CN115850831B - 一种耐磨材料及水润滑轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及耐磨材料领域，具体为一种耐磨材料及水润滑轴承，以重量分数计，包括以下组成成分：超高分子量聚乙烯30‑40份、不饱和聚酯20‑25份、热致性液晶聚合物5‑10份、离子液体微胶囊1‑2.5份、填料5‑10份、玻璃纤维1‑3份、助剂0.5‑1份，本发明所制备耐磨材料的耐磨性能良好，在低转速下(25r/min)，仍然具有具有较低的摩擦系数和体积磨损率，能够满足实际工程应用要求，应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明涉及耐磨材料领域，具体为一种耐磨材料及水润滑轴承。
背景技术
随着节能环保的时代需求，许多资源浪费和环境污染问题被日趋重视。在船舶领域中，每年有数千吨的润滑油从船用尾轴轴承中泄漏，造成了严重的海洋污染和石油资源浪费。因此传统的油润滑船用尾轴轴承逐渐被环保性能更好的水润滑轴承所取代。
但由于水的黏度仅为润滑油的十分之一，承载能力较差，尤其在机械设备启停和换向等低速情况下，轴承与转轴之间难以形成有效的润滑膜，使摩擦系数偏高，磨损严重，这就要求水润滑轴承具有良好的减磨耐磨性能。
锡青铜合金是最早应用水润滑的尾轴承材料，然而在船舶运行过程中，尾轴承容易出现严重的磨损和电化学腐蚀，这些缺陷限制了它在水润滑尾轴承上的应用。直到铁犁木材料被发现并应用于水润滑尾轴承，水润滑尾轴承所面临的严重的摩擦和电化学腐蚀才得到一定改善。但是铁犁木材料资源稀少，难以大规模应用推广，橡胶和高聚物轴承作为替代物开始出现，在中、高速下，可以形成较好的水膜，但是在低速下，所形成的水膜承载能力相对较弱，自润滑性能较差，耐磨性能达不到使用要求。
发明内容
发明目的：针对上述技术问题，本发明提出了一种耐磨材料及水润滑轴承。
所采用的技术方案如下：
一种耐磨材料，以重量分数计，包括以下组成成分：
超高分子量聚乙烯30-40份、不饱和聚酯20-25份、热致性液晶聚合物5-10份、离子液体微胶囊1-2.5份、填料5-10份、玻璃纤维1-3份、助剂0.5-1份。
进一步地，以重量分数计，包括以下组成成分：
超高分子量聚乙烯40份、不饱和聚酯20份、热致性液晶聚合物8份、离子液体微胶囊1.5份、填料6份、玻璃纤维2份、助剂0.8份。
进一步地，所述不饱和聚酯为酚醛环氧型乙烯基不饱和聚酯树脂或环氧乙烯基不饱和聚酯。
进一步地，所述离子液体微胶囊包括芯材和璧材；
所述芯材包括咪唑类离子液体和邻苯二甲酸二丁酯；
所述璧材为脲醛树脂。
进一步地，所述咪唑类离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-己基-2,3-二甲基咪唑溴盐中的一种或多种。
进一步地，所述离子液体微胶囊的制备方法如下：
尿素、甲醛溶液、三乙醇胺搅拌均匀，升温至60-70℃，反应90-120min得到脲醛预聚体溶液，将咪唑类离子液体和邻苯二甲酸二丁酯加入苯甲醇中混合均匀后再加入十二烷基苯酸钠水溶液，得到芯材乳液，将脲醛预聚体溶液缓慢滴入芯材乳液中，再加入柠檬酸将体系pH调节至2-3，反应3-5h后，抽滤，所得固体真空干燥至恒重即可。
进一步地，所述填料包括耐磨填料和补强填料；
所述耐磨填料包括马来酸酐改性二硫化钼和聚四氟乙烯；
所述补强填料为氢氧化铝、氧化锌、碳酸钙和硫酸钡中的一种或多种组合。
进一步地，所述马来酸酐改性二硫化钼的制备方法如下：
将二硫化钼粉体加入无水乙醇中，超声分散后得到分散液，将马来酸酐水溶液，缓慢加入到分散液中，升温至回流搅拌反应2-4h后，冷却至室温，抽滤，所得固体用乙醇洗涤后，真空干燥并粉碎。
进一步地，所述助剂包括硬脂酸锌、辛酸钴、过氧化甲乙酮。
本发明还提供了一种水润滑轴承，由上述耐磨材料制成。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种耐磨材料，超高分子量聚乙烯是由高分子化合物组成且呈线性长链结构的热塑性塑料，被称为综合性能最出色的工程类塑料聚合物，与橡胶材料相比具有机械强度高、硬度大的特点，极高的分子量使具有优异的耐磨性、自润滑性、耐冲击性、耐低温性、耐腐蚀性等优点，不饱和聚酯的粘度低，与超高分子量聚乙烯混合可以降低其熔融状态下的粘度，改善熔体流动性，提升加工性能，而且不饱和聚酯的交联密变大、热变形温度高，固化交联后生成网状结构，能够提高耐磨材料的力学强度和耐磨性能，热致性液晶聚合物的加入对不饱和聚酯的固化起到促进作用，降低固化体系的活化能，提高耐磨材料的韧性、抗冲击性能和耐磨性能，离子液体微胶囊加入后，在摩擦的过程中，微胶囊破裂而释放出具有润滑性能的离子液体，达到即时润滑的效果，使耐磨材料表现出良好自润滑性能和一定的自修复性能，马来酸酐改性二硫化钼和聚四氟乙烯作为耐磨填料加入，可在摩擦过程中材料表面形成稳定、均匀的转移膜减少表面磨损，提高材料的耐磨性能，本发明所制备耐磨材料的耐磨性能良好，在低转速下(25r/min)，仍然具有具有较低的摩擦系数和体积磨损率，能够满足实际工程应用要求，应用前景广泛。
附图说明
图1为实施例1中所制备离子液体微胶囊的SEM图；
图2为实施例1中耐磨材料经过性能测试后的表面SEM图，由图可以观察到，磨损造成的犁槽宽度和深度较小，且没有磨粒、碎屑和撕裂。
具体实施方式
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
超高分子量聚乙烯，日本三井化学L3000，密度0.939g/cm3；
酚醛环氧型乙烯基不饱和聚酯树脂，江苏能耐高分子新材料有限公司；
热致性液晶聚合物，Xydar美国苏威G930；
离子液体微胶囊，实验室自制；
玻璃纤维，中国巨石股份有限公司，强度2.8GPa，模量86GPa，平均直径10μm，长径比4，密度2.25g/cm3；
马来酸酐改性二硫化钼，实验室自制；
聚四氟乙烯，济宁三石生物科技有限公司；
氢氧化铝，硬脂酸锌，辛酸钴，过氧化甲乙酮均为化学纯。
实施例1：
一种耐磨材料，以重量分数计，包括以下组成成分：
超高分子量聚乙烯40份、酚醛环氧型乙烯基不饱和聚酯树脂20份、热致性液晶聚合物8份、离子液体微胶囊1.5份、玻璃纤维2份、马来酸酐改性二硫化钼2份、聚四氟乙烯2份、氢氧化铝2份、硬脂酸锌0.5份、辛酸钴0.2份、过氧化甲乙酮0.1份。
其中，离子液体微胶囊包括芯材和璧材；
芯材包括质量比为1：1的咪唑类离子液体和邻苯二甲酸二丁酯；
璧材为脲醛树脂；
离子液体微胶囊的制备方法如下：
将40g尿素、64g浓度为37％的甲醛溶液、4.5mL三乙醇胺搅拌均匀，升温至70℃，反应100min得到脲醛预聚体溶液，将30g 1-丁基-3-甲基咪唑溴盐和30g邻苯二甲酸二丁酯加入200mL苯甲醇中混合均匀后再加入50mL 1wt％十二烷基苯酸钠水溶液，得到芯材乳液，将脲醛预聚体溶液缓慢滴入芯材乳液中，再加入柠檬酸将体系pH调节至2-3，反应5h后，抽滤，所得固体真空干燥至恒重即可。
马来酸酐改性二硫化钼的制备方法如下：
将50g二硫化钼粉体加入200mL无水乙醇中，超声分散50min后得到分散液，将150mL 10wt％马来酸酐水溶液，缓慢加入到分散液中，升温至回流搅拌反应3h后，冷却至室温，抽滤，所得固体用乙醇洗涤后，80℃真空干燥并粉碎；
上述耐磨材料的制备方法如下：
将超高分子量聚乙烯、酚醛环氧型乙烯基不饱和聚酯树脂、热致性液晶聚合物、离子液体微胶囊、玻璃纤维、马来酸酐改性二硫化钼、聚四氟乙烯、氢氧化铝、硬脂酸锌、辛酸钴、过氧化甲乙酮混合均匀后加入双螺杆挤出机中，经过加热熔融、挤出、冷却、风干、切粒后注塑成型即可。
实施例2：
一种耐磨材料，以重量分数计，包括以下组成成分：
超高分子量聚乙烯40份、酚醛环氧型乙烯基不饱和聚酯树脂25份、热致性液晶聚合物10份、离子液体微胶囊2.5份、玻璃纤维3份、马来酸酐改性二硫化钼2份、聚四氟乙烯2份、氢氧化铝2份、硬脂酸锌0.5份、辛酸钴0.2份、过氧化甲乙酮0.1份。
其中，离子液体微胶囊和马来酸酐改性二硫化钼的制备方法同实施例1。
上述耐磨材料的制备方法如下：
将超高分子量聚乙烯、酚醛环氧型乙烯基不饱和聚酯树脂、热致性液晶聚合物、离子液体微胶囊、玻璃纤维、马来酸酐改性二硫化钼、聚四氟乙烯、氢氧化铝、硬脂酸锌、辛酸钴、过氧化甲乙酮混合均匀后加入双螺杆挤出机中，经过加热熔融、挤出、冷却、风干、切粒后注塑成型即可。
实施例3：
一种耐磨材料，以重量分数计，包括以下组成成分：
超高分子量聚乙烯30份、酚醛环氧型乙烯基不饱和聚酯树脂20份、热致性液晶聚合物5份、离子液体微胶囊1份、玻璃纤维1份、马来酸酐改性二硫化钼2份、聚四氟乙烯2份、氢氧化铝2份、硬脂酸锌0.5份、辛酸钴0.2份、过氧化甲乙酮0.1份。
其中，离子液体微胶囊和马来酸酐改性二硫化钼的制备方法同实施例1。
上述耐磨材料的制备方法如下：
将超高分子量聚乙烯、酚醛环氧型乙烯基不饱和聚酯树脂、热致性液晶聚合物、离子液体微胶囊、玻璃纤维、马来酸酐改性二硫化钼、聚四氟乙烯、氢氧化铝、硬脂酸锌、辛酸钴、过氧化甲乙酮混合均匀后加入双螺杆挤出机中，经过加热熔融、挤出、冷却、风干、切粒后注塑成型即可。
实施例4：
与实施例1基本相同，区别在于，用环氧乙烯基不饱和聚酯代替酚醛环氧型乙烯基不饱和聚酯树脂。
实施例5：
与实施例1基本相同，区别在于，离子液体微胶囊制备时用1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐代替1-丁基-3-甲基咪唑溴盐。
实施例6：
与实施例1基本相同，区别在于，离子液体微胶囊制备时用1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐代替1-丁基-3-甲基咪唑溴盐。
对比例1：
与实施例1基本相同，区别在于，不加入酚醛环氧型乙烯基不饱和聚酯树脂。
对比例2：
与实施例1基本相同，区别在于，不加入热致性液晶聚合物。
对比例3：
与实施例1基本相同，区别在于，不加入离子液体微胶囊。
对比例4：
与实施例1基本相同，区别在于，不加入马来酸酐改性二硫化钼。
对比例5：
与实施例1基本相同，区别在于，用二硫化钼代替马来酸酐改性二硫化钼。
对比例6：
与实施例1基本相同，区别在于，不加入聚四氟乙烯。
性能测试：
将本发明实施例1-6及对比例1-6所制备的耐磨材料作为试样；
采用标准环块试样：外径50mm、内径40mm、厚度8mm，对应的摩擦副材料为锡青铜ZQSn10Zn2，测试在万能磨损试验机上进行；
性能测试包括干摩擦试验、磨损试验和水润滑摩擦试验、磨损试验，干摩摩擦系数是指在没有润滑介质条件下所测得的摩擦系数，水润滑摩擦系数是指在以水为润滑介质条件下所测得的摩擦系数，摩擦试验条件：采用GB/T 3960-2016，加载力196N，加载速率25r/min，体积磨损率按V＝(m1-m2)/ρ计算，磨损试验条件：采用GB/T 3960-2016，加载力196N，加载速率25r/min，其中m1为实验前试样质量，m2为实验后试样质量，ρ为试样密度。
测试结果如下表1所示：
表1：
由上表1可知，本发明所制备耐磨材料的耐磨性能良好，在低转速下(25r/min)，仍然具有具有较低的摩擦系数和体积磨损率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种耐磨材料，其特征在于，以重量分数计，包括以下组成成分：
超高分子量聚乙烯30-40份、不饱和聚酯20-25份、热致性液晶聚合物5-10份、离子液体微胶囊1-2.5份、填料5-10份、玻璃纤维1-3份、助剂0.5-1份；
所述离子液体微胶囊包括芯材和璧材；
所述芯材包括咪唑类离子液体和邻苯二甲酸二丁酯；
所述璧材为脲醛树脂；
所述咪唑类离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-己基-2,3-二甲基咪唑溴盐中的一种或多种；
所述填料包括耐磨填料和补强填料；
所述耐磨填料包括马来酸酐改性二硫化钼和聚四氟乙烯；
所述补强填料为氢氧化铝、氧化锌、碳酸钙和硫酸钡中的一种或多种组合。
2.如权利要求1所述的耐磨材料，其特征在于，以重量分数计，包括以下组成成分：
超高分子量聚乙烯40份、不饱和聚酯20份、热致性液晶聚合物8份、离子液体微胶囊1.5份、填料6份、玻璃纤维2份、助剂0.8份。
3.如权利要求1所述的耐磨材料，其特征在于，所述不饱和聚酯为酚醛环氧型乙烯基不饱和聚酯树脂或环氧乙烯基不饱和聚酯。
4.如权利要求1所述的耐磨材料，其特征在于，所述离子液体微胶囊的制备方法如下：
尿素、甲醛溶液、三乙醇胺搅拌均匀，升温至60-70℃，反应90-120min得到脲醛预聚体溶液，将咪唑类离子液体和邻苯二甲酸二丁酯加入苯甲醇中混合均匀后再加入十二烷基苯酸钠水溶液，得到芯材乳液，将脲醛预聚体溶液缓慢滴入芯材乳液中，再加入柠檬酸将体系pH调节至2-3，反应3-5h后，抽滤，所得固体真空干燥至恒重即可。
5.如权利要求1所述的耐磨材料，其特征在于，所述马来酸酐改性二硫化钼的制备方法如下：
将二硫化钼粉体加入无水乙醇中，超声分散后得到分散液，将马来酸酐水溶液，缓慢加入到分散液中，升温至回流搅拌反应2-4h后，冷却至室温，抽滤，所得固体用乙醇洗涤后，真空干燥并粉碎。
6.如权利要求1所述的耐磨材料，其特征在于，所述助剂包括硬脂酸锌、辛酸钴、过氧化甲乙酮。
7.一种水润滑轴承，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的耐磨材料。
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