CN117624721A - 梯度孔隙多孔复合材料及其制备方法 - Google Patents
梯度孔隙多孔复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117624721A CN117624721A CN202311556221.2A CN202311556221A CN117624721A CN 117624721 A CN117624721 A CN 117624721A CN 202311556221 A CN202311556221 A CN 202311556221A CN 117624721 A CN117624721 A CN 117624721A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- oil reservoir
- raw material
- working layer
- sintering
- porous composite
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000011148 porous material Substances 0.000 title claims abstract description 102
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 77
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 10
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 60
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 39
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 34
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 claims abstract description 26
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000004017 vitrification Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 68
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 22
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 19
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 14
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 14
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 8
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 7
- 229920006259 thermoplastic polyimide Polymers 0.000 claims description 7
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims description 3
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 claims description 3
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 abstract description 22
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 abstract description 20
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 abstract description 19
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 2
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 92
- 239000010687 lubricating oil Substances 0.000 description 26
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 24
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 24
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 description 16
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 15
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 description 13
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 10
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 7
- 238000001513 hot isostatic pressing Methods 0.000 description 6
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 6
- 229920001400 block copolymer Polymers 0.000 description 5
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- VLDPXPPHXDGHEW-UHFFFAOYSA-N 1-chloro-2-dichlorophosphoryloxybenzene Chemical compound ClC1=CC=CC=C1OP(Cl)(Cl)=O VLDPXPPHXDGHEW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UPMLOUAZCHDJJD-UHFFFAOYSA-N 4,4'-Diphenylmethane Diisocyanate Chemical compound C1=CC(N=C=O)=CC=C1CC1=CC=C(N=C=O)C=C1 UPMLOUAZCHDJJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- NXDMHKQJWIMEEE-UHFFFAOYSA-N 4-(4-aminophenoxy)aniline;furo[3,4-f][2]benzofuran-1,3,5,7-tetrone Chemical compound C1=CC(N)=CC=C1OC1=CC=C(N)C=C1.C1=C2C(=O)OC(=O)C2=CC2=C1C(=O)OC2=O NXDMHKQJWIMEEE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VQVIHDPBMFABCQ-UHFFFAOYSA-N 5-(1,3-dioxo-2-benzofuran-5-carbonyl)-2-benzofuran-1,3-dione Chemical compound C1=C2C(=O)OC(=O)C2=CC(C(C=2C=C3C(=O)OC(=O)C3=CC=2)=O)=C1 VQVIHDPBMFABCQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- GTDPSWPPOUPBNX-UHFFFAOYSA-N ac1mqpva Chemical compound CC12C(=O)OC(=O)C1(C)C1(C)C2(C)C(=O)OC1=O GTDPSWPPOUPBNX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002199 base oil Substances 0.000 description 3
- 150000004985 diamines Chemical class 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 3
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 3
- 229920003223 poly(pyromellitimide-1,4-diphenyl ether) Polymers 0.000 description 3
