CN115260678B - 一种聚四氟乙烯基桥梁支座摩擦材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种聚四氟乙烯基桥梁支座摩擦材料的制备方法，是以聚四氟乙烯为基体，低模量氟化乙烯丙烯树脂为改性材料，增强纤维和润滑填料为协同组分，经低温机械共混、双向压制、烧结成型工艺制备而成。本发明使用低模量氟化乙烯丙烯改性聚四氟乙烯，使得聚四氟乙烯摩擦材料具有较低的模量，同时借助增强纤维与润滑填料的协同复合，调控摩擦材料力学性能，降低摩擦材料摩擦系数、磨耗率；通过低温共混提升聚四氟乙烯与多元填料分散程度，避免聚四氟乙烯在机械搅拌时发热粘结。该摩擦材料应用于桥梁支座，具有较低的模量、优异的柔韧性与摩擦磨损性能，可有效延长桥梁支座的使用寿命。

Description

一种聚四氟乙烯基桥梁支座摩擦材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种滑动支座摩擦材料，尤其涉及一种桥梁支座用聚四氟乙烯摩擦材料的制备方法，主要用于桥梁支座摩擦滑板，属于交通建筑材料及减隔震材料领域。
背景技术
桥梁支座是保障铁路或公路桥梁具有较高的平顺性、稳定性和可靠性的重要构件，通常由高分子摩擦滑板和镜面不锈钢板配副构成，而高分子摩擦滑板是其主要功能部件。聚四氟乙烯具有摩擦系数低、自润滑性能与耐老化性能优异等特点，自1959年起即应用为桥梁支座高分子摩擦滑板。自20世纪70年代以来，我国在相关支座标准中明确规定了聚四氟乙烯滑板的性能要求，并在板式橡胶支座、盆式橡胶支座等公路和铁路桥梁支座中获得大量应用。纯聚四氟乙烯虽然具有较好的摩擦性能，但耐蠕变性能较差，在高应力下磨耗率较高，因此在国内外开始进行填充改性聚四氟乙烯材料的研制开发。
然而多年应用经验表明，聚四氟乙烯改性材料在桥梁支座工况下服役时难以保持长期有效的润滑作用，其首要问题在于模量过高。为了保证聚四氟乙烯改性材料具有较低的摩擦系数和磨耗率以及较高的尺寸稳定性，往往需要填充较高含量的无机填料，使得成型制品模量过高，在实际使用中容易引起应力集中，导致破坏失效。其次，聚四氟乙烯改性材料往往依赖于硅脂润滑辅助实现低摩擦系数与磨耗率。然而，硅脂耐候性差，更换困难，往往在支座设计时需要保持结构相对密闭。因此，需要开发一种兼有低模量与低摩擦系数、低磨耗率的新型聚四氟乙烯桥梁支座摩擦材料。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中桥梁支座聚四氟乙烯摩擦材料无机填料含量高、磨损性能不理想等问题，提供一种具有低模量、优异摩擦磨损性能的桥梁支座用聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法。
一、聚四氟乙烯基摩擦材料的制备
本发明聚四氟乙烯基桥梁支座摩擦材料的制备方法，是以聚四氟乙烯为基体，低模量氟化乙烯丙烯树脂为改性材料，增强纤维和润滑填料为协同组分，经低温机械共混、双向压制、烧结成型工艺制备而成。
所述聚四氟乙烯数均分子量为(5~7)×106 g/mol，粒径30~45μm；聚四氟乙烯在滑动支座摩擦材料中的质量分数为40~65%。
所述氟化乙烯丙烯树脂熔体质量流动速率为5~20 g/10min，粒径50~150μm；氟化乙烯丙烯树脂在滑动支座摩擦材料中的质量分数为25~40%。
所述增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维中的一种或两种，且增强纤维的平均直径为5~15μm，长径比为5~17；增强纤维在滑动支座摩擦材料中的质量分数为0.5~5%。
