CN115975318A - 一种低磨损自润滑材料及其制备方法 - Google Patents

一种低磨损自润滑材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低磨损自润滑材料及其制备方法,属于高分子材料领域,方法为,将含氟树脂、聚醚醚酮、改性碳纤维和金属硅粉除湿后混匀,冷压成型,然后烧结,得到低磨损自润滑材料;其中,改性碳纤维为经过磺化聚醚醚酮上浆的碳纤维。该方法以含氟树脂和聚醚醚酮混合得到的复合体系作为自润滑高分子材料的基底,加入改性碳纤维和金属硅粉颗粒,改性碳纤维材料能有效改善硅粉填料和有机材料结合力,赋予复合材料较好的力学性能和热力学性能;硅粉颗粒与改性碳纤维协同增强并形成界面摩擦层,点接触使得基体接触面积降低,从而降低摩擦力,既增强了复合材料强度,又显著降低复合材料的摩擦系数和磨损率,该氟基材料可广泛适用于各类耐磨工况。

Description

一种低磨损自润滑材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种低磨损自润滑材料及其制备方法,属于高分子材料领域。
背景技术
传统润滑件材料主要为橡胶,但大部分橡胶材料在润滑不足和高温高压工况下极易因磨损和分子链段断裂而失效,且大部分橡胶材料耐高低温交变和耐溶剂性能较差,无法满足极端工况要求。随着高端装备技术的迅猛发展,传统润滑件材料已不能满足工业要求。高强度、耐高低温、低摩擦磨损、性能稳定的自润滑材料成为该领域的关注点。摩擦系数小、耐高低温、耐溶剂的聚四氟乙烯材料将有望逐步替代橡胶材料,然而,聚四氟乙烯自润滑材料的研究仍面临诸多挑战。
聚四氟乙烯因其特殊的分子结构而具有无油自润滑性能,工业中利用聚四氟乙烯受热后的尺寸记忆效应加工成不同的工件以满足润滑性能。但其具有强度低、蠕变大和回弹性能差等缺点,严重影响聚四氟乙烯工件的使用寿命和可靠性,因此要对其进行改性,使其在不影响自润滑性能的情况下尽可能提高回弹性和耐磨损性能。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种低磨损自润滑材料及其制备方法,弥补聚四氟乙烯强度低、蠕变大和回弹性能差等缺点,耐磨损性能好。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
第一方面,本申请提供一种低磨损自润滑材料的制备方法,包括以下步骤:将含氟树脂、聚醚醚酮、改性碳纤维和金属硅粉除湿后混匀,得到混合料;将所述混合料冷压成型;然后烧结,得到所述低磨损自润滑材料;所述改性碳纤维为经过磺化聚醚醚酮上浆的碳纤维。
本申请提供的低磨损自润滑材料的制备方法制得的氟基材料得益于金属硅粉与特殊的改性碳纤维之间的协同作用,在保持自润滑性的前提下具有更高的硬度,用于润滑工件时磨损量低。
进一步地,所述混合料按质量计包括40份-80份所述含氟树脂、5份-40份所述聚醚醚酮,5份-25份所述改性碳纤维和1份-4份所述金属硅粉。
现有技术中通常使用二氧化硅、碳化硅、氮化硅等无机物作为填料来提高氟基材料的硬度和耐磨性,但过多无机填料带来三个缺点,一、无机填料会提高摩擦系数,即降低氟基材料的自润滑性能;二、无机填料容易磨损摩擦副中的对磨材料,使对磨材料变得粗糙,长久使用下增加对磨材料的摩擦系数;三、无机填料会降低氟基材料的化学稳定性及在高温高压下的稳定性。本申请发明人发现,磺化聚醚醚酮上浆过的改性碳纤维可以有效增强金属硅粉和高分子有机物间的界面结合力,使得氟基材料中可以掺入更少量的无机填料就能达到提高硬度的效果,在无机填料含量如此低的情况下,对氟基材料自润滑性、耐腐蚀性、耐高低温的负面影响几乎可以忽略不计,在保持自润滑性的前提下,使得复合材料具有更高的强度和韧性,磨损量低。