- HLBLWEWZXPIGSM-UHFFFAOYSA-N 4-Aminophenyl ether Chemical compound C1=CC(N)=CC=C1OC1=CC=C(N)C=C1 HLBLWEWZXPIGSM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 229920003002 synthetic resin Polymers 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QQGYZOYWNCKGEK-UHFFFAOYSA-N 5-[(1,3-dioxo-2-benzofuran-5-yl)oxy]-2-benzofuran-1,3-dione Chemical compound C1=C2C(=O)OC(=O)C2=CC(OC=2C=C3C(=O)OC(C3=CC=2)=O)=C1 QQGYZOYWNCKGEK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004699 Ultra-high molecular weight polyethylene Substances 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000012661 block copolymerization Methods 0.000 description 1
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 1
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000006482 condensation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007334 copolymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 239000012765 fibrous filler Substances 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000005469 granulation Methods 0.000 description 1
- 230000003179 granulation Effects 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010688 mineral lubricating oil Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000001694 spray drying Methods 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008093 supporting effect Effects 0.000 description 1
- 239000010689 synthetic lubricating oil Substances 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- IMNIMPAHZVJRPE-UHFFFAOYSA-N triethylenediamine Chemical compound C1CN2CCN1CC2 IMNIMPAHZVJRPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000785 ultra high molecular weight polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
Abstract
本发明公开了一种梯度孔隙多孔复合材料及其制备方法，选择玻璃化温度大的聚合物作为油储层原料，选择玻璃化温度小的聚合物作为工作层原料，先将油储层原料压制油储层冷坯体，然后敷设工作层原料压制复合冷坯体；之后将复合冷坯体在大于油储层原料的玻璃化温度的情况下定容烧结，得到多孔复合预坯体；最后将多孔复合预坯体在介于油储层原料、工作层原料的玻璃化温度之间的温度下进行热压复烧，冷却后得到梯度孔隙多孔复合材料。本发明间距高储油性能和高保油率特性，能够极大改善摩擦界面润滑性能，并且实现长效润滑，极大提高了轴承保持架之类产品的使用寿命，达到了降本增效的目的。
Description
技术领域
本发明属于材料领域，涉及一种固油润滑材料，具体涉及一种梯度孔隙多孔复合材料及其制备方法。
背景技术
近年来，国家对工业领域节能环保要求的越来越高，机械装备及其结构件在设计、制造和应用过程中，要求高节能、高环保及绿色化生产。其中，降低机械结构件的摩擦磨损是实现这一提倡的重要措施。目前，降低金属摩擦副之间摩擦磨损的主要方式为注入润滑油，但这种润滑方式会受限于苛刻应用工况，例如高真空、高负载和高低温。因此，固体润滑和固液润滑应运而生。
