升温至375℃，并在375℃保温100min，烧结结束后自由降温，得到高耐磨复合材料。
实施例6
称取聚四氟乙烯84g、聚苯酯5g、聚醚醚酮10g、ZIF-81g，加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min，每隔30s散热1h，将混合好的材料在120℃条件下干燥2h，冷却至室温，得到混合物料；
将所述混合物料均匀填装到模具中，在60MPa压强条件下冷压预成型，保压30min，脱模得到坯体；
将所述坯体放入烧结炉中烧结，以5℃/min升温速率由室温逐步升温至375℃，并在375℃保温120min，烧结结束后自由降温，得到高耐磨复合材料。
实施例7
称取聚四氟乙烯80g、聚苯酯5g、聚醚醚酮10g、ZIF-85g，加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min，每隔30s散热1h，将混合好的材料在120℃条件下干燥2h，冷却至室温，得到混合物料；
将所述混合物料均匀填装到模具中，在60MPa压强条件下冷压预成型，保压30min，脱模得到坯体；
将所述坯体放入烧结炉中烧结，以5℃/min升温速率由室温逐步升温至375℃，并在375℃保温120min，烧结结束后自由降温，得到高耐磨复合材料。
实施例8
称取聚四氟乙烯89g、聚酰亚胺10g、ZIF-81g，加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min，每隔30s散热1h，将混合好的材料在120℃条件下干燥2h，冷却至室温，得到混合物料；
将所述混合物料均匀填装到模具中，在60MPa压强条件下冷压预成型，保压30min，脱模得到坯体；
将所述坯体放入烧结炉中烧结，以5℃/min升温速率由室温逐步升温至375℃，并在375℃保温90min，烧结结束后自由降温，得到高耐磨复合材料。
实施例9
称取聚四氟乙烯85g、聚酰亚胺10g、ZIF-85g，加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min，每隔30s散热1h，将混合好的材料在120℃条件下干燥2h，冷却至室温，得到混合物料；
将所述混合物料均匀填装到模具中，在60MPa压强条件下冷压预成型，保压30min，脱模得到坯体；
将所述坯体放入烧结炉中烧结，以5℃/min升温速率由室温逐步升温至375℃，并在375℃保温90min，烧结结束后自由降温，得到高耐磨复合材料。
对比例1
称取聚四氟乙烯80g、聚苯酯20g，加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min，每隔30s散热1h，将混合好的材料在120℃条件下干燥2h，冷却至室温，得到混合物料；
将所述混合物料均匀填装到模具中，在60MPa压强条件下冷压预成型，保压30min，脱模得到坯体；
将所述坯体放入烧结炉中烧结，以5℃/min升温速率由室温逐步升温至375℃，并在375℃保温100min，烧结结束后自由降温，得到高耐磨复合材料。
对比例2
称取聚四氟乙烯70g、聚苯酯25g、ZIF-85g，加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min，每隔30s散热1h，将混合好的材料在120℃条件下干燥2h，冷却至室温，得到混合物料；
将所述混合物料均匀填装到模具中，在60MPa压强条件下冷压预成型，保压30min，脱模得到坯体；
将所述坯体放入烧结炉中烧结，以5℃/min升温速率由室温逐步升温至375℃，并在375℃保温100min，烧结结束后自由降温，得到高耐磨复合材料。
对比例3
称取聚四氟乙烯70g、聚苯酯30g，加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min，每隔30s散热1h，将混合好的材料在120℃条件下干燥2h，冷却至室温，得到混合物料；
将所述混合物料均匀填装到模具中，在60MPa压强条件下冷压预成型，保压30min，脱模得到坯体；
将所述坯体放入烧结炉中烧结，以5℃/min升温速率由室温逐步升温至375℃，并在375℃保温100min，烧结结束后自由降温，得到高耐磨复合材料。
测试例
拉伸强度：按照GB/T 1040.2-2006规定进行，采用1A型试样，试样标距(50.0±0.5)mm，使用万能试验机测试，拉伸速率50mm/min，测试3个试样，并计算其平均值。
摩擦系数和磨痕宽度：按照GB/T 3960-2016规定，采用M-2000型摩擦磨损试验机测试，试样对偶材质45#钢，HRC40-45，尺寸外径(40±0.5)mm，内径16mm，宽度10mm，表面粗糙度Ra≤0.4；试环转速200r/min，时间2h，负荷200N，在无润滑条件下进行，每组试样测试3个，并计算其平均摩擦值。
密封试验：按照GB/T 21283.4《密封元件为热塑性材料的旋转轴唇密封圈第4部分：性能试验程序》规定进行试验，介质为美孚飞马Ⅱ号滑油、单个周期为24h包括室温14h(19078rpm)、150℃6h(12380rpm)、停机冷却4h，共10个周期。密封泄漏量指的是在24h内泄漏的油的量。表1为实施例和对比例测试结果。
表1实施例和对比例的机械性能、耐磨性和密封性测试结果
Figure BDA0003600224860000081
Figure BDA0003600224860000091
结果分析：
由实施例1～5可以发现，ZIF-8的含量并非越多越好，存在一个最佳的含量。当ZIF-8含量过低时，对材料机械性能、摩擦学性能和密封特性的增强程度有限，当ZIF-8含量过高时，ZIF-8容易发生团聚，降低材料的机械性能、摩擦学性能和密封特性。
由对比例1和实施例5对比可知，当聚四氟乙烯和增强填料在规定的范围内时，无ZIF-8添加，材料的机械性能、摩擦学性能和密封特性下降。
由对比例2和实施例5对比可知，当聚四氟乙烯和增强填料不在规定的范围内时，有ZIF-8添加，材料的机械性能、摩擦学性能和密封特性也会相应下降。
由对比例3和实施例5对比可知，当聚四氟乙烯和增强填料在规定的范围外，并且无ZIF-8添加时，材料的机械性能、摩擦学性能和密封特性下降极大。
综上可知，本发明通过聚四氟乙烯、增强填料和金属-有机框架材料的协同作用，并限定各原料的用量，能够增强复合材料的摩擦学性能、力学性能和密封特性。
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)

1.一种高耐磨复合材料，以重量份数计，包括以下制备原料：聚四氟乙烯75～90份，增强填料10～20份，金属-有机框架材料1～5份。
2.根据权利要求1所述的高耐磨复合材料，其特征在于，所述增强填料为聚苯酯、聚酰亚胺和聚醚醚酮中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的高耐磨复合材料，其特征在于，所述金属-有机框架材料为ZIF-8。
4.根据权利要求1或3所述的高耐磨复合材料，其特征在于，所述金属-有机框架材料的粒径为200～400nm，比表面积为1500～2200m2/g，孔径为0.34～1.16nm。
5.权利要求1～4任一项所述高耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将聚四氟乙烯、增强填料和金属-有机框架材料混合，得到混合物料；
将所述混合物料进行冷压成型，得到坯体；
将所述坯体进行烧结，得到高耐磨复合材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述冷压成型的压力为60MPa，保压时间为30min。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度为375℃，保温时间为90～150min。
8.权利要求1～4任一项所述高耐磨复合材料或权利要求5～7任一项所述制备方法制备得到的高耐磨复合材料在密封装置中的应用。
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