CN115948021B - 适用于水润滑工况的自润滑聚合物复合材料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自润滑聚合物复合材料，由硫化铜‑碳壳杂化体和聚合物基体组成，硫化铜‑碳壳杂化体的质量分数为0.1％～25％，聚合物基体的质量分数为75％～99.9％；硫化铜‑碳壳杂化体是通过一步水热法制备得到的。聚合物基体选自聚酰胺、聚甲醛、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚苯硫醚。本发明还公开了自润滑聚合物复合材料在制备水润滑轴承中的应用。本发明的核壳杂化体增强的自润滑聚合物复合材料，适用于水润滑工况，作为水润滑轴承材料应用时，可大幅提高运动机构配副的可靠性和使用寿命，在降低能耗、节能减排、减少有色金属运用等方面具有较高的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于水润滑工况的自润滑聚合物复合材料及其应用，属于自润滑复合材料材料技术领域。
背景技术
高端润滑材料是高端装备制造业的重要支撑材料，也是实现节能减排及动力传动系统平稳可靠运行的重要保障。水润滑轴承材料作为替代现有使用油润滑为工作介质的金属轴承具有绿色、环保以及简化结构设计、节省维护成本等优点。设计开发具有优异摩擦学性能的自润滑聚合物复合材料，对于提高配副可靠性、经济性具有重要意义。
相关研究表明，自润滑聚合物复合材料通过配方设计，能够在摩擦过程中通过物理-化学作用在摩擦界面上形成具有润滑特性的转移膜；正是由于转移膜的存在，分离摩擦界面，承担大部分载荷，极大提高了配副的摩擦学性能。
硫化铜(CuS)作为无机纳米材料的一种，具有近似的层状结构，在不同的温度下会发生晶体相变而转变为六方晶体，使其在润滑领域有一定的应用前景。现有对于CuS的研究主要集中催化、储能领域，以及其作为油添加剂，尚未有关于其作为聚合物复合材料的填料来研究对复合材料摩擦学性能的系统报道。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供了一种适用于水润滑工况的、核壳杂化体增强的自润滑聚合物复合材料，及其在制备水润滑轴承中的应用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种适用于水润滑工况的、核壳杂化体增强的自润滑聚合物复合材料，由硫化铜-碳壳杂化体和聚合物基体组成，硫化铜-碳壳杂化体的质量分数为0.1％～25％，聚合物基体的质量分数为75％～99.9％；优选，硫化铜-碳壳杂化体的质量分数为10％，聚合物基体的质量分数为90％。
进一步地，所述硫化铜-碳壳杂化体是通过一步水热法制备得到的，包括以下步骤：
(1)向去离子水中加入硫酸铜和硫代硫酸钠，搅拌使其充分溶解；然后加入碳源，搅拌使其充分溶解，得混合液；所述碳源选自葡萄糖、果糖、蔗糖、甘露糖、柠檬酸、谷氨酸、抗坏血酸中的任意一种或两种以上的组合；
所述水、硫酸铜、硫代硫酸钠、碳源的摩尔用量分别为：1.0～2.0mol，0.2～0.6mol，0.6～1.0mol，1.5～2.0mol；优选的摩尔用量分别为：1.4mol，0.4mol，0.8mol，1.8mol；
(2)混合液置于不锈钢高压反应釜中，于150～300℃下进行水热反应4～20h；自然冷却至室温；离心，沉淀用去离子水和/或乙醇洗涤；充分干燥(在80℃的电热鼓风式烘箱中干燥24h)，得到硫化铜-碳壳杂化体。
进一步地，所述聚合物基体选自聚酰胺、聚甲醛、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚苯硫醚中的任意一种或两种以上的组合。
所述自润滑聚合物复合材料的制备方法为：将硫化铜-碳壳杂化体与聚合物基体搅拌混合、模压，即得；或将硫化铜-碳壳杂化体与聚合物基体熔融共混、挤出注塑，即得。
进一步地，所述搅拌混合的条件为：转速30000rpm，时间5min。