固体润滑材料主要由高分子基体相与增强相及润滑相复合而成。增强相包括零维、一维和二维纳米材料，以及宏观无机/有机纤维类填料。润滑相包括无机类石墨层状二维构型材料，有机聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯自润滑材料。这类材料相对于金属基油润滑体系，存在摩擦系数较高，长时间服役过程大量磨屑产生的缺陷。固油润滑材料则很好的结合了固体支撑性和润滑油流体润滑特性，规避了金属基油润滑体系油渗漏污染及需额外配置供油结构部件的缺陷。特别适用于航天航空中零件不易更换的苛刻操作应用环境中，具备降低成本，简化设计的优势。
固油润滑材料主要由高分子多孔基体及润滑油组成，高分子多孔基体呈多孔贯通形态，通过真空油浸，得到富含润滑油的固液润滑复合材料。高分子多孔基体中的孔穴和孔径作为润滑油的储存体和输送通道，在摩擦副相对运动时，离心效应驱动孔穴润滑油沿微孔径渗出摩擦界面提供油膜润滑。当停止运动时，摩擦界面润滑油在毛细管作用力下重新被吸附到高分子基体孔隙中，进而实现长效润滑作用。高分子储油基体具备比重小、耐腐蚀及低成本特性，更为重要的是与润滑油同属有机化合物，具备良好的彼此相容性及高相互作用力，进而实现良好的储油保油性能。制备储油高分子基体主要以冷压成型-高温烧结方法制备。冷压成型过程通过压力控制得到设计密度的冷坯体，然后在定容高温烧结过程中，内含空气及小分子气体物质受热膨胀向外扩散冲刷产生贯通孔隙，进而得到多孔储油高分子基体材料。储油性能和保油性能是评判固油润滑复合材料性能优异的主要参数。储油性能和保油性能主要由孔隙率决定，孔隙较大，储油能力较高，但在频繁启停、高速回转运动过程中，会导致孔隙中润滑油在离心力作用下过盈逸出，进而导致润滑油过盈渗漏。同时，大孔隙聚合物基体也会显著降低材料力学强度。当孔隙较小时，能够规避润滑油过盈渗漏的缺陷，但有限的润滑油储量，会降低固液润滑结构的长效应用寿命。因此，急需开发一款兼具良好储油和保油性能固液润滑复合材料。
发明内容
为克服以上缺点，本发明的一个目的是提供一种梯度孔隙多孔复合材料，能够规避现有多孔材料高储油率和高保油率之间的矛盾，达到兼具良好储油保油性能，实现固油润滑复合材料的长效润滑。
本发明的另一个目的是提供一种梯度孔隙多孔复合材料的制备方法，采用两次不同参数的热压烧结来在工作层内产生梯度多孔，达到梯度孔隙多孔复合材料所限定的孔隙分布要求，降低制作工艺成本。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种梯度孔隙多孔复合材料，为采用热塑性高分子材料热压制成的多孔聚合物，所述多孔聚合物包括油储层和位于油储层表面的工作层，所述工作层表面为摩擦界面，所述工作层在其法向上孔隙大小梯度减小。
本发明通过改变热成型温度、压力和工序等参数，使得工作层在其法向上孔隙大小梯度减小，这样整个材料在作为摩擦副时，能够通过较大孔隙的油储层吸收大量润滑油(矿物润滑油或合成润滑油)，在频繁启停、高速回转运动的应用场景下，通过孔隙大小梯度减小的工作层能够将润滑油锁紧在油储层内，起到较好的保油效果，同时润滑油能够在工作层上微孔毛细作用下长期持续渗出润滑油，提高摩擦界面的润滑效果。本发明在具备大孔隙材料的吸油能力同时，还在在高转速和高接触压力下具有较高的保油率，完美解决了现有技术中高储油量和高保油率不可兼得的问题。
进一步的，所述多孔聚合物孔隙率22-28％，孔径分布范围为0.005-400μm。整个材料在该孔隙率和孔径分布范围下能够得到较好的储油能力和保油率，针对大多数场景和润滑油具有实际使用价值。
进一步的，所述工作层的厚度为0.1-2mm，孔隙孔径分布范围为0.005-0.1μm。工作层厚度过大和过小均不合适，厚度过大，保油率虽然较高，但是油储层内的润滑油难以渗出来，满足不了摩擦界面的润滑要求，厚度过小，即使形成了梯度孔隙也难以维持较好的保油率；孔隙分布同样如此，在满足孔隙梯度情况下，过小孔径造成润滑油渗出困难，过大孔径造成保油率难以提高，因此厚度和孔隙孔径分布同时选择在合适的范围才能满足本发明要求，并且根据润滑油种类和转速大小进行相应调整，具体是满足润滑性能要求情况下最高保油率时的厚度和孔隙孔径组合为最佳参数。
进一步的，所述油储层的孔隙孔径分布范围为2-400μm。该孔径范围间距较大储油能力和材料强度，空隙过小，储油能力不足，空隙过大，材料强度不足以支撑转轴的结构件或者无法承受摩擦界面的正压力。
进一步的，所述热塑性高分子材料为热塑性聚酰亚胺聚合物。
另一方面，本发明提供一种梯度孔隙多孔复合材料的制备方法，包括以下步骤：
选择不同玻璃化温度的热塑性聚酰亚胺聚合物粉末分别作为油储层原料和工作层原料，且油储层原料的玻璃化温度大于工作层原料的玻璃化温度；
将油储层原料进行第一次常温压制，得到油储层冷坯体；
将工作层原料敷设于油储层冷坯体上，进行第二次常温压制，得到复合冷坯体；
对复合冷坯体进行定容烧结，定容烧结的温度大于油储层原料的玻璃化温度；定容烧结时，复合冷坯体内的小分子物质高温作用下逐渐热膨胀，随同空气小分子向外扩散冲刷使孔穴之间贯通为彼此相连的孔道，热压冷却后得到多孔复合预坯体；所得多孔复合预坯体具有大孔隙率和大孔径，并且孔径分布均匀的特点；
