CN117603550A - 一种自润滑酚醛树脂基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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王晓东
李欢
李贵涛
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Abstract

本发明涉及一种自润滑酚醛树脂基复合材料,该复合材料由下述质量分数的组份构成:55%~85%的酚醛树脂,5%~25%的纳米功能填料,10%~20%的增强纤维。同时,本发明还公开了该复合材料的制备方法。本发明所得复合材料适用于苛刻干摩擦及油润滑工况,作为风电轴承等高端装备领域运动部件,可大幅提高运动构件的可靠性和使用寿命,降低摩擦能耗,具有显著的节能减排意义。

Description

一种自润滑酚醛树脂基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及固体润滑材料技术领域,尤其涉及一种自润滑酚醛树脂基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着工业装备和交通设施的不断发展,越来越多的运动机构在更加多变和苛刻的条件下工作。由于移动机构的大型化和工作环境的特殊性,对其材料的承载能力、可靠性和使用寿命提出了更高的要求。设计开发具有优异自润滑性能、耐磨可靠且适用于多重工况的材料逐渐成为各国研究热点。聚合物复合材料由于其质量轻、化学稳定性高、可设计性强等优势,广泛应用于各种诸如汽车、风电、军事等领域。
酚醛树脂(PF)是由酚类和醛类在酸或碱的催化作用下交联固化形成的热固性聚合物材料。该树脂具有较高的机械强度、良好的耐热性,可与其他聚合物共混实现性能优化,其作为三大热固性树脂之一,广泛地应用在运输、建筑、航空航天等领域。此外,相较于氰酸酯树脂、聚酰亚胺(PI)等特种塑料,其具有低成本的优势。然而,纯PF制品的脆性高、韧性差、刚性和强度不足,本身的耐磨性能较差,限制了其在高端装备润滑材料中的应用。
众所周知,在聚合物基材中添加增强填料被证明是提高材料力学性能、改善摩擦学性能的有效方法。然而运动机构面临复杂、多变应用工况,添加的单一增强填料需要满足其在干摩擦和油润滑的多重工况下摩擦学性能的要求。由于油润滑介质会降低摩擦接触区域闪温,抑制材料的转移,最终影响摩擦膜的形成,进而影响摩擦学性能;同时,干摩擦会产生高摩擦接触区域闪温,加速聚合物材料的形变、转移,增加材料磨损损失的风险。
而目前,尚未有研究报道指出可应用于苛刻且复杂多变工况下的酚醛基复合材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种同时适用于干摩擦和油润滑工况的高强度耐磨的自润滑酚醛树脂基复合材料。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供该自润滑酚醛树脂基复合材料的制备方法。
为解决上述问题,本发明所述的一种自润滑酚醛树脂基复合材料,其特征在于:该复合材料由下述质量分数的组份构成:55%~85%的酚醛树脂,5%~25%的纳米功能填料,10%~20%的增强纤维。
所述酚醛树脂为热固性酚醛树脂粉末。
所述纳米功能填料为凹凸棒石粉末或其衍生物中的任意一种,其粒度在10 nm~100 nm。
所述纳米功能填料为纯度大于98%且解离的凹凸棒石。
所述增强纤维为碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、钛酸晶须纤维中的任意一种或多种混合纤维,其长径比大于20。
如上所述的一种自润滑酚醛树脂基复合材料的制备方法,包括以下步骤:
⑴按配比称重;
⑵将纳米功能填料和增强纤维在60℃~120℃干燥1~24h,即得干燥的纳米功能填料和增强纤维;
⑶将干燥的纳米功能填料和增强纤维与酚醛树脂加入高速搅拌机中,在转速为500~1500转/分的条件下预混合10~40min,制得预混料;