进一步，所述模压的成型条件为：熔融温度190～400℃(具体地，当聚合物基体为聚酰胺时，熔融温度为295℃；当聚合物基体为聚甲醛时，熔融温度为190℃；当聚合物基体为聚醚醚酮、聚酰亚胺或聚酰胺酰亚胺时，熔融温度为400℃；当聚合物基体为聚苯硫醚时，熔融温度为300℃)，保温1h，压力15MPa。
进一步地，所述熔融共混、挤出注塑的条件为：双螺杆挤出机/注塑机1-4区温度为：
当聚合物基体为聚酰胺时，260℃-280℃-290℃-300℃；
当聚合物基体为聚甲醛时，160℃-170℃-180℃-190℃；
当聚合物基体为聚醚醚酮、聚酰亚胺或聚酰胺酰亚胺时，370℃-380℃-390℃-400℃；
当聚合物基体为聚苯硫醚时，280℃-290℃-300℃-310℃；
挤出机螺杆转速400rpm或注塑机注射压力100MPa，背压2MPa，模具温度80℃。
所述自润滑聚合物复合材料在制备水润滑轴承中的应用。
本发明的自润滑聚合物复合材料，所添加的硫化铜-碳壳杂化体在摩擦应力和摩擦热作用下易于在接触表面形成高强度转移膜，具有显著的承载及修复能力，促使复合材料在摩擦过程中更快地达到稳定阶段，抑制摩擦副的直接接触，降低材料的摩擦磨损；且硫化铜-碳壳杂化体的合成方法简单易行，可大批量生产。本发明的自润滑聚合物复合材料作为水润滑轴承材料应用时，可大幅提高运动机构配副的可靠性和使用寿命，在降低能耗、节能减排、减少有色金属运用等方面具有较高的应用价值。
附图说明
图1：实施例1所制备的硫化铜-碳壳杂化体的扫描电镜图片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本领域技术人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。
下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。
实施例1制备自润滑聚合物复合材料
向去离子水(1.4mol)中加入硫酸铜(0.4mol)和硫代硫酸钠(0.8mol)，磁力搅拌使其充分溶解。然后加入1.8mol葡萄糖，继续磁力搅拌搅拌，待其完全溶解。移置至不锈钢高压反应釜中，于150℃下进行水热反应20h。自然冷却至室温。合成后的最终材料通过高速离心机用去离子水和乙醇各洗涤3次，最后将获得的样品在80℃的电热鼓风式烘箱中干燥24h，得到硫化铜-碳壳杂化体，其扫描电镜图片如图1所示。
将上述充分干燥的硫化铜-碳壳杂化体(质量分数0.1％)加入到聚醚醚酮基体(质量分数99.9％)中，30000rpm机械搅拌5min，分散均匀，模压温度设置400℃，保温1h，压力设置15MPa，冷却室温得到块体材料。
实施例2制备自润滑聚合物复合材料
硫化铜-碳壳杂化体的合成同实施例1。
将充分干燥的硫化铜-碳壳杂化体(质量分数10％)加入到聚醚醚酮基体(质量分数90％)中，30000rpm机械搅拌5min，分散均匀，模压温度设置400℃，保温1h，压力设置15MPa，冷却室温得到块体材料。
实施例3制备自润滑聚合物复合材料
硫化铜-碳壳杂化体的合成同实施例1。
将充分干燥的硫化铜-碳壳杂化体(质量分数25％)加入到聚醚醚酮基体(质量分数75％)中，30000rpm机械搅拌5min，分散均匀，模压温度设置400℃，保温1h，压力设置15MPa，冷却室温得到块体材料。
实施例4制备自润滑聚合物复合材料
向去离子水(1.4mol)中加入硫酸铜(0.4mol)和硫代硫酸钠(0.8mol)，磁力搅拌使其充分溶解。然后加入1.8mol果糖，继续磁力搅拌搅拌，待其完全溶解。移置至不锈钢高压反应釜中，于300℃下进行水热反应4h。自然冷却至室温。合成后的最终材料通过高速离心机用去离子水和乙醇各洗涤2次，最后将获得的样品在80℃的电热鼓风式烘箱中干燥24h，得到硫化铜-碳壳杂化体。
将上述充分干燥的硫化铜-碳壳杂化体(质量分数0.1％)加入到聚苯硫醚基体(质量分数99.9％)中，30000rpm机械搅拌5min，分散均匀，模压温度设置300℃，保温1h，压力设置15MPa，冷却室温得到块体材料。
实施例5制备自润滑聚合物复合材料
硫化铜-碳壳杂化体的合成同实施例4。
将充分干燥的硫化铜-碳壳杂化体(质量分数10％)加入到聚苯硫醚基体(质量分数90％)中，30000rpm机械搅拌5min，分散均匀，模压温度设置300℃，保温1h，压力设置15MPa，冷却室温得到块体材料。
实施例6制备自润滑聚合物复合材料
硫化铜-碳壳杂化体的合成同实施例4。
将充分干燥好的硫化铜-碳壳杂化体(质量分数25％)加入到聚苯硫醚基体(质量分数75％)中，30000rpm机械搅拌5min，分散均匀，模压温度设置300℃，保温1h，压力设置15MPa，冷却室温得到块体材料，随后考察其摩擦学性能。
实施例7制备自润滑聚合物复合材料
向去离子水(1.4mol)中加入硫酸铜(0.4mol)和硫代硫酸钠(0.8mol)，磁力搅拌使其充分溶解。然后加入1.8mol甘露糖，继续磁力搅拌搅拌，待其完全溶解。移置至不锈钢高压反应釜中，于250℃下进行水热反应12h。自然冷却至室温。合成后的最终材料通过高速离心机用去离子水和乙醇各洗涤3次，最后将获得的样品在80℃的电热鼓风式烘箱中干燥24h，得到硫化铜-碳壳杂化体。
将上述充分干燥的硫化铜-碳壳杂化体(质量分数0.1％)加入到聚酰亚胺基体(质量分数99.9％)中，30000rpm机械搅拌5min，分散均匀，模压温度设置400℃，保温1h，压力设置15MPa，冷却室温得到块体材料。
实施例8制备自润滑聚合物复合材料
硫化铜-碳壳杂化体的合成同实施例7。
将充分干燥的硫化铜-碳壳杂化体(质量分数10％)加入到聚酰亚胺基体(质量分数90％)中，30000rpm机械搅拌5min，分散均匀，模压温度设置400℃，保温1h，压力设置15MPa，冷却室温得到块体材料。
实施例9制备自润滑聚合物复合材料
硫化铜-碳壳杂化体的合成同实施例7。
将充分干燥的硫化铜-碳壳杂化体(质量分数25％)加入到聚酰亚胺基体(质量分数75％)中，30000rpm机械搅拌5min，分散均匀，模压温度设置400℃，保温1h，压力设置15MPa，冷却室温得到块体材料，随后考察其摩擦学性能。
对比例1
纯聚醚醚酮，模压温度设置400℃，保温1h，压力设置15MPa，冷却室温得到块体材料。
对比例2
纯聚苯硫醚，模压温度设置300℃，保温1h，压力设置15MPa，冷却室温得到块体材料。
对比例3
纯聚酰亚胺，模压温度设置400℃，保温1h，压力设置15MPa，冷却室温得到块体材料。
实验自润滑聚合物复合材料摩擦实验
对实施例1～9制备的自润滑聚合物复合材料及对比例1～3的纯树脂材料进行摩擦实验，选用高速环-块试验机进行测试。将模压块体材料切割为25mm×10mm×4mm的小块，对偶件是304不锈钢，测试条件为：载荷100N，速度0.2m/s，持续时间3h，配副浸泡在装满去离子水腔体中。
摩擦实验结束后，利用光学显微镜测量磨痕宽度，运用公式计算其磨损率。
磨损率的计算公式：
其中，L′为试样的宽度(mm)，R为对偶钢环的直径(mm)，W为磨痕的宽度(mm)，F为法向施加的力(N)，L为滑动距离(m)。
实施例1、实施例4和实施例7所制备的硫化铜-碳壳杂化体的尺寸如表1所示。
表1实施例1、实施例4和实施例7所制备的碳球尺寸
各实施例及对比例制备材料的平均摩擦系数和磨损率测定计算结果如表2所示。
表2各实施例及对比例制备材料的平均摩擦系数和磨损率测定计算结果
| 摩擦系数 | 磨损率(mm3/Nm) | |
| 实施例1 | 0.19 | 4.2×10-6 |
| 实施例2 | 0.15 | 3.3×10-6 |
| 实施例3 | 0.17 | 5.0×10-6 |
| 实施例4 | 0.18 | 5.6×10-6 |
| 实施例5 | 0.16 | 4.6×10-6 |
| 实施例6 | 0.19 | 5.4×10-6 |
| 实施例7 | 0.13 | 7.8×10-6 |
| 实施例8 | 0.11 | 6.9×10-6 |
| 实施例9 | 0.14 | 7.3×10-6 |
| 对比例1 | 0.24 | 6.1×10-5 |
| 对比例2 | 0.26 | 5.5×10-5 |
| 对比例3 | 0.23 | 7.0×10-5 |
从表2可以看出，本发明的自润滑聚合物复合材料(实施例1～9)与纯树脂材料(对比例1～3)相比具有显著的减摩抗磨特性，硫化铜-碳壳杂化体作为填料能够有效增强聚合物基体的摩擦学性能。硫化铜-碳壳杂化体在摩擦过程中被释放至摩擦界面，通过界面摩擦物理-化学作用反应生成高强度转移膜，避免摩擦副的直接接触，极大降低材料的摩擦磨损。
给本领域技术人员提供上述实施例，以完全公开和描述如何实施和使用所主张的实施方案，而不是用于限制本文公开的范围。对于本领域技术人员而言显而易见的修饰将在所附权利要求的范围内。
Claims (6)
1.一种自润滑聚合物复合材料，其特征在于：由硫化铜-碳壳杂化体和聚合物基体组成，硫化铜-碳壳杂化体的质量分数为10％，聚合物基体的质量分数为90％；
所述硫化铜-碳壳杂化体是通过一步水热法制备得到的，包括以下步骤：
(1)向水中加入硫酸铜和硫代硫酸钠，搅拌使其充分溶解；然后加入碳源，搅拌使其充分溶解，得混合液；
所述水、硫酸铜、硫代硫酸钠、碳源的摩尔用量分别为：1.4mol，0.4mol，0.8mol，1.8mol；
所述碳源选自葡萄糖、果糖、甘露糖中的任意一种；
(2)混合液于150～300℃下进行水热反应4～20h；自然冷却至室温；离心，沉淀用水和/或乙醇洗涤；充分干燥，得到硫化铜-碳壳杂化体；
所述聚合物基体选自聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚苯硫醚中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的自润滑聚合物复合材料，其特征在于：所述步骤(2)中，混合液置于不锈钢高压反应釜中，于150℃下进行水热反应20h。
3.权利要求1或2所述的自润滑聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：将硫化铜-碳壳杂化体与聚合物基体搅拌混合、模压，即得；或将硫化铜-碳壳杂化体与聚合物基体熔融共混、挤出注塑，即得；
所述模压的成型条件为：熔融温度190～400℃，保温1h，压力15MPa；
当聚合物基体为聚醚醚酮或聚酰亚胺时，熔融温度为400℃；当聚合物基体为聚苯硫醚时，熔融温度为300℃。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌混合的条件为：转速30000rpm，时间5min。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述熔融共混、挤出注塑的条件为：
双螺杆挤出机/注塑机1-4区温度为：
当聚合物基体为聚醚醚酮或聚酰亚胺时，370℃-380℃-390℃-400℃；
当聚合物基体为聚苯硫醚时，280℃-290℃-300℃-310℃；
挤出机螺杆转速400rpm或注塑机注射压力100MPa，背压2MPa，模具温度80℃。
6.权利要求1或2所述的自润滑聚合物复合材料在制备水润滑轴承中的应用。
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| JP2001124070A (ja) * | 1999-10-21 | 2001-05-08 | Hitachi Ltd | 水潤滑軸受装置 |
| CN109160532A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-01-08 | 河南大学 | 一种水溶性硫化铜纳米微粒及其制备方法和作为水基润滑添加剂的应用 |
| CN113881478A (zh) * | 2021-10-27 | 2022-01-04 | 清华大学 | 改性聚醚醚酮复合材料及其制备方法和应用 |
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Also Published As
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