将多孔复合预坯体进行热压复烧，热压复烧的温度在油储层原料、工作层原料的玻璃化温度之间，热压复烧时，多孔复合预坯体的工作层为处于表面层的大孔隙架构，在压应力作下，沿压力方向的孔隙架构所承受的应力产生逐级衰减效应，工作层由内至外沿逆应力方向的孔隙受应力作用越来越大，进而产生孔隙逐渐变小的梯度孔隙结构，热压烧结冷却后得到梯度孔隙多孔复合材料。
进一步的，所述工作层原料为热塑性聚酰亚胺交替聚合物(粉末态)，化学结构由4,4'-氧双邻苯二甲酸酐(ODPA)和4,4'-二氨基二苯醚(ODA)组成，玻璃化温度267℃，粉末粒径为20-60μm，购自海市合成树脂研究所。
进一步的，油储层原料为热塑性聚酰亚胺嵌段聚合物(粉末态)。
更进一步的，所述聚酰亚胺玻璃化温度为330-360℃，其化学结构由提供塑化成型性的聚酰亚胺软段Ⅰ和赋予高温耐受性聚酰亚胺硬段Ⅱ构成的嵌断共聚物，所述聚酰亚胺软段Ⅰ由二苯甲酮四羧酸二酐(BTDA)和二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)共聚并以二酐封端得到，所述聚酰亚胺硬段Ⅱ由均苯四甲酸二酐(PMDA)和二氨基二苯醚(ODA)共聚并以二胺封端得到，将二酐封端聚酰亚胺BDTA-MDI软段Ⅰ和二胺封端聚酰亚胺PMDA-ODA硬段Ⅱ进行缩合反应，并经过喷雾造粒得到多孔聚合物基体用粉末颗粒，粉末粒径为100-200μm。
进一步的，所述聚酰亚胺嵌段共聚物重软、硬嵌段分子数比例为(0.5～2)：1。
进一步的，所述油储层原料的玻璃化温度为330-360℃，工作层原料的玻璃化温度比油储层原料的玻璃化温度低50-100℃。
进一步的，所述工作层原料的玻璃化温度比油储层原料的玻璃化温度低63-93℃。
进一步的，常温压制前，通过真空干燥去除油储层原料和工作层原料中的水份。
进一步的，两次常温压制及两次热压烧结均在热等静压机中进行。
进一步的，第一次常温压制的温度为20-30MPa。
进一步的，第一次常温压制的时间为5-10min。
进一步的，第一次常温压制过程如下：
将油储层聚合物粉末原材料真空干燥去除水分，置于热等静压机中，常温压制5-10min，所述压力为20-30MPa，得到油储层冷坯体。
进一步的，第二次常温压制的压力为30-50MPa。
进一步的，第二次常温压制的时间为10-20min。
进一步的，第二次常温压制过程如下：
将工作层聚合物粉末敷设于油储层冷坯体之上，常温压制10-20min，所述压力为30-50MPa，最终得到孔隙率30-36％的复合冷坯体。
进一步的，定容烧结的温度为油储层原料的玻璃化温度以上40-70℃。
进一步的，定容烧结的升温速度为4-6℃/min(最佳为5℃/min)。
进一步的，定容烧结的保温时间为保温1-3h。保温时，对复合冷坯体为定容保温，以防止破坏多孔结构。
进一步的，进行定容烧结时，需要将复合冷坯体转移至定容烧结套中后在热等静压机上热压烧结，通过定容烧结套在需要时保持复合冷坯体体积不变，防止破坏孔隙结构。定容烧结时，所述容烧结套与所需烧结的复合冷坯体形状尺寸基本一样，烧结过程中无需额外压力。
进一步的，对复合冷坯体进行定容烧结过程如下：
将冷坯体置于定容烧结套转移至热等静压机中，热等静压机以5℃/min升温速率升温至油储层聚酰亚胺玻璃化温度以上40-70℃，保温1-3h。定容保温时，定容烧结套的模腔内样品(复合冷坯体)体积恒定，聚合物颗粒间在热作用下逐渐固结。同时，模腔内小分子物质高温作用下逐渐热膨胀，热膨胀及空气小分子向外扩散冲刷使孔穴之间贯通为彼此相连的孔道。定容保温结束后冷却至常温，取出多孔复合预坯体。
进一步的，热压复烧时，升温速度小于第一热压烧结，缓慢的升温速率可以促使聚合物分子链段玻璃化转变过程中实现充分旋转运动，降低滞后产生的内应力进而影响坯体的再次成型。
具体的，热压复烧的升温速度为1-2℃/min。
进一步的，热压复烧的烧结温度(也是复成型温度)为工作层原料的玻璃化温度以上10-20℃，通过该温度使得，使得具有足够高的温度烧结使得工作层内产生梯度孔隙，又不会影响到油储层的空隙。
进一步的，热压复烧的烧结压力为10-20MPa，烧结温度保温时间为30-60min。选择合适的烧结压力和烧结时间使得具有合适的孔径梯度。
进一步的，热压复烧的具体步骤如下：
将多孔复合预坯体置于成型模具中，用热等静压机进行热压复烧(热压复烧)。以1-2℃/min升温速率从常温升温至工作层聚酰亚胺玻璃化温度以上10-20℃，在该温度(即复成型温度)下，保温时间30-60min，压力为10-20MPa，保温过程中，对热等静压机的热压板限位防止预坯体多孔结构受热膨胀被破坏。定容保温结束后，自然冷却至常温脱模，得到梯度孔隙聚合物基体，也即是梯度孔隙多孔复合材料。