⑷所述预混料经塑炼、粉碎,制得改性酚醛复合材料粉末;
⑸所述改性酚醛复合材料粉末放入矩形模具中,并转移至平板硫化机中进行模压,制得改性酚醛复合材料板材;
⑹所述改性酚醛复合材料板材经热处理后,即得自润滑酚醛树脂基复合材料。
所述步骤⑷中塑炼的条件是指前辊温度为120~150℃,后辊温度为100~120℃,塑炼时间为5~25min。
所述步骤⑷中粉碎的条件是指转速为500~1500rpm,粉碎时间为5~15min。
所述步骤⑸中模压的条件是指温度为130~190℃,压力为10~35MPa,模压时间为5~90min。
所述步骤⑹中热处理的条件是指采用80~150℃的鼓风干燥箱进行热处理,以10~30℃/min的升温速率升温至200~250℃,保温1~3h后降至室温。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
1、本发明通过添加充当应力集中点的凹凸棒石或其衍生物和增强纤维的配方优化,吸收施加的外部能量的同时阻止材料内部银纹产生及生成,增加了树脂抗弯曲和压缩强度,改善了酚醛树脂基体的塑性形变区间,提高了材料韧性。
2、本发明将凹凸棒石或其衍生物和增强纤维同时引入酚醛树脂中,在干摩擦和油润滑下均表现出显著的协同减摩抗磨作用,表现出极低的摩擦系数与磨损率。其中:在油润滑介质中,凹凸棒石经摩擦氧化形成的硅、铝氧化物转移至摩擦对偶面,嵌入由增强纤维摩擦氧化形成的碳基摩擦膜中,促进界面杂化摩擦膜的生成,进一步增强摩擦膜的承载能力,降低摩擦系数和磨损率。在干摩擦下,高导热性能的凹凸棒石可有效降低由增强纤维引起的摩擦接触区域高闪温,降低聚合物材料的转移,从而降低酚醛复合材料的磨损率,提高其使用寿命。
3、本发明使用三辊压延机对预混料进行塑炼加工,利用其高效剪切,进一步降低材料内部颗粒尺寸,增加颗粒表面积,改善其与酚醛树脂间粘合性,提高纳米功能填料及增强纤维在酚醛树脂中的分散效果,避免了在模塑成型过程中因流动性不好产生的不均匀,最终改善酚醛复合材料在苛刻干摩擦和油润滑复杂工况下的使用寿命。
4、本发明所得复合材料适用于苛刻干摩擦及油润滑的复杂多变工况,作为风电轴承等高端装备领域运动部件,可大幅提高运动构件的可靠性和使用寿命,降低摩擦能耗,具有显著的节能减排意义。
具体实施方式
一种自润滑酚醛树脂基复合材料,该复合材料由下述质量分数(g/g)的组份构成:55%~85%的酚醛树脂,5%~25%的纳米功能填料,10%~20%的增强纤维。
其中:酚醛树脂为热固性酚醛树脂粉末。
纳米功能填料为凹凸棒石粉末或其衍生物中的任意一种,其粒度在10 nm~100nm。优选纳米功能填料为纯度大于98%且解离的凹凸棒石。
增强纤维为碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、钛酸晶须纤维中的任意一种或多种混合纤维,其长径比大于20。
一种自润滑酚醛树脂基复合材料的制备方法,包括以下步骤:
⑴按配比称重;
⑵将纳米功能填料和增强纤维在60℃~120℃干燥1~24h,即得干燥的纳米功能填料和增强纤维;
⑶将干燥的纳米功能填料和增强纤维与酚醛树脂加入高速搅拌机中,在转速为500~1500转/分的条件下预混合10~40min,制得预混料;
⑷预混料加入三辊压延机进行塑炼,前辊温度为120~150℃,后辊温度为100~120℃,塑炼时间为5~25min,制得改性酚醛复合材料片材;改性酚醛复合材料片材加入粉碎机,在转速500~1500rpm下粉碎5~15min,经塑炼、粉碎,制得改性酚醛复合材料粉末;
⑸改性酚醛复合材料粉末放入矩形模具中,并转移至平板硫化机中进行模压,温度130~190℃,压力10~35MPa,模压5~90min,制得改性酚醛复合材料板材;
⑹改性酚醛复合材料板材加入80~150℃的鼓风干燥箱进行热处理,以10~30℃/min的升温速率升温至200~250℃,保温1~3h后降至室温,即得自润滑酚醛树脂基复合材料。
实施例1 一种自润滑酚醛树脂基复合材料,该复合材料由下述组份构成:850g酚醛树脂,50g凹凸棒石,100g碳纤维。
