CN116144160A - 一种聚芳醚腈基自润滑多元复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于先进复合材料科学技术领域，涉及自润滑复合材料及其制备，具体提供一种聚芳醚腈基自润滑多元复合材料及其制备方法，用以解决纯聚芳醚腈作为摩擦材料存在的摩擦磨损性能差的问题。本发明对纯聚芳醚腈进行填充改性，采用氮化硼、石墨烯或聚四氟乙烯作为固体润滑剂以降低摩擦系数与界面温度，同时采用增强纤维作为承重单元以延长转移膜的使用寿命，从而得到优异摩擦磨损性能、热性能稳定、低介电频率依赖性与低吸水率的聚芳醚腈基自润滑多元复合材料；并且，复合材料的制备工艺简单，产品加工精度高，加工成本低，可规模化生产，在工业设备和航空航天等领域中具有十分广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于先进复合材料科学技术领域，涉及自润滑复合材料及其制备，具体提供一种聚芳醚腈基自润滑多元复合材料及其制备方法。
背景技术
特种工程塑料因其耐高温、良好的化学稳定性、优异的机械性能、耐磨性等优异的综合性能受到了特别的关注，使其在汽车及动力机械领域广泛用作摩擦材料和结构材料；其中，以聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚砜作为聚合物基耐磨材料的基体树脂受到广泛关注。
聚芳醚腈(PEN)作为一类特种工程塑料，其分子骨架具有大量刚性苯环、柔性醚键结构和极性氰基侧基，进而具有耐高温、高强度、耐腐蚀、与其他材料相容性好、与填料附着力好等优良性能，因此，聚芳醚腈也可能作为一种潜在的耐磨材料；然而，纯聚芳醚腈作为摩擦材料往往表现不佳，分子链中存在的极性基团在摩擦时分子间作用力大，会产生较强的附着力，导致摩擦磨损性能较差。
发明内容
本发明的目的在于针对纯聚芳醚腈作为摩擦材料存在的摩擦磨损性能较差的问题，提供一种聚芳醚腈基自润滑多元复合材料及其制备方法；本发明对纯聚芳醚腈进行填充改性，采用氮化硼、石墨烯或聚四氟乙烯作为固体润滑剂以降低摩擦系数与界面温度，同时采用增强纤维作为承重单元以延长转移膜的使用寿命，从而得到优异摩擦磨损性能、热性能稳定、低介电频率依赖性与低吸水率的聚芳醚腈基自润滑多元复合材料，实现该特种高分子材料在耐磨材料领域的推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种聚芳醚腈基自润滑多元复合材料，其特征在于：该复合材料由下述质量百分比的原料组成：
聚芳醚腈：71wt％～76wt％，
增强纤维：21wt％～23wt％，
固体润滑剂：1wt％～8wt％。
进一步的，所述增强纤维为碳纤维、玄武岩纤维与玻璃纤维中的任意一种。
进一步的，所述固体润滑剂为氮化硼、石墨烯与聚四氟乙烯中的任意一种。
上述聚芳醚腈基自润滑多元复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、按配比将聚芳醚腈粉体、增强纤维与固体润滑剂利用双螺杆挤出机熔融共混并挤出造粒，得到粒料；
步骤2、将粒料通过热压成型或注塑成型，得到聚芳醚腈基自润滑多元复合材料。
进一步的，步骤1中，所述双螺杆挤出机的工作条件为：一区加热温度为270℃～290℃，二区加热温度为315℃～335℃，三区加热温度为335℃～355℃，四区加热温度为335℃～355℃，五区加热温度为330℃～350℃，六区加热温度为315℃～335℃，机头温度为315℃～335℃，螺杆转速为300rpm～400rpm。
进一步的，步骤2中，所述热压成型的工作条件为：按照10℃/min的速度，由25℃加热至320℃～340℃，压强为15～25Mpa，保温1～2h；再按照5℃/min的速度冷却至25℃。
基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：