所述润滑填料为滑石粉、二氧化钛、氧化铜和二氧化硅中的至少一种，且润滑填料的平均尺寸为30~200nm；润滑填料滑动支座摩擦材料中的质量分数为0.5~3%。
所述低温机械共混采用配备有液氮夹套的机械混料机，且控制混料温度为4~15℃。
所述双向压制是将混合原料均匀铺展于钢模具中双向压制成型，成型压力为20~40MPa，保压时间为5~15min。为了确保双向压制的均衡，模具设计有双向活动加压板。
所述烧结温度为370~385℃，时间为60~180min。为了确保烧结的温度均衡度，烧结工艺在聚四氟乙烯专用烧结炉中进行，且结炉中配有旋转托盘，托盘的转速为10~30rpm。
二、聚四氟乙烯基摩擦材料的性能
1、摩擦性能
将上述获得的聚四氟乙烯基滑动支座摩擦材料与镜面不锈钢板配副，两板之间不涂抹硅脂，在45 MPa正应力下预压1 h，随后在压剪试验机下进行摩擦磨损性能测试。试验温度为23±1℃。其它试验条件及结果见表1。测试结果表明，所制备聚四氟乙烯滑动支座摩擦材料摩擦系数0.03~0.06，磨耗率4~8μm/km。
2、力学性能测试
最终获得的样品经机械加工成国标指定尺寸在万能试验机上进行力学性能测试，拉伸强度及断裂韧性测试试件为80mm×10mm×4 mm的哑铃型，压缩测试试件为φ25mm×8mm的圆柱形。试验测得聚四氟乙烯滑动支座摩擦材料的各项性能指标见表1。由表1可见，本发明所制备的桥梁支座摩擦材料，具有较低的模量，小而稳定的摩擦系数及低磨耗率。
综上所述，本发明使用低模量氟化乙烯丙烯树脂改性聚四氟乙烯，通过构建二元聚合物合金以控制复合材料整体模量，使制备的聚四氟乙烯基滑动支座摩擦材料具有较低的模量，从而避免在实际使用过程中因高模量引起应力集中而导致断裂失效；同时借助增强纤维与润滑填料的协同复合，调控摩擦材料力学性能，降低摩擦材料摩擦系数、磨耗率；通过低温共混提升聚四氟乙烯与多元填料分散程度，避免聚四氟乙烯在机械搅拌时发热粘结；通过双向压制保障大厚度摩擦滑板均匀性提升大厚度滑动支座制品的均匀性，通过烧结参数精确控制保证高分子充分熔融。应用于桥梁支座具有较低的模量、优异的柔韧性与摩擦磨损性能，可有效延长桥梁支座的使用寿命。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明桥梁支座滑移材料的制备和性能做进一步说明。
实施例1
（1）将1500 g聚四氟乙烯（分子量7×106 g/mol，粒径40μm）、1170g氟化乙烯丙烯树脂（熔体质量流动速率为15 g/10min，粒径100μm）、15 g玻璃纤维（直径10μm，长径比12）和15 g二氧化钛（粒径55nm），于5℃条件下在机械混料机中混合均匀。
（2）取1243.4g上述混合粉体，在不锈钢模具中（模具设计有双向活动加压板）铺展均匀，在20 MPa压力条件下保压10分钟；随后放置于聚四氟乙烯烧结炉中在375℃下烧结60min，自然冷却至室温脱去模具，获得尺寸为直径300 mm，厚度8 mm的聚四氟乙烯滑动支座摩擦材料；
（3）所制备滑移材料在不同滑移速度下的平均动摩擦系数为0.03，摩擦系数波动为5%，线磨耗率5.2μm/km。初始静摩擦系数为0.04，初始动摩擦系数为0.04。所制备滑移材料拉伸强度为30MPa，断裂伸长率为380%，拉伸模量为480MPa。
实施例2
（1）将1650 g聚四氟乙烯（分子量6.5×106 g/mol，粒径40μm）、1200g氟化乙烯丙烯树脂（熔体质量流动速率为5 g/10min，粒径120μm）、60 g玻璃纤维（直径10μm，长径比12）和90 g氧化铜（粒径55nm），于10℃条件下在机械混料机中混合均匀。