其制备方法,包括以下步骤:
⑴按配比称重;
⑵将纳米功能填料和增强纤维在90℃干燥18h,即得干燥的纳米功能填料和增强纤维;
⑶将干燥的纳米功能填料和增强纤维与酚醛树脂加入高速搅拌机中,在转速为1000转/分的条件下预混合30min,制得预混料;
⑷预混料加入三辊压延机进行塑炼,前辊温度135℃,后辊温度110℃,塑炼15min,制得改性酚醛复合材料片材;改性酚醛复合材料片材加入粉碎机,在转速1500rpm下粉碎5min,经塑炼、粉碎,制得改性酚醛复合材料粉末;
⑸改性酚醛复合材料粉末放入矩形模具中,并转移至平板硫化机中进行模压,温度180℃,压力30 MPa,模压30min,制得改性酚醛复合材料板材;
⑹改性酚醛复合材料板材加入120℃的鼓风干燥箱进行热处理,以20℃/min的升温速率升温至240℃,保温2h后降至室温,即得自润滑酚醛树脂基复合材料。
实施例2 一种自润滑酚醛树脂基复合材料,该复合材料由下述组份构成:800g酚醛树脂,100g凹凸棒石,100g碳纤维。
其制备方法同实施例1。
实施例3 一种自润滑酚醛树脂基复合材料,该复合材料由下述组份构成:700g酚醛树脂,200g凹凸棒石,100g碳纤维。
其制备方法同实施例1。
对比例1 一种酚醛树脂材料
将1000g酚醛树脂加入高速搅拌机,在转速为1000rpm下预混合30min;将预混料定量加入三辊压延机,前辊温度135℃,后辊温度110℃,塑炼15min,制得酚醛材料片材;将片材加入粉碎机,在转速1500rpm下粉碎5min,制得酚醛材料粉末。将所得粉末放入矩形模具中,转移至平板硫化机,温度180℃,压力30 MPa,模压30min,制得酚醛材料板材。将制得的板材加入120℃的鼓风干燥箱进行热处理,以20℃/min的升温速率升温至240℃,保温2h后降至室温,制得酚醛材料固体。
对比例2 一种无塑炼的酚醛复合材料
将50g凹凸棒石和100g碳纤维在90℃下干燥18h;将干燥后的纳米功能填料和增强纤维及850g酚醛树脂加入高速搅拌机,在转速为1000rpm下预混合30min。将所得预混粉末放入矩形模具中,转移至平板硫化机,温度180℃,压力30 MPa,模压30min,制得改性酚醛复合材料板材。将制得的板材加入120℃的鼓风干燥箱进行热处理,以20℃/min的升温速率升温至240℃,保温2h后降至室温,制得酚醛复合材料固体。
【力学性能测试】
对实施例1~3以及对比例1~2所得复合材料进行力学性能测试。按照GB/T 1041-2008塑料压缩性能和GB/T 9341-2008塑料弯曲性能的测定,将模压样品块材机械加工成80×10×4 mm3。采用万能力学试验机对实施例和对比例进行抗压性能和抗弯性能的测定。所得材料压缩强度和弯曲强度测量结果如表1所示。
表1.实施例及对比例制备材料的压缩强度和弯曲强度
从表1可以看出,本发明得到的酚醛复合材料与纯酚醛树脂相比表现出更高的压缩强度和弯曲强度。原因在于凹凸棒石或其衍生物有效吸收断裂能使材料内部银纹产生,而高模量的增强纤维可抑制银纹的生长,改善了酚醛树脂基体的塑性形变区间,增加了材料抗弯曲和压缩强度,表现出更高的承载能力。同时经过塑炼过程的酚醛树脂复合材料力学性能得到提高。
【摩擦学性能测试】
对实施例1~3以及对比例1~2所得复合材料进行干摩擦和油润滑两种工况下的摩擦实验,选用高速环-块试验机进行测试。将模压样品材料机械加工为25×10×4 mm3,对偶件是GCr15轴承钢。对偶件与复合材料块材均用相同目数砂纸打磨抛光,以获得相同粗糙度Ra=0.25。
干摩擦测试条件为:试验载荷200 N,滑动速度1 m/s,持续时间3h,配副暴露在空气中。油润滑测试条件为:试验载荷200 N,滑动速度1 m/s,持续时间3h,配副浸泡在装满聚α烯烃(PAO)油的腔体中。
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。
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)。