1、本发明中聚芳醚腈(PEN)的分子骨架具有大量刚性苯环、柔性醚键结构与极性氰基侧基，使其具有耐高温、高强度、耐腐蚀、与其他材料相容性好、与填充料附着力好等优良性能。
2、本发明采用氮化硼、石墨烯或聚四氟乙烯作为固体润滑剂，由于其不同分子链中原子负电荷的排斥作用而具有较低的内聚力，在摩擦过程中，大分子极易转移到摩擦表面，进而形成均匀的转移膜，能够大大降低摩擦系数和界面温度，提高了聚合物复合材料的耐磨性，还伴随复合材料具有更稳定的热性能，更低的介电频率依赖性与更低的吸水率。
3、本发明中增强纤维在摩擦过程中，能够有效分担载荷，延长转移膜的使用寿命，提升该类复合材料的摩擦磨损性能。
4、与纯PEN材料相比，聚四氟乙烯的添加量为5wt％的多元复合材料的比磨损率由纯PEN基材料的9.4×10-7mm3/N·m降为5.7×10-7mm3/N·m，抗磨性能提高33.4％。
5、本发明的制备工艺简单，适合注塑成型或热压成型，产品加工精度高，加工成本低，提供理论支撑与技术实践，可规模化生产，在工业设备和航空航天等领域中具有十分广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明中对苯二酚与双酚A结构的聚芳醚腈原料结构图。
图2为本发明实施例2、3、5与对比例中复合材料的横截面SEM图。
图3为本发明实施例2、3、5与对比例中复合材料磨损面的光学显微镜图。
图4为本发明实施例1～5与对比例中复合材料的比磨损率图。
图5为本发明实施例2、3、5与对比例中复合材料的DSC曲线图。
图6为本发明实施例2、3、5与对比例中复合材料的介电常数-频率曲线图。
图7为本发明实施例2、3、5与对比例中复合材料的吸水率图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供一种聚芳醚腈基自润滑多元复合材料，由以下步骤制备得到：
首先，将76wt％聚芳醚腈粉料、23wt％碳纤维和1wt％聚四氟乙烯利用双螺杆挤出机熔融共混并挤出造粒；双螺杆挤出机的一区加热温度为270℃～290℃，二区加热温度为315℃～335℃，三区加热温度为335℃～355℃，四区加热温度为335℃～355℃，五区加热温度为330℃～350℃，六区加热温度为315℃～335℃，机头温度为315℃～335℃，螺杆转速为300rpm～400rpm。
然后，将所得的粒料放置在大小为30mm×7mm×6mm不锈钢模具中热压成型，热压成型的工作条件为：以10℃/min从25℃加热至320℃，压强为20Mpa，保温1h；以5℃/min从320℃冷却至25℃。
实施例2
本实施例提供一种聚芳醚腈基自润滑多元复合材料，材料制作方法及设备参数与实施例1相同，各组分的质量分数为：75wt％的聚芳醚腈粉料、22wt％的碳纤维和3wt％的聚四氟乙烯构成。
实施例3
本实施例提供一种聚芳醚腈基自润滑多元复合材料，材料制作方法及设备参数与实施例1相同，各组分的质量分数为：73wt％的聚芳醚腈粉料、22wt％的碳纤维和5wt％的聚四氟乙烯构成。
实施例4
本实施例提供一种聚芳醚腈基自润滑多元复合材料，材料制作方法及设备参数与实施例1相同，各组分的质量分数为：71wt％的聚芳醚腈基体、21wt％的碳纤维与8wt％的聚四氟乙烯构成。
实施例5
本实施例提供一种聚芳醚腈基自润滑多元复合材料，材料制作方法及设备参数与实施例1相同，各组分的质量分数为：70wt％的聚芳醚腈基体、21wt％的碳纤维与9wt％的聚四氟乙烯构成。
对比例
材料制作方法及设备参数与实施例1相同，各组分的体积分数为：77wt％的聚芳醚腈基体、23wt％的碳纤维。
对实施例1～5与对比例的复合材料进行对比测试，其结果如图2～图7所示；其中，摩擦测试为：将试样块在环块摩擦磨损计(MRH-3)上进行摩擦试验，测试条件为：室温、对偶钢环为42CrMo钢环、初始端面粗糙度Ra＝0.8μm、试验载荷720N、滑动速度388r/min、摩擦磨损试验时间2h、干摩擦工况，在每次测试之前用蘸有丙酮的棉花彻底清洗钢环与试块样；并按下式计算比磨损率：