本发明通过缓慢的升温速率可以促使聚合物分子链段玻璃化转变过程中实现充分旋转运动，降低滞后产生的内应力进而影响坯体的再次成型。当温度到达复成型温度后，工作层聚酰亚胺处于聚合物高弹态，其弹性模量显著下降，此时，将压力设置为10-20MPa作用于多孔复合预坯体表面并进行限位。多孔复合预坯体的工作层的大孔隙架构在受压应力作用时，沿压力方向的孔隙架构所承受的应力产生逐级衰减效应，工作层由内至外沿逆应力方向的孔隙受应力作用越来越大，进而产生梯度孔隙结构，即工作层外表面呈现较小的孔径，而外表面向内延伸，孔隙越来越大，得到梯度孔隙工作层；工作层以下的油储层多孔复合预坯体部分，由于复成型温度低于油储层聚酰亚胺玻璃化温度，聚合物处于玻璃态，依然保持材料固有的刚性。基于有限的热压压力施加于预坯体表面，多孔结构预坯体的内部由于应力衰减效应，油储层孔隙结构受到的影响较小。
将所述的梯度孔隙聚合物基体与润滑油置于真空箱中，加热至120-150℃，持续24h，使润滑油浸入聚合物孔隙中，得到真空油浸的梯度孔隙固油润滑复合材料，该材料制作成相应形状即可作为摩擦副工件使用。真空浸油得到固油润滑材料后，复合材料内含大孔径实现高储油性，而表面较小的孔径位于润滑界面工作层，在摩擦副高速运转时控制释油率，防止润滑油泄漏而引起的污染，停止工作时孔隙较小毛细孔道能够迅速将摩擦界面的润滑油回收入孔穴中，进而实现长效润滑。该梯度孔隙多孔复合材料作为轴承保持架能够实现长寿命应用要求。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：
本发明提供的梯度孔隙多孔复合材料能够规避目前类似产品储油和保油性能冲突的问题。通过内含大孔隙油储层实现高储油性能，工作层为小孔隙结构，使本发明提供的材料能够实现在苛刻应用工况下，例如频繁启停、高速回转运动过程中，持续不间断为摩擦副润滑界面提供良好的油润滑，同时在在机器停止运动时，通过毛细管作用力将摩擦界面的润滑油重新吸收到孔隙中。
本发明的梯度孔隙多孔复合材料制备工艺简单，能够制作各类异形体，可以广泛应用于固液润滑机械构件中，进一推动润滑行业的绿色和可持续发展。
附图说明
图1实施例1工作层和油储层聚酰亚胺的DSC(孔隙率)曲线。
图2实施例1-3得到的梯度孔隙多孔复合材料的保油性能(离心转速6000r/min)。
图3.实施例1-3得到的梯度孔隙多孔复合材料的环张力对比图。
图4.实施例1-3得到的梯度孔隙多孔复合材料的摩擦系数(COF)对比图。
图5.为实施例1中梯度孔隙多孔复合材料的孔径分布图。
图6.为实施例1中梯度孔隙多孔复合材料的剖面形貌图，其中，图6中(a)为工作层的表面层形貌图，图6中(a)为工作层的中间层形貌图，图6中(c)为工作层的内层形貌图(靠近油储层)，图6中(d)为油储层形貌图。
具体实施方式
实施例1：
制备作为油储层的聚酰亚胺基体树脂粉末：将0.65mol BTDA和10mol N-甲基吡咯烷酮置于配置搅拌和冷凝装置的5L三口烧瓶中，充氮气保护，加热至85℃使固体反应物完全溶解，加入0.0089mol 1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷,然后分批次加入0.52mol MDI进行共聚反应，最后得到以二酐封端的BTDA-MDI软段共聚物溶液，冷却备用。
将0.57mol ODA溶解到20mol NMP中，温度控制在25℃以下，再分批次加入0.41molPMDA，得到以二胺封端的PMDA-ODA硬段共聚物溶液。将冷却备用的BTDA-MDI软段共聚物溶液定速加入PMDA-ODA硬段共聚物溶液中，保持反应温度20℃以下进行嵌段共聚反应，得到聚酰亚胺软硬段嵌段共聚物。
最后经喷雾干燥得到粒径为150-200μm的聚酰亚胺嵌段共聚物粉末。所得聚酰亚胺产品玻璃化温度值为333℃。
梯度孔隙多孔复合材料制备：
(1)油储层冷坯体制备：将作为油储层的聚酰亚胺嵌段共聚物粉末置于热等静压机中，常温压制10min，所述压力为30MPa，得到油储层冷坯体.
(2)复合冷坯体制备：将工作层聚合物粉末(购自海市合成树脂研究所的热塑性聚酰亚胺交替聚合物粉末)敷设于油储层冷坯体之上，常温压制20min，所述压力为30MPa，最终得到孔隙率30％的复合冷坯体。
(3)定容烧结：将冷坯体置于定容烧结套转移至热等静压机中，热等静压机以1℃/min升温速率升温至400℃，保温3h。定容保温结束后冷却至常温，取出多孔复合预坯体。
(4)热压复烧：将多孔复合预坯体置于成型模具中，用热等静压机热压复烧。以1℃/min升温速率升温至复成型温度390℃，压力设置为10MPa作用于多孔复合预坯体表面并进行限位，保温时间60min。定容保温结束后，自然冷却至常温脱模，得到梯度孔隙聚合物基体。
(5)高温真空油浸：将所述的梯度孔隙聚合物基体与PAO-4基础油置于真空箱中，加热至材料120℃，持续24h，使润滑油浸入聚合物孔隙中，得到真空油浸的梯度孔隙多孔复合材料，也即是梯度孔隙固油润滑复合材料。
实施例2：
聚合物材料选择和制备工艺与实施例1基本一样，区别在于热压复烧阶段，将压力调整为15MPa。
实施例3：