所得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.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
从表2可以看出,本发明得到的一种适用于苛刻干摩擦和油润滑工况的高强度耐磨酚醛树脂复合材料(实施例1~3)与纯酚醛树脂和无塑炼过程的酚醛复合材料(对比例1~2)相比具有显著的减摩抗磨特性,磨损率较纯树脂及无塑炼工艺制备的复合材料极大降低。
在干摩擦中高导热的凹凸棒石可有效降低增强纤维在摩擦界面高的闪温,显著抑制酚醛树脂的转移,同时通过界面摩擦物理-化学作用反应生成高强度耐磨转移膜,避免摩擦副的直接接触,降低了材料的磨损;在油润滑介质中,增强纤维在摩擦界面的应力促使释放于摩擦界面的凹凸棒石摩擦烧结成高承载和易剪切特性的转移膜,避免了摩擦配副的直接刮擦,极大降低了磨损率。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,并不构成对本专利保护范围的限制,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自润滑酚醛树脂基复合材料,其特征在于:该复合材料由下述质量分数的组份构成:55%~85%的酚醛树脂,5%~25%的纳米功能填料,10%~20%的增强纤维。
2.如权利要求1所述的一种自润滑酚醛树脂基复合材料,其特征在于:所述酚醛树脂为热固性酚醛树脂粉末。
3.如权利要求1所述的一种自润滑酚醛树脂基复合材料,其特征在于:所述纳米功能填料为凹凸棒石粉末或其衍生物中的任意一种,其粒度在10 nm~100 nm。
4.如权利要求3所述的一种自润滑酚醛树脂基复合材料,其特征在于:所述纳米功能填料为纯度大于98%且解离的凹凸棒石。
5.如权利要求1所述的一种自润滑酚醛树脂基复合材料,其特征在于:所述增强纤维为碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、钛酸晶须纤维中的任意一种或多种混合纤维,其长径比大于20。
6.如权利要求1~5之一所述的一种自润滑酚醛树脂基复合材料的制备方法,包括以下步骤:
⑴按配比称重;
⑵将纳米功能填料和增强纤维在60℃~120℃干燥1~24h,即得干燥的纳米功能填料和增强纤维;
⑶将干燥的纳米功能填料和增强纤维与酚醛树脂加入高速搅拌机中,在转速为500~1500转/分的条件下预混合10~40min,制得预混料;
⑷所述预混料经塑炼、粉碎,制得改性酚醛复合材料粉末;
⑸所述改性酚醛复合材料粉末放入矩形模具中,并转移至平板硫化机中进行模压,制得改性酚醛复合材料板材;
⑹所述改性酚醛复合材料板材经热处理后,即得自润滑酚醛树脂基复合材料。
7.如权利要求6所述的一种自润滑酚醛树脂基复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤⑷中塑炼的条件是指前辊温度为120~150℃,后辊温度为100~120℃,塑炼时间为5~25min。
8.如权利要求6所述的一种自润滑酚醛树脂基复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤⑷中粉碎的条件是指转速为500~1500rpm,粉碎时间为5~15min。
9.如权利要求6所述的一种自润滑酚醛树脂基复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤⑸中模压的条件是指温度为130~190℃,压力为10~35MPa,模压时间为5~90min。
10.如权利要求6所述的一种自润滑酚醛树脂基复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤⑹中热处理的条件是指采用80~150℃的鼓风干燥箱进行热处理,以10~30℃/min的升温速率升温至200~250℃,保温1~3h后降至室温。
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