其中：ΔV为磨损体积损失(mm3)，R为环直径(mm)，b为磨损痕迹长度(mm)，B为磨损痕迹宽度(mm)，P为外加载荷(N)，L为滑动距离(m)。
如图2所示为复合材料的横截面SEM图，由图可见，碳纤维均匀分散，聚合物包裹着碳纤维，没有明显的相边界，表现出良好的相容性。如图3所示为复合材料的磨损面的光学显微镜图，由图可见，磨损表面含有碳纤维，实施例2、3、5中复合材料的摩擦表面均形成了含聚四氟乙烯成分的转移膜，且实施例3的磨损痕迹宽度明显更窄；这说明了PTFE含量为5wt％的复合材料比其他PTFE含量的复合材料具有更低的比磨损率。如图4所示为复合材料的比磨损率，由图可见，相比于对比例，实施例3的比磨损率从9.4×10-7mm3/N·m下降到5.7×10-7mm3/N·m；复合材料的比磨损率随着PTFE含量的增加而降低，但PTFE含量高于5wt％时，实施例4、5的比磨损率较高，不仅是由于聚四氟乙烯的团聚，不能形成均匀连续的转移膜，而且摩擦表面温度升高，当温度高于热控制的滑动状态时，热塑性聚四氟乙烯填料就会失去机械承载力，造成高摩擦。如图5所示为复合材料的DSC曲线图，由图可见，相比于对比例，实施例2、3、5的多元复合材料具有更好的耐热性。如图6所示为多元复合材料的介电常数-频率曲线图，由图可见，相对于对比例，对比例2、3、5具有较低的介电常数并且介电频率依赖性低。如图7所示为多元复合材料的吸水率图，由图可见，随着聚四氟乙烯的增加，吸水率逐渐降低。
综上所述，本发明制备得到的聚芳醚腈基自润滑多元复合材料具有优异的摩擦磨损性能，还伴随更稳定的热性能、更低的介电频率依赖性与更低的吸水率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (6)
1.一种聚芳醚腈基自润滑多元复合材料，其特征在于，该复合材料由下述质量百分比的原料组成：
聚芳醚腈：71wt％～76wt％，
增强纤维：21wt％～23wt％，
固体润滑剂：1wt％～8wt％。
2.按权利要求1所述聚芳醚腈基自润滑多元复合材料，其特征在于，所述增强纤维为碳纤维、玄武岩纤维与玻璃纤维中的任意一种。
3.按权利要求1所述聚芳醚腈基自润滑多元复合材料，其特征在于，所述固体润滑剂为氮化硼、石墨烯与聚四氟乙烯中的任意一种。
4.按权利要求1所述聚芳醚腈基自润滑多元复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、按配比将聚芳醚腈粉体、增强纤维与固体润滑剂利用双螺杆挤出机熔融共混并挤出造粒，得到粒料；
步骤2、将粒料通过热压成型或注塑成型，得到聚芳醚腈基自润滑多元复合材料。
5.按权利要求4所述聚芳醚腈基自润滑多元复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述双螺杆挤出机的工作条件为：一区加热温度为270℃～290℃，二区加热温度为315℃～335℃，三区加热温度为335℃～355℃，四区加热温度为335℃～355℃，五区加热温度为330℃～350℃，六区加热温度为315℃～335℃，机头温度为315℃～335℃，螺杆转速为300rpm～400rpm。
6.按权利要求4所述聚芳醚腈基自润滑多元复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述热压成型的工作条件为：按照10℃/min的速度，由25℃加热至320℃～340℃，压强为15～25Mpa，保温1～2h；再按照5℃/min的速度冷却至25℃。
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2022
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