更进一步地,所述金属硅粉的粒径范围为40μm-70μm。合适尺寸的金属硅粉颗粒在摩擦副形成连续点接触摩擦工况,氟基材料在金属硅粉和对磨材料之间形成摩擦界面层,点接触使得基体接触面积降低,从而摩擦力也有所降低。如果金属硅粉的粒径过大,不仅会增加摩擦系数,损伤对磨材料,连氟基材料自身的磨损量都会提高。
进一步地,所述含氟树脂的粒径范围为20μm-60μm。
优选地,所述含氟树脂选自聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯或乙烯-四氟乙烯共聚物。更优选地,所述含氟树脂为悬浮聚四氟乙烯树脂。
进一步地,所述聚醚醚酮的粒径范围为25μm-50μm。聚醚醚酮的粒径尺寸与含氟树脂原料颗粒尺寸相近,有利于增加聚四氟乙烯成品强度和韧性等机械性能,并减少因材料粒径不均导致的尺寸变化问题。
进一步地,所述改性碳纤维的制备步骤包括:
将磺化聚醚醚酮分散在极性溶剂中,得到上浆剂;
将酸化碳纤维加入到所述上浆剂中,在超声环境下加热处理,超声功率80W-400W,温度50℃-75℃,处理时间为30min-60min。
以该步骤制备的改性碳纤维更有效地增强无机填料和高分子有机物间的界面结合力,使得复合材料具有更高的强度和韧性,同时具有良好的摩擦性能。
进一步地,所述冷压成型的工艺要求为:压力50MPa-150MPa,时间5min-45min。采用冷压烧结生产的氟基材料不可避免地存在孔隙,如果孔隙过多,会影响氟基材料的强度,除了通过控制含氟树脂原料的粒径来调节最终孔隙率外,冷压成型的工艺也是控制孔隙率的关键,如果压力过高,虽然理论上会获得更低的孔隙率,但聚四氟乙烯属于强度较低的塑料,会造成含氟树脂滑移产生横向暗裂。在以上组分原料的基础上,采用该冷压成型工艺可以获得较为致密的氟基材料。
进一步地,所述烧结的工艺要求为:以150℃/h-200℃/h的升温速率从室温升至200℃-240℃,在该温度停留20min-60min;然后以50℃/h-70℃/h的升温速率升至320℃-385℃,在该温度停留1h-4h;再以30℃/h-80℃/h的降温速率降至200℃-240℃,在该温度停留1h-3h后自然冷却。
第二方面,本申请提供一种低磨损自润滑材料,由第一方面所述的制备方法制得。所得的低磨损自润滑材料所含无机成分种类少,在保持自润滑性的前提下,使得复合材料具有更高的强度和韧性,磨损量低。
本发明的有益效果是:本发明以含氟树脂和聚醚醚酮混合得到的复合体系作为自润滑高分子材料的基底,加入改性碳纤维和硅粉颗粒,得到具有摩擦系数更低,磨损率更小的氟基材料,改性碳纤维材料能有效改善硅粉填料和有机材料结合力,赋予复合材料较好的力学性能和热力学性能;硅粉颗粒与改性碳纤维协同增强并形成界面摩擦层,点接触使得基体接触面积降低,从而降低摩擦力,既增强了复合材料强度,又显著降低复合材料的摩擦系数和磨损率,该氟基材料可广泛适用于各类耐磨工况。
具体实施方式
聚四氟乙烯虽然具有自润滑性,但强度过低,通常用于小工件之间的润滑结构,难以作为大型设备或高速设备的耐磨材料。针对这一点,现有技术中通常用无机填料与含氟树脂复合,从而增强含氟树脂的强度。然而,为了达到足够的强度,无机填料种类多,含量大,增大了摩擦,容易磨损对磨材料,并使得氟基材料的化学稳定性下降。
本申请实施例提供一种低磨损自润滑材料的制备方法,包括以下步骤:
S1:将含氟树脂、聚醚醚酮、改性碳纤维和金属硅粉除湿后混匀,得到混合料。
S2:将混合料冷压成型,得到坯体。
S3:烧结坯体,得到低磨损自润滑材料(属于氟基材料)。
其中,改性碳纤维为经过磺化聚醚醚酮上浆的碳纤维。
具体地,混合料按质量计包括40份-80份含氟树脂、5份-40份所述聚醚醚酮,5份-25份改性碳纤维和1份-4份金属硅粉。
本申请实施例的制备方法中,无机填料种类少,含量低,对氟基材料自润滑性、耐腐蚀性、耐高低温的负面影响极小。改性碳纤维材料能有效改善硅粉填料和有机材料结合力,赋予复合材料较好的力学性能和热力学性能;合适尺寸金属硅粉颗粒在摩擦副中形成以连续点接触的摩擦工况,含氟树脂在金属硅粉和对磨材料间形成摩擦界面层,点接触使得基体接触面积降低,从而降低摩擦力,制得的氟基材料可广泛适用于各类耐磨工况。
原料中,改性碳纤维的制备步骤包括:
S01:将适量磺化聚醚醚酮在一定温度下分散在极性溶剂中,得到上浆剂;
S02:将适量酸化碳纤维加入到上浆剂中,在超声环境下加热处理,超声功率80W-400W,温度50℃-75℃,处理时间为30min-60min。
金属硅粉颗粒与改性碳纤维能协同提高氟基材料的强度,且参与形成界面摩擦层,既增强复合材料强度,又显著降低复合材料的摩擦系数和磨损率,使得制得的氟基材料在摩擦中具有更低的磨损率。
金属硅粉具有较高的硬度和耐腐蚀性能,是一种优良的耐磨损复合材料填料,与改性碳纤维协同起到良好的自润滑和耐磨损效果。合适尺寸的金属硅粉颗粒在摩擦副形成连续点接触摩擦工况,氟基材料在金属硅粉和对磨材料之间形成摩擦界面层,点接触使得基体接触面积降低,从而摩擦力也有所降低。如果金属硅粉的粒径过大,不仅会增加摩擦系数,损伤对磨材料,连氟基材料自身的磨损量都会提高。优选地,金属硅粉的粒径范围为40μm-70μm。
原料中,含氟树脂选自聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯或乙烯-四氟乙烯共聚物。更优选地,含氟树脂为悬浮聚四氟乙烯树脂,粒径范围为20μm-60μm,便于采用冷压烧结的方式制作氟基材料。聚醚醚酮的粒径范围为25μm-50μm,粒径尺寸与改性聚四氟乙烯尺寸相近,减少因材料粒径不均导致的尺寸变化的问题,有利于增加聚四氟乙烯成品强度和韧性等机械性能。
实施例1
称量聚四氟乙烯53份、聚醚醚酮35份、改性碳纤维10份、金属硅粉(粒径70 μm) 2份,将各组分于80℃干燥24h后震荡均匀混合,过筛后得到混合料备用。
将混合料倒入模具中,在100 MPa压强下压制30分钟,脱模后将成型材料放入烧结炉中烧结。烧结温度由室温以150℃/h升温至220℃后保温30分钟,然后以60℃/h速率升温至375℃并保温2小时,等烧结结束后以40℃/h降温至220℃保温2小时后自然冷却,得到硅基改性自润滑复合材料。
其中,改性碳纤维的制备步骤为:将磺化聚醚醚酮和乙醇以质量比2:50混合,并加热使磺化聚醚醚酮溶解。按质量比1:5将酸化碳纤维加入到上述溶液中,在60℃环境中超声60 min。过滤得到上浆碳纤维后,在75℃环境中干燥24小时。
实施例2