聚合物材料选择和制备工艺与实施例1基本一样，区别在于热压复烧阶段，将压力调整为20MPa。
将实施例1-3制备的梯度多孔聚合物材料以及相应的梯度孔隙固液润滑复合材料的孔隙率、保油率、环张力性能测试结果如表1所示，测试方法根据标准SAEAMS P 29609-2001《多孔非金属聚酰亚胺保持器材料》进行。
| 孔隙率/％ | 保油率/％ | 环张力/MPa | 摩擦系数 | |
| 实施例1 | 27.86 | 99.35 | 56 | 0.0746 |
| 实施例2 | 25.12 | 99.58 | 64 | 0.0787 |
| 实施例3 | 23.16 | 99.76 | 67 | 0.0788 |
如图1所示，工作层和油储层聚酰亚胺材料玻璃化温度的差异，促使梯度孔隙聚合物材料的成功制备。冷压烧结阶段烧结温度高于工作层和油储层聚酰亚胺材料的玻璃化温度，使其一体成型，得到孔隙较为均一的多孔复合预坯体；然后通过热压复烧，烧结温度低于油储层聚酰亚胺玻璃化温度而高于工作层玻璃化温度，给予一定压力，使其工作层孔隙沿压力方向减小，进而得到梯度孔隙聚合物材料。
如表1所示，随着增加热压复烧阶段的压力，梯度孔隙聚合物材料孔隙率逐渐减小，但仍超过20％。保油率测试结果如图2所示，经3000r/min高速离心2h，实例1-3的保油率依然超过99％，这源于其梯度多孔结构所致，工作层小孔隙结构使材料在高速运转时有效的控制释油率，而内部的大孔径能够储存更多的润滑油，实例1的孔径分布图(图5)正好说明了这一点。经过Rtec摩擦试验机球盘点接触往复摩擦试验中(对偶件为GCr15轴承球，直径6.4mm，行程8mm，载荷30N，往复频率8Hz，测试时间60min)，可见实施例1-3的摩擦系数都低于0.01以下，且测试过程中，摩擦系数保持相对平稳。进一步，结合实施例1的孔径分布图(图5)和微观形貌图(图6)分析，可以看出，工作层孔径沿工作表面法向逐渐降低(图5.a-c)，至油储层达到最大值(图5.d)。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种梯度孔隙多孔复合材料，为采用热塑性高分子材料热压制成的多孔聚合物，其特征在于，所述多孔聚合物包括油储层和位于油储层表面的工作层，所述工作层表面为摩擦界面，所述工作层在其法向上孔隙大小梯度减小。
2.根据权利要求1所述梯度孔隙多孔复合材料，其特征在于，所述多孔聚合物孔隙率22-28％，孔径分布范围为0.005-400μm。
3.根据权利要求1所述梯度孔隙多孔复合材料，其特征在于，所述工作层的厚度为0.1-2mm，孔隙孔径分布范围为0.005-0.1μm。
4.根据权利要求1所述梯度孔隙多孔复合材料，其特征在于，所述油储层的孔隙孔径分布范围为2-400μm。
5.根据权利要求1-4任意一项所述梯度孔隙多孔复合材料，其特征在于，所述热塑性高分子材料为热塑性聚酰亚胺聚合物。
6.一种权利要求5所述梯度孔隙多孔复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选择不同玻璃化温度的热塑性聚酰亚胺聚合物粉末分别作为油储层原料和工作层原料，且油储层原料的玻璃化温度大于工作层原料的玻璃化温度；
将油储层原料进行第一次常温压制，得到油储层冷坯体；
将工作层原料敷设于油储层冷坯体上，进行第二次常温压制，得到复合冷坯体；
对复合冷坯体进行定容烧结，定容烧结的温度大于油储层原料的玻璃化温度；定容烧结时，复合冷坯体内的小分子物质高温作用下逐渐热膨胀，随同空气小分子向外扩散冲刷使孔穴之间贯通为彼此相连的孔道，热压冷却后得到多孔复合预坯体；
将多孔复合预坯体进行热压复烧，热压复烧的温度在油储层原料、工作层原料的玻璃化温度之间，热压复烧时，多孔复合预坯体的工作层为处于表面层的大孔隙架构，在压应力作下，沿压力方向的孔隙架构所承受的应力产生逐级衰减效应，工作层由内至外沿逆应力方向的孔隙受应力作用越来越大，进而产生孔隙逐渐变小的梯度孔隙结构，热压烧结冷却后得到梯度孔隙多孔复合材料。
7.一种权利要求6所述梯度孔隙多孔复合材料的制备方法，其特征在于，第一次常温压制的压力为20-30MPa，第二次常温压制的压力为30-50MPa，压制后复合冷坯体的孔隙率为30-36％。
8.一种权利要求6所述梯度孔隙多孔复合材料的制备方法，其特征在于，所述油储层原料的玻璃化温度为330-360℃，工作层原料的玻璃化温度比油储层原料的玻璃化温度低50-100℃。
9.一种权利要求6所述梯度孔隙多孔复合材料的制备方法，其特征在于，定容烧结时，烧结温度为油储层原料的玻璃化温度以上40-70℃，烧结温度下定容保温一段时间后冷却至常温。