（2）取1027.7g上述混合粉体，在不锈钢模具中（模具设计有双向活动加压板）铺展均匀，在20 MPa压力条件下保压10分钟；随后放置于聚四氟乙烯烧结炉中在375℃下烧结60min，自然冷却至室温脱去模具，获得尺寸为直径300 mm，厚度8 mm的聚四氟乙烯滑动支座摩擦材料；
（3）所制备滑移材料在不同滑移速度下的平均动摩擦系数为0.04，摩擦系数波动为8%，线磨耗率6.9μm/km。初始静摩擦系数为0.055，初始动摩擦系数为0.05。所制备滑移材料拉伸强度为27MPa，断裂伸长率为265%，拉伸模量为550MPa。
实施例3
（1）将1560 g聚四氟乙烯（分子量5×106 g/mol，粒径30μm）、1200g氟化乙烯丙烯树脂（熔体质量流动速率为15 g/10min，粒径100μm）、150 g碳纤维（直径7μm，长径比17）和90 g二氧化硅（粒径30nm），于7℃条件下在机械混料机中混合均匀。
（2）取1190.0g上述混合粉体，在不锈钢模具（模具设计有双向活动加压板）中铺展均匀，在30 MPa压力条件下保压15分钟；随后放置于聚四氟乙烯烧结炉中在380℃下烧结100min，自然冷却至室温脱去模具，获得尺寸为直径300 mm，厚度8 mm的聚四氟乙烯滑动支座摩擦材料；
（3）所制备滑移材料在不同滑移速度下的平均动摩擦系数为0.05，摩擦系数波动为9%，线磨耗率7.5μm/km。初始静摩擦系数为0.06，初始动摩擦系数为0.05。所制备滑移材料拉伸强度为25MPa，断裂伸长率为265%，拉伸模量为575MPa。
实施例4
（1）将1950 g聚四氟乙烯（分子量6×106 g/mol，粒径40μm）、960g氟化乙烯丙烯树脂（熔体质量流动速率为12 g/10min，粒径60μm）、30 g玻璃纤维（直径12μm，长径比5）和60g氧化铜（粒径80nm），于12℃条件下在机械混料机中混合均匀。
（2）取1202.9g上述混合粉体，在不锈钢模具（模具设计有双向活动加压板）中铺展均匀，在20 MPa压力条件下保压10分钟；随后放置于聚四氟乙烯烧结炉中在385℃下烧结120min，自然冷却至室温脱去模具，获得尺寸为直径300 mm，厚度8 mm的聚四氟乙烯滑动支座摩擦材料；
（3）所制备滑移材料在不同滑移速度下的平均动摩擦系数为0.05，摩擦系数波动为10%，线磨耗率7.9μm/km。初始静摩擦系数为0.07，初始动摩擦系数为0.06。所制备滑移材料拉伸强度为30MPa，断裂伸长率为270%，拉伸模量为515MPa。

Claims (2)

1.一种聚四氟乙烯基桥梁支座摩擦材料的制备方法，是以聚四氟乙烯为基体，低模量氟化乙烯丙烯树脂为改性材料，增强纤维和润滑填料为协同组分，经低温机械共混、双向压制、烧结成型工艺制备而成；所述各原料组分的质量百分数为：聚四氟乙烯40~65%，氟化乙烯丙烯25~40%、增强纤维0.5~5%，润滑填料为0.5~3%；且各原料组分的质量百分数之和为100%；
所述聚四氟乙烯数均分子量为(5~7)×106 g/mol，粒径30~45μm；
所述低模量氟化乙烯丙烯树脂熔体质量流动速率为5~20 g/10min，粒径50~150μm；
所述增强纤维为玻璃纤维，且增强纤维的平均直径为5~15μm，长径比为5~17；
所述润滑填料为滑石粉、二氧化钛、氧化铜和二氧化硅中的至少一种，且润滑填料的平均尺寸为30~200nm；
所述双向压制是将混合原料均匀铺展于钢模具中双向压制成型，成型压力为20~40MPa，保压时间为5~15min；所述烧结温度为370~385℃，时间为60~180min。
2.如权利要求1所述一种聚四氟乙烯基桥梁支座摩擦材料的制备方法，其特征在于：所述低温机械共混采用配备有液氮夹套的机械混料机，且控制混料温度为4~15℃。
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