称量聚四氟乙烯73份、聚醚醚酮20份、改性碳纤维5份、金属硅粉 (粒径40 μm) 2份,将各组分于80℃干燥24 h后震荡均匀混合,过筛后得到混合料备用。
将混合料倒入模具中,在120 MPa压强下压制20分钟,脱模后将成型材料放入烧结炉中烧结。烧结温度由室温以160℃/h升温至200℃后保温20分钟,然后以50℃/h速率升温至370℃并保温1小时,等烧结结束后以30℃/h降温至240℃保温1小时后自然冷却,得到硅基改性自润滑复合材料。
其中,改性碳纤维的制备步骤为:将磺化聚醚醚酮和乙醇以质量比2:50混合,并加热使磺化聚醚醚酮溶解。按质量比1:5将酸化碳纤维加入到上述溶液中,在60℃环境中超声60 min。过滤得到上浆碳纤维后,在75℃环境中干燥24小时。
实施例3
称量聚四氟乙烯60份、聚醚醚酮20份、改性碳纤维16份、金属硅粉(粒径50 μm) 4份,将各组分于80℃干燥24h后震荡均匀混合,过筛后得到混合料备用。
将混合料倒入模具中,在130 MPa压强下压制45分钟,脱模后将成型材料放入烧结炉中烧结。烧结温度由室温以170℃/h升温至230℃后保温60分钟,然后以70℃/h速率升温至385℃并保温3小时,等烧结结束后以80℃/h降温至200℃保温3小时后自然冷却,得到硅基改性自润滑复合材料。
其中,改性碳纤维的制备步骤为:将磺化聚醚醚酮和乙醇以质量比2:50混合,并加热使磺化聚醚醚酮溶解。按质量比1:5将酸化碳纤维加入到上述溶液中,在60℃环境中超声60 min。过滤得到上浆碳纤维后,在75℃环境中干燥24小时。
实施例4
称量聚四氟乙烯40份、聚醚醚酮40份、改性碳纤维19份、金属硅粉(粒径60 μm) 1份,将各组分于80℃干燥24 h后震荡均匀混合,过筛后得到混合料备用。
将混合料倒入模具中,在150 MPa压强下压制5分钟,脱模后将成型材料放入烧结炉中烧结。烧结温度由室温以200℃/h升温至240℃后保温60分钟,然后以65℃/h速率升温至380℃并保温4小时,等烧结结束后以60℃/h降温至230℃保温2小时后自然冷却,得到硅基改性自润滑复合材料。
其中,改性碳纤维的制备步骤为:将磺化聚醚醚酮和乙醇以质量比2:50混合,并加热使磺化聚醚醚酮溶解。按质量比1:5将酸化碳纤维加入到上述溶液中,在60℃环境中超声60 min。过滤得到上浆碳纤维后,在75℃环境中干燥24小时。
实施例5
称量聚四氟乙烯53份、聚醚醚酮35份、改性碳纤维10份、金属硅粉(粒径100 μm) 2份,将各组分于80℃干燥24h后震荡均匀混合,过筛后得到混合料备用。
将混合料倒入模具中,在100 MPa压强下压制30分钟,脱模后将成型材料放入烧结炉中烧结。烧结温度由室温以150℃/h升温至220℃后保温30分钟,然后以60℃/h速率升温至375℃并保温2小时,等烧结结束后以40℃/h降温至220℃保温2小时后自然冷却,得到硅基改性自润滑复合材料。
其中,改性碳纤维的制备步骤为:将磺化聚醚醚酮和乙醇以质量比2:50混合,并加热使磺化聚醚醚酮溶解。按质量比1:5将酸化碳纤维加入到上述溶液中,在60℃环境中超声60 min。过滤得到上浆碳纤维后,在75℃环境中干燥24小时。
对比例1
称量聚四氟乙烯60份、聚醚醚酮40份,将各组分于80℃干燥24h后震荡均匀混合,过筛后得到混合料备用。
将混合料倒入模具中,在100MPa压强下压制30分钟,脱模后将成型材料放入烧结炉中烧结。烧结温度由室温以150℃/h升温至220℃后保温30分钟,然后以60℃/h速率升温至375℃并保温2小时,等烧结结束后以40℃/h降温至220℃后自然冷却,得到硅基改性自润滑复合材料。
对比例2
称量聚四氟乙烯40份、聚醚醚酮40份、改性碳纤维20份,将各组分于80℃干燥24h后震荡均匀混合,过筛后得到混合料备用。
将混合料倒入模具中,在150MPa压强下压制15分钟,脱模后将成型材料放入烧结炉中烧结。烧结温度由室温以160℃/h升温至205℃后保温15分钟,然后以50℃/h速率升温至370℃并保温3小时,等烧结结束后以30℃/h降温至200℃保温3小时后自然冷却,得到硅基改性自润滑复合材料。
其中,改性碳纤维的制备步骤为:将磺化聚醚醚酮和乙醇以质量比2:50混合,并加热使磺化聚醚醚酮溶解。按质量比1:5将酸化碳纤维加入到上述溶液中,在60℃环境中超声60 min。过滤得到上浆碳纤维后,在75℃环境中干燥24小时。
对比例3
称量聚四氟乙烯58份、聚醚醚酮40份、金属硅粉 2份,将各组分于80℃干燥24h后震荡均匀混合,过筛后得到混合料备用。
将混合料倒入模具中,在150MPa压强下压制45分钟,脱模后将成型材料放入烧结炉中烧结。烧结温度由室温以150℃/h升温至240℃后保温60分钟,然后以70℃/h速率升温至385℃并保温4小时,等烧结结束后以80℃/h降温至240℃保温1小时后自然冷却,得到硅基改性自润滑复合材料。
对比例4
称量聚四氟乙烯53份、聚醚醚酮35份、改性碳纤维10份、碳化硅粉 2 份,将各组分于80℃干燥24h后震荡均匀混合,过筛后得到混合料备用。
将混合料倒入模具中,在100 MPa压强下压制30分钟,脱模后将成型材料放入烧结炉中烧结。烧结温度由室温以150℃/h升温至220℃后保温30分钟,然后以60℃/h速率升温至375℃并保温2小时,等烧结结束后以40℃/h降温至220℃保温2小时后自然冷却,得到硅基改性自润滑复合材料。
其中,改性碳纤维的制备步骤为:将磺化聚醚醚酮和乙醇以质量比2:50混合,并加热使磺化聚醚醚酮溶解。按质量比1:5将酸化碳纤维加入到上述溶液中,在60℃环境中超声60 min。过滤得到上浆碳纤维后,在75℃环境中干燥24小时。
对比例5
称量聚四氟乙烯53份、聚醚醚酮35份、改性碳纤维10份、二氧化硅粉2份,将各组分于80℃干燥24h后震荡均匀混合,过筛后得到混合料备用。
将混合料倒入模具中,在100 MPa压强下压制30分钟,脱模后将成型材料放入烧结炉中烧结。烧结温度由室温以150℃/h升温至220℃后保温30分钟,然后以60℃/h速率升温至375℃并保温2小时,等烧结结束后以40℃/h降温至220℃保温2小时后自然冷却,得到硅基改性自润滑复合材料。
其中,改性碳纤维的制备步骤为:将磺化聚醚醚酮和乙醇以质量比2:50混合,并加热使磺化聚醚醚酮溶解。按质量比1:5将酸化碳纤维加入到上述溶液中,在60℃环境中超声60 min。过滤得到上浆碳纤维后,在75℃环境中干燥24小时。
对实施例1至5、对比例1至5制备得到的自润滑复合材料进行性能测试评价。利用往复摩擦磨损试验机进行测定,其中载荷为10N,频率为5Hz,行程为6mm,时间90分钟。磨损量和磨痕宽度通过激光轮廓仪进行测定。硬度通过邵氏硬度计进行测定。测试结果见表1。
表1
对比例1中仅有由含氟树脂和聚醚醚酮构成的自润滑高分子基底,硬度、摩擦系数和磨损量都较高。对比例2在高分子基底的基础上仅加入改性碳纤维作为填充物,具有较高的硬度,且磨损量有所降低,甚至低于实施例5,但硬度提升较少。对比例3在高分子基底的基础上仅加入金属硅粉作为填充物,与对比例1相比具有较高的硬度,但摩擦系数、磨痕宽度、磨损量、硬度都劣于对比例2。而实施例1-4所制备的氟基材料在满足较低摩擦系数的情况下,磨损量也大幅降低,具有较好的摩擦性能,材料硬度也较高。对比例4中以碳化硅粉替换金属硅粉,对比例5以二氧化硅粉替换金属硅粉,相比选用金属硅粉的实施例1至4具有较高的摩擦系数,且磨损量和硬度均较差,说明磺化聚醚醚酮上浆的碳纤维对改善含氟树脂与其他无机填料结合力的作用不如用于金属硅粉好。实施例5中,加入的金属硅粉粒径达到100μm,最终摩擦系数和磨损量均有所升高,原因在于颗粒较大的金属硅粉增大了氟基材料表面粗糙度,从而导致更严重的磨损。
由此可见,本申请实施例制得的氟基材料硬度高、磨损低,磺化聚醚醚酮上浆过的碳纤维与金属硅粉存在协同作用,能够降低接触面积并形成摩擦润滑层,选用合适粒径的金属硅粉,能够维持在较高硬度的前提下降低磨损量。
以上所述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,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低磨损自润滑材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:将含氟树脂、聚醚醚酮、改性碳纤维和金属硅粉除湿后混匀,得到混合料;将所述混合料冷压成型;然后烧结,得到所述低磨损自润滑材料;所述改性碳纤维为经过磺化聚醚醚酮上浆的碳纤维。
2.根据权利要求1所述的低磨损自润滑材料的制备方法,其特征在于,所述混合料按质量计包括40份-80份所述含氟树脂、5份-40份所述聚醚醚酮,5份-25份所述改性碳纤维和1份-4份所述金属硅粉。
3.根据权利要求2所述的低磨损自润滑材料的制备方法,其特征在于,所述金属硅粉的粒径范围为40μm-70μm。
4.根据权利要求2所述的低磨损自润滑材料的制备方法,其特征在于,所述含氟树脂的粒径范围为20μm-60μm。
5.根据权利要求4所述的低磨损自润滑材料的制备方法,其特征在于,所述含氟树脂为悬浮聚四氟乙烯树脂。
6.根据权利要求4所述的低磨损自润滑材料的制备方法,其特征在于,所述聚醚醚酮的粒径范围为25μm-50μm。
7.根据权利要求1所述的低磨损自润滑材料的制备方法,其特征在于,所述改性碳纤维的制备步骤包括:
将磺化聚醚醚酮分散在极性溶剂中,得到上浆剂;
将酸化碳纤维加入到所述上浆剂中,在超声环境下加热处理,超声功率80W-400W,温度50℃-75℃,处理时间为30min-60min。
8.根据权利要求1所述的低磨损自润滑材料的制备方法,其特征在于,所述冷压成型的工艺要求为:压力50MPa-150MPa,时间5min-45min。
9.根据权利要求1所述的低磨损自润滑材料的制备方法,其特征在于,所述烧结的工艺要求为:以150℃/h-200℃/h的升温速率从室温升至200℃-240℃,在该温度停留20min-60min;然后以50℃/h-70℃/h的升温速率升至320℃-385℃,在该温度停留1h-4h;再以30℃/h-80℃/h的降温速率降至200℃-240℃,在该温度停留1h-3h后自然冷却。
10.一种低磨损自润滑材料,其特征在于,由权利要求1-9任一项所述的制备方法制得。
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