10.一种权利要求6所述梯度孔隙多孔复合材料的制备方法，其特征在于，热压复烧时，升温速度小于第一热压烧结，烧结温度为工作层原料的玻璃化温度以上10-20℃，烧结压力为10-20MPa。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311556221.2A CN117624721A (zh) | 2023-11-17 | 2023-11-17 | 梯度孔隙多孔复合材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311556221.2A CN117624721A (zh) | 2023-11-17 | 2023-11-17 | 梯度孔隙多孔复合材料及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117624721A true CN117624721A (zh) | 2024-03-01 |
Family
ID=90027965
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311556221.2A Pending CN117624721A (zh) | 2023-11-17 | 2023-11-17 | 梯度孔隙多孔复合材料及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117624721A (zh) |
-
2023
- 2023-11-17 CN CN202311556221.2A patent/CN117624721A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101538279B1 (ko) | 개질 폴리이미드 마모층을 갖는 3층 복합 자체 윤활 활주 베어링 및 그 제조 방법 | |
| Zhang et al. | High thermal stability and wear resistance of porous thermosetting heterocyclic polyimide impregnated with silicone oil | |
| WO2012043612A1 (ja) | 転がり軸受用保持器および転がり軸受 | |
| CN102585406B (zh) | 密封用微孔含油自润滑ptfe材料及其制备方法与应用 | |
| CN111409321A (zh) | 一种具有密度梯度的碳纤维硬毡的制备方法 | |
| CN110819064A (zh) | 一种高导热耐磨自润滑衬垫及其制备方法 | |
| CN117624721A (zh) | 梯度孔隙多孔复合材料及其制备方法 | |
| CN113462010B (zh) | 一种高分子聚合物发泡材料及其制备方法和应用 | |
| CN115975318B (zh) | 一种低磨损自润滑材料及其制备方法 | |
| CN113147105A (zh) | 一种多孔聚酰亚胺储油保油结构及其制备方法和应用 | |
| CN103568395B (zh) | 一种耐磨自润滑的pes/金属复合材料及其制备方法 | |
| CN110588022B (zh) | 一种提高rtm成型聚酰亚胺复合材料热氧化稳定性的方法 | |
| CN113831576B (zh) | 一种自修复多孔润滑复合材料及其制备方法 | |
| CN208397122U (zh) | 一种自润滑推力关节轴承 | |
| KR101910155B1 (ko) | 탄소섬유직물-불소수지 복합재료 면접촉 베어링 제조방법 | |
| CN114935009B (zh) | 一种耐高温金属橡胶复合结构密封垫及其制备方法 | |
| CN108547860A (zh) | 一种自润滑推力关节轴承及其制造方法 | |
| CN111085685B (zh) | 一种多孔高熵合金材料及其制备方法和应用 | |
| CN115923007B (zh) | 一种超弹性高承载力的金属橡胶复合型减振阻尼材料 | |
| CN115058895B (zh) | 纤维复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN117384463B (zh) | 一种碳纤增强磺化peek复合材料及其制备方法 | |
| Xie et al. | Effect of calcium hydroxide on the molding and properties of polypyromelliticimide ink for direct writing 3D printing | |
| CN116790164A (zh) | 一种多孔储油自润滑耐磨高分子合金涂层及制备方法 | |
| CN117467229A (zh) | 一种树脂粉末混合物、层合板、制备方法及轴承 | |
| CN117402356A (zh) | 一种较长尺寸保持架材料的制备方法及保持架、轴承 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |