CN115926875A - 一种低摩擦高耐磨水润滑复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低摩擦高耐磨水润滑复合材料及其制备方法和应用，涉及自润滑材料技术领域。本发明提供的低摩擦高耐磨水润滑复合材料，包括以下质量份数的制备原料：超高分子量聚乙烯树脂55～88.5份，碳纤维5～20份，固体润滑剂5.5～20份，纳米功能填料1～5份。本发明提供的低摩擦高耐磨水润滑复合材料兼具自润滑、低摩擦、高耐磨、易形成水膜和耐冲击性能优异的优点。
Description
技术领域
本发明涉及自润滑材料技术领域，具体涉及一种低摩擦高耐磨水润滑复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
船舶尾轴承是船舶推进轴系的关键部件，传统的船舶油润滑尾轴承往往以金属为衬套，以润滑油为润滑介质，由于尾轴密封技术的复杂性不可避免的导致大量润滑油泄露，造成航行水域环境严重污染。除此之外，油润滑尾轴承具有的无功消耗较大、可靠性不高及振动噪音等问题也难以解决。
相比以油作为润滑介质，以水作为润滑介质具有环境友好及来源丰富等优点，因此具有广阔应用前景的水润滑逐渐受到人们的关注和青睐，成为国内外相关领域竞相研究的热点。其中，具有自润滑性能的橡塑聚合物复合材料具有自润滑性能优异、低噪音、抗冲击性能好、成本低、无污染等优点，成为国内外相关领域竞相研究的热点，但是，目前船舶用橡塑聚合物复合润滑材料往往存在磨损率大等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低摩擦高耐磨水润滑复合材料及其制备方法和应用，本发明提供的低摩擦高耐磨水润滑复合材料兼具自润滑、低摩擦、高耐磨、易形成水膜和耐冲击性能优异的特点。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种低摩擦高耐磨水润滑复合材料，包括以下质量份数的制备原料：超高分子量聚乙烯树脂55～88.5份，碳纤维5～20份，固体润滑剂5.5～20份，纳米功能填料1～5份。
优选地，包括以下质量份数的制备原料：超高分子量聚乙烯树脂66～75份，碳纤维10～15份，固体润滑剂13～15份，纳米功能填料2～4份。
优选地，所述碳纤维的长度为35～75μm。
优选地，所述固体润滑剂包括聚四氟乙烯、胶体石墨和二硫化钼中的一种或多种。
优选地，所述纳米功能填料包括氧化钛、氮化硅、氧化铝、氧化锆、碳化硅和碳酸钙中的一种或多种。
优选地，所述纳米功能填料的粒径为20～50nm。
本发明提供了上述技术方案所述低摩擦高耐磨水润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将超高分子量聚乙烯树脂、碳纤维、固体润滑剂和纳米功能填料混合，得到混合料；
将所述混合料进行热压成型，得到低摩擦高耐磨水润滑复合材料。
优选地，所述热压成型的压力为5～20MPa；所述热压成型的温度为150～200℃；保温保压的时间为30～90min。
优选地，由室温升温至所述热压成型的温度的升温速率为2～2.5℃/min。
本发明提供了上述技术方案所述低摩擦高耐磨水润滑复合材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的低摩擦高耐磨水润滑复合材料在水润滑轴承中的应用。
本发明提供了一种低摩擦高耐磨水润滑复合材料，包括以下质量份数的制备原料：超高分子量聚乙烯树脂55～88.5份，碳纤维5～20份，固体润滑剂5.5～20份，纳米功能填料1～5份。在本发明中，所述超高分子量聚乙烯树脂具有摩擦系数低、抗冲击强度高、易形成水润滑膜的特点；所述碳纤维可显著提高超高分子量聚乙烯树脂的抗承载、抗磨性能以及导热性能；所述固体润滑剂具有优良的自润滑性能，可显著降低轴承启停或干摩擦、混合润滑阶段的摩擦系数和磨损；所述纳米功能填料硬度高、耐磨性好；高硬度的纳米功能填料与碳纤维、固体润滑剂三者之间具有良好减摩抗磨的协同效应。本发明提供的复合材料实现了水润滑、混合润滑条件低摩擦系数、高耐磨性能、高承载性能的兼具，能够适用于内河以及海洋环境中的船舶尾轴承。
本发明提供了上述技术方案所述低摩擦高耐磨水润滑复合材料的制备方法，本发明提供的制备方法简单，易于操作，便于规模化生产。
具体实施方式
本发明提供了一种低摩擦高耐磨水润滑复合材料，包括以下质量份数的制备原料：超高分子量聚乙烯树脂55～88.5份，碳纤维5～20份，固体润滑剂5.5～20份，纳米功能填料1～5份。
在本发明中，若无特别说明，所述制备原料均为本领域熟知的市售商品。
以质量份数计，本发明提供的低摩擦高耐磨水润滑复合材料的制备原料包括超高分子量聚乙烯树脂(UHMWPE)55～88.5份，优选为66～75份，具体优选为55份、66份、75份或88.5份。在本发明中，所述超高分子量聚乙烯树脂的粒径优选为75～200μm，更优选为120～150μm。在本发明中，所述超高分子量聚乙烯树脂的重均分子量优选≥300万，更优选为≥500万，具体优选为320万。在本发明中，所述超高分子量聚乙烯树脂具有摩擦系数低、抗冲击、易形成水润滑膜的特性。
以所述超高分子量聚乙烯树脂的质量份数为基准，本发明提供的低摩擦高耐磨水润滑复合材料的制备原料包括碳纤维5～20份，优选为10～15份，具体优选为5份、10份、15份或20份。在本发明中，所述碳纤维的长度优选为35～75μm，更优选为45～60μm。本发明中，所述碳纤维可显著提高超高分子量聚乙烯树脂的抗承载、抗磨性能以及导热性能。
以所述超高分子量聚乙烯树脂的质量份数为基准，本发明提供的低摩擦高耐磨水润滑复合材料的制备原料包括固体润滑剂5.5～20份，优选为13～15份，具体优选为5.5份、13份、15份或20份。在本发明中，所述固体润滑剂优选包括聚四氟乙烯、胶体石墨和二硫化钼中的一种或多种。在本发明中，所述固体润滑剂的粒径优选为1.5～15μm，更优选为7～13μm。在本发明中，所述固体润滑剂具有优良的自润滑性能，可显著降低轴承启停或干摩擦、混合润滑阶段的摩擦系数与磨损。
以所述超高分子量聚乙烯树脂的质量份数为基准，本发明提供的低摩擦高耐磨水润滑复合材料的制备原料包括纳米功能填料1～5份，优选为2～4份，具体优选为1份、2份、4份或5份。在本发明中，所述纳米功能填料优选包括氧化钛、氮化硅、氧化铝、氧化锆、碳化硅和碳酸钙中的一种或多种。在本发明中，所述纳米功能填料的粒径优选为20～50nm，更优选为30～40nm。在本发明中，所述纳米功能填料的硬度高、耐磨性好；同时高硬度的纳米功能填料与碳纤维、固体润滑剂三者之间具有良好减摩抗磨的协同效应。
本发明通过超高分子量聚乙烯树脂、碳纤维、固体润滑剂以及纳米功能填料的组分优化，使复合材料实现了水润滑、混合润滑条件低摩擦系数、高耐磨性能、高承载性能的兼具。
本发明提供了上述技术方案所述低摩擦高耐磨水润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将超高分子量聚乙烯树脂、碳纤维、固体润滑剂和纳米功能填料混合，得到混合料；
将所述混合料进行热压成型，得到低摩擦高耐磨水润滑复合材料。
本发明将超高分子量聚乙烯树脂、碳纤维、固体润滑剂和纳米功能填料混合，得到混合料。在本发明中，所述混合优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的速率优选30000r/min；所述搅拌的时间优选为2.5min。
得到混合料后，本发明将所述混合料进行热压成型，得到低摩擦高耐磨水润滑复合材料。在本发明中，所述热压成型优选在热压烧结炉中进行。在本发明中，所述热压成型的气氛优选为空气、惰性气氛或氮气气氛。
在本发明中，所述热压成型的压力优选为5～20MPa，更优选为10～12MPa；所述热压成型的温度优选为150～200℃，更优选为180～200℃；保温保压的时间优选为30～90min。
在本发明中，由室温升温至所述热压成型的温度的升温速率优选为2～2.5℃/min。
本发明优选在所述热压成型后，将所得材料自然降温至室温。本发明在所述自然降温的过程中，超高分子量聚乙烯树脂由无定型态转变为结晶型聚集态结构。
本发明优选在所述自然降温至室温后，将所得复合材料进行机械加工，以满足不同轴承尺寸要求。
本发明提供了上述技术方案所述低摩擦高耐磨水润滑复合材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的低摩擦高耐磨水润滑复合材料在水润滑轴承中的应用，优选应用于内河或海洋环境中的船舶尾轴承。
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。
各个实施例中，超高分子量聚乙烯树脂的平均粒径为120μm，重均分子量为320万；碳纤维的平均长度为60μm；固体润滑剂为二硫化钼，平均粒径为7μm；纳米功能填料为纳米氧化锆，平均粒径为30nm。
实施例1
称取超高分子量聚乙烯树脂55g、碳纤维20g、固体润滑剂20g和纳米功能填料5g，在搅拌型混合机中混合均匀；将混合均匀的混合料放入模具中，置于热压成型设备上烧结成型，其中热压成型的压力为10MPa，热压成型的温度为200℃，保温保压时间为90min，过程中升温速率为2.5℃/min，气氛为氮气气氛；烧结完成后，自然降温至室温，得到低摩擦高耐磨水润滑复合材料。
实施例2
称取超高分子量聚乙烯树脂66g、碳纤维15g、固体润滑剂15g和纳米功能填料4g，在搅拌型混合机中混合均匀；将混合均匀的混合料放入模具中，置于热压成型设备上烧结成型，其中热压成型的压力为12MPa，热压成型的温度为200℃，保温保压时间为90min，过程中升温速率为2.5℃/min，气氛为氮气气氛；烧结完成后，自然降温至室温，得到低摩擦高耐磨水润滑复合材料。
实施例3
称取超高分子量聚乙烯树脂75g、碳纤维10g、固体润滑剂13g和纳米功能填料2g，在搅拌型混合机中混合均匀；将混合均匀的混合料放入模具中，置于热压成型设备上烧结成型，其中热压成型的压力为12MPa，热压成型的温度为200℃，保温保压时间为90min，过程中升温速率为2.5℃/min，气氛为氮气气氛；烧结完成后，自然降温至室温，得到低摩擦高耐磨水润滑复合材料。
实施例4
称取超高分子量聚乙烯树脂88.5g、碳纤维5g、固体润滑剂5.5g和纳米功能填料1g，在搅拌型混合机中混合均匀；将混合均匀的混合料放入模具中，置于热压成型设备上烧结成型，其中热压成型的压力为10MPa，热压成型的温度为180℃，保温保压时间为90min，过程中升温速率为2.5℃/min，气氛为氮气气氛；烧结完成后，自然降温至室温，得到低摩擦高耐磨水润滑复合材料。
对比例1
采用加拿大赛龙轴承公司牌号为Thordon-SXL的水润滑轴承材料作为对比例1。
对比例2
采用加拿大赛龙轴承公司牌号为Thordon-PAC的水润滑轴承材料作为对比例2。
测试例
对实施例1～4和对比例1～2的复合材料进行水润滑条件下摩擦磨损性能评价，摩擦磨损试验采用MRH-3A型高速环块摩擦磨损试验机，摩擦对偶采用锡青铜ZQSn10-2；测试条件：载荷132N、转速140/280/560rpm。磨损率采用体积磨损率计算得到。试验结果如表1所示。
表1 实施例1～4与对比例1～2材料摩擦磨损性能对比测试结果
由表1可以看出，本发明提供的低摩擦高耐磨水润滑复合材料在测试例水润滑条件下的摩擦磨损性能明显优于国外知名船舶尾轴承产品。在润滑方面，本发明的优势在于低速条件下具有更低摩擦系数，在较高速度条件下能够达到国外产品水平或略优于国外水平；在磨损方面，本发明具有非常优异的耐磨性能，其耐磨性能远高于国外产品性能。
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 (10)
1.一种低摩擦高耐磨水润滑复合材料，包括以下质量份数的制备原料：超高分子量聚乙烯树脂55～88.5份，碳纤维5～20份，固体润滑剂5.5～20份，纳米功能填料1～5份。
2.根据权利要求1所述的低摩擦高耐磨水润滑复合材料，其特征在于，包括以下质量份数的制备原料：超高分子量聚乙烯树脂66～75份，碳纤维10～15份，固体润滑剂13～15份，纳米功能填料2～4份。
3.根据权利要求1所述的低摩擦高耐磨水润滑复合材料，其特征在于，所述碳纤维的长度为35～75μm。
4.根据权利要求1所述的低摩擦高耐磨水润滑复合材料，其特征在于，所述固体润滑剂包括聚四氟乙烯、胶体石墨和二硫化钼中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的低摩擦高耐磨水润滑复合材料，其特征在于，所述纳米功能填料包括氧化钛、氮化硅、氧化铝、氧化锆、碳化硅和碳酸钙中的一种或多种。
6.根据权利要求1或5所述的低摩擦高耐磨水润滑复合材料，其特征在于，所述纳米功能填料的粒径为20～50nm。
7.权利要求1～6任一项所述低摩擦高耐磨水润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将超高分子量聚乙烯树脂、碳纤维、固体润滑剂和纳米功能填料混合，得到混合料；
将所述混合料进行热压成型，得到低摩擦高耐磨水润滑复合材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述热压成型的压力为5～20MPa；所述热压成型的温度为150～200℃；保温保压的时间为30～90min。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，由室温升温至所述热压成型的温度的升温速率为2～2.5℃/min。
10.权利要求1～6任一项所述低摩擦高耐磨水润滑复合材料或权利要求7～9任一项所述制备方法制备得到的低摩擦高耐磨水润滑复合材料在水润滑轴承中的应用。
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|---|---|---|---|
| CN202310006989.6A Active CN115926875B (zh) | 2023-01-04 | 2023-01-04 | 一种低摩擦高耐磨水润滑复合材料及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115926875B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117903547A (zh) * | 2024-01-18 | 2024-04-19 | 中科万通新材料(北京)有限公司 | 一种耐高温高分子水润滑轴承材料及其制备工艺 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5635299A (en) * | 1993-10-07 | 1997-06-03 | Tsubakimoto Chain Co. | Sliding member usable in dry and wet states and method of manufacturing the member |
| CN1632079A (zh) * | 2004-11-25 | 2005-06-29 | 武汉理工大学 | 水轮发电机镶嵌轴承套用固体润滑剂及其制备方法 |
| CN104558767A (zh) * | 2014-12-19 | 2015-04-29 | 广东特固力士工业皮带有限公司 | 一种耐磨环及其制备方法和应用 |
| CN105419049A (zh) * | 2015-12-04 | 2016-03-23 | 武汉武船机电设备有限责任公司 | 一种低摩擦水润滑高分子轴承复合材料 |
| CN105646964A (zh) * | 2014-12-01 | 2016-06-08 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种耐泥沙环境的长寿命水润滑轴承复合材料 |
| CN107338094A (zh) * | 2017-06-22 | 2017-11-10 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种适用于水润滑的超高分子量聚乙烯多元纳米复合材料 |
| CN111187463A (zh) * | 2020-03-26 | 2020-05-22 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 纳米氮化钛填充的超高分子量聚乙烯复合润滑材料及其制备方法 |
-
2023
- 2023-01-04 CN CN202310006989.6A patent/CN115926875B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5635299A (en) * | 1993-10-07 | 1997-06-03 | Tsubakimoto Chain Co. | Sliding member usable in dry and wet states and method of manufacturing the member |
| CN1632079A (zh) * | 2004-11-25 | 2005-06-29 | 武汉理工大学 | 水轮发电机镶嵌轴承套用固体润滑剂及其制备方法 |
| CN105646964A (zh) * | 2014-12-01 | 2016-06-08 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种耐泥沙环境的长寿命水润滑轴承复合材料 |
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| CN107338094A (zh) * | 2017-06-22 | 2017-11-10 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种适用于水润滑的超高分子量聚乙烯多元纳米复合材料 |
| CN111187463A (zh) * | 2020-03-26 | 2020-05-22 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 纳米氮化钛填充的超高分子量聚乙烯复合润滑材料及其制备方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117903547A (zh) * | 2024-01-18 | 2024-04-19 | 中科万通新材料(北京)有限公司 | 一种耐高温高分子水润滑轴承材料及其制备工艺 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115926875B (zh) | 2024-05-03 |
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