CN118085497A - 一种复合润滑材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及润滑材料技术领域，涉及一种复合润滑材料及其制备方法和应用。所述复合润滑材料的组成成分包括：酚醛树脂1‑100重量份，有机润滑材料1‑100重量份和硅烷偶联剂0.001‑10重量份，所述酚醛树脂和有机润滑材料的质量比为(10‑50):(50‑90)，所述酚醛树脂和有机润滑材料的粒径相差≤200目，所述硅烷偶联剂为带有端烯基的硅烷偶联剂。本发明提供的复合润滑材料摩擦系数低、磨损率低，且可操作性强，原料易得。应用于轴承材料等复合润滑材料时，能够解决酚醛树脂类复合润滑材料摩擦系数偏高，超高分子量聚乙烯等有机润滑材料硬度低、磨损率高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及润滑材料技术领域，尤其涉及一种复合润滑材料及其制备方法和应用。
背景技术
酚醛树脂一般由苯酚醛或其衍生物缩聚而得，硬度较高，在水润滑等条件下磨损率较低，因此酚醛树脂及其复合材料作为润滑材料，被制备成轴套、衬垫等耐磨零件得到广泛应用。目前酚醛树脂类复合润滑材料的成分包括酚醛树脂和改性材料。改性材料基本是无机材料，如玻璃纤维、石墨、碳纤维等，与有机材料酚醛树脂的相容性差，即使添加偶联剂等来改善两者相容性，两种材料之间的界面也很容易存在薄弱区域。而润滑材料的薄弱区域在摩擦环境下，容易出现开裂等情况，导致材料磨损增大，降低材料的使用寿命。
超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯等有机润滑材料存在硬度低的缺点，在摩擦环境下磨损程度较大。目前常用的改善方式是添加碳纤维等无机材料来提高材料硬度、降低材料磨损，但无机的碳纤维与有机润滑材料的界面相互作用较弱，在摩擦过程中，导致碳纤维容易从有机润滑材料基体中脱出，加重磨损。
因此，急需提出一种耐磨复合润滑材料，以满足人们对于轴承材料复合润滑材料高耐磨性、润滑性的需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种复合润滑材料及其制备方法和应用。
第一方面，本发明提供了一种复合润滑材料及其制备方法和应用。以重量份计，所述复合润滑材料的组成成分包括：酚醛树脂1-100重量份，有机润滑材料1-100重量份和硅烷偶联剂0.001-10重量份。
所述酚醛树脂1-100重量份可以是5重量份、10重量份、20重量份、30重量份、40重量份、50重量份、60重量份、70重量份、80重量份、90重量份等。
所述有机润滑材料1-100重量份可以是5重量份、10重量份、20重量份、30重量份、40重量份、50重量份、60重量份、70重量份、80重量份、90重量份等。
所述硅烷偶联剂0.001-10重量份可以是0.01重量份、0.1重量份、1重量份、2重量份、3重量份、4重量份、5重量份、6重量份、7重量份、8重量份、9重量份等。
本发明提供的复合润滑材料中，同为有机物的酚醛树脂和超高分子量聚乙烯等润滑材料相容性好，硅烷偶联剂进一步增强酚醛树脂与有机润滑材料的界面相互作用，最终制备的复合润滑材料既具备酚醛树脂硬度高、磨损率低的优点，又具备有机润滑材料摩擦系数小的优点，整体性能得到显著提升。
作为本发明的一种优选技术方案，所述酚醛树脂和有机润滑材料的质量比为(10-50):(90-50)，进一步优选为(10-33):(67-90)，例如10:90，20:80，33:67等。
本发明所述酚醛树脂和有机润滑材料的质量比为(10-33):(67-90)的范围内时，所制备得到的复合润滑材料磨损率更低、摩擦系数更小，显著提升了其整体性能。
作为本发明的一种优选技术方案，以所述酚醛树脂和有机润滑材料的总质量为100%计，所述有机润滑材料的质量百分含量为50-90%，优选为67-90%，例如70%，75%，80%，85%等。
本发明所述有机润滑材料质量百分含量为67-90%时，制备得到的复合润滑材料的摩擦系数更小，润滑性更好。
作为本发明的一种优选技术方案，所述硅烷偶联剂的添加量为所述有机润滑材料含量的0.1-10%，进一步优选为0.5-1.5%，例如0.6%，0.8%，1.0%，1.2%，1.4%等。
本发明所述的硅烷偶联剂的添加量为所述有机润滑材料含量的0.5-1.5%时，制得的复合润滑材料耐磨性、润滑性更高。若添加的硅烷偶联剂的含量较低，则无法起到增加相容性的效果，若添加的含量较高，则有可能会因为小分子类的硅烷偶联剂的含量过高反而会导致材料的耐磨性能有所降低。
作为本发明的一种优选技术方案，所述酚醛树脂为热塑性酚醛树脂和/或热固性酚醛树脂。
本发明所述的酚醛树脂硬度较高，在复合材料中，形成连续或不连续的硬质结构，减少摩擦过程中复合材料的形变量，从而降低超高分子量聚乙烯的磨损。其中，热固性酚醛树脂微观下的结构是交联的网状结构，相对分子质量较难测得，热固性酚醛树脂的原料的分子量一般为300-5000；热塑性酚醛树脂使用的原料的相对分子质量一般是300-1000。
作为本发明的一种优选技术方案，所述有机润滑材料选自超高分子量聚乙烯、聚甲醛、聚醚醚酮中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选为超高分子量聚乙烯。
本发明所述超高分子量聚乙烯提供润滑作用，减轻酚醛树脂在摩擦过程中的磨损。
作为本发明的一种优选技术方案，所述超高分子量聚乙烯的相对分子质量为100万以上，优选为100万-900万，进一步优选为200万-500万，例如250万，300万，350万，400万，450万等。
本发明的超高分子量聚乙烯的相对分子质量为200万-500万时，耐磨性、自润滑性更好，强度比较高、化学性质更稳定。
作为本发明的一种优选技术方案，所述酚醛树脂的粒径为200-1000目，例如325目，450目，575目，700目，825目，950目等。
作为本发明的一种优选技术方案，所述有机润滑材料的粒径为200-1000目，例如300目，450目，700目，850目等。
作为本发明的一种优选技术方案，所述酚醛树脂和所述有机润滑材料的粒径相差≤200目，优选≤100目，进一步优选≤50目，例如15目，25目，35目，45目等。
本发明所述的酚醛树脂和有机润滑材料≤50目时，二者的相容性更佳，结合强度更高，复合润滑材料的整体性能更佳。
作为本发明的一种优选技术方案，所述硅烷偶联剂为带有端烯基的硅烷偶联剂，优选所述硅烷偶联剂的通式为：
其中，n选自1-5的整数，例如2、3、4，R1、R2、R3各自独立地选自氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基或乙酰基，且R1、R2、R3不同时为氯基。
作为本发明的一种优选技术方案，所述硅烷偶联剂选自乙烯基三甲氧基硅烷和/或乙烯基三乙氧基硅烷。
本发明所述的硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷和/或乙烯基三乙氧基硅烷时，显著增强了酚醛树脂骨架与有机润滑材料的界面相互作用效果，使得制备的复合润滑材料整体性能更好。
第二方面，本发明提供了第一方面所述的复合润滑材料的制备方法。
作为本发明的一种优选技术方案，所述制备方法包括：将酚醛树脂、有机润滑材料和硅烷偶联剂混合、热压，得到所述复合润滑材料。
本发明提供的复合润滑材料制备方法，相容性好的酚醛树脂和超高分子量聚乙烯在加热加压的熔融过程中，两者具有一定流动性，外部施加的压力促进两种材料互相渗透，进一步提高两种材料的界面结合强度，提高了复合润滑材料的整体性能。
作为本发明的一种优选技术方案，所述制备方法包括：
（1）将有机润滑材料粉末和乙烯基硅烷偶联剂以高速搅拌混合均匀；
（2）将酚醛树脂粉末通过高速搅拌，与有机润滑材料粉末和乙烯基硅烷偶联剂的混合物混合均匀；
（3）将混合好的粉末按需要的量加入模具中，对模具加压使物料压实，同时加热模具并保温一定时间，待物料冷却至室温后脱模，得到所述复合润滑材料。
作为本发明的一种优选技术方案，所述搅拌速率为10-5000 rpm，优选为100-1500rpm，例如250 rpm，500 rpm，750 rpm，1000 rpm，1250 rpm等。
作为本发明的一种优选技术方案，所述搅拌时间为1-30 min，优选为1-10 min，例如3 min，5 min，7 min等。
作为本发明的一种优选技术方案，所述热压的温度为130-200℃，优选为150-180℃，例如155℃，165℃，175℃等。
作为本发明的一种优选技术方案，所述热压的压力为1-50 t，优选为8-12 t，例如9 t，10 t，11 t等。
作为本发明的一种优选技术方案，所述热压的时间为3-30 min，优选为3-10 min，例如5 min，7 min，9 min等。
第三方面，本发明提供了第一方面所述的复合润滑材料在轴承材料、轴套材料或衬垫材料中的应用。
本发明实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
（1）本发明提供的复合润滑材料，既解决了酚醛树脂类复合润滑材料摩擦系数偏高、各成分的相容性较差的问题，又解决了超高分子量聚乙烯等有机润滑材料硬度低、磨损率高的问题，同时具备磨损率低、摩擦系数低的优点。
（2）本发明提供的复合润滑材料制备方法，相容性好的有机材料酚醛树脂和超高分子量聚乙烯在加热加压的熔融过程中具有一定流动性，外部施加的压力促进两种材料互相渗透，进一步提高两种材料的界面结合强度，提高了复合润滑材料的整体性能。
（3）本发明提供的制备方法可操作性强，原料易得，可应用于在轴承材料、轴套材料或衬垫等材料中。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
本实施例提供了一种复合润滑材料及其制备方法。
所述复合润滑材料由酚醛树脂50重量份、有机润滑材料50重量份和硅烷偶联剂0.5重量份组成，其中：
所述酚醛树脂和有机润滑材料的质量比为50:50；
所述硅烷偶联剂的添加量为有机润滑材料含量的1%；
所述酚醛树脂为热固性酚醛树脂（酚醛树脂2123粉），粒径为325目；
所述有机润滑材料为超高分子量聚乙烯，分子量为450万，粒径为300目；
所述硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷。
所述制备方法包括如下步骤：
1. 将超高分子量聚乙烯粉末和乙烯基三甲氧基硅烷先后加入到搅拌混合机中，以1000 rpm搅拌混合5 min，再将热固性酚醛树脂粉末加入到搅拌混合机中，以500 rpm搅拌混合3 min；
2. 将混合好的粉末加入模具中，将整个模具放入平板硫化机中，以10 t压力压实，加热至160℃，保压保温5 min。待物料冷却至室温后脱模，得到所述复合润滑材料。
实施例2
本实施例提供了一种复合润滑材料及其制备方法。
所述复合润滑材料由酚醛树脂33.3重量份、有机润滑材料66.7重量份和硅烷偶联剂0.6重量份组成，其中：
所述酚醛树脂和有机润滑材料的质量比为33.3:66.7；
所述硅烷偶联剂的添加量为有机润滑材料含量的1%；
所述酚醛树脂为热固性酚醛树脂，粒径为325目；
所述有机润滑材料为超高分子量聚乙烯，分子量为450万，粒径为300目；
所述硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷。
所述制备方法与实施例1相同。
实施例3
本实施例提供了一种复合润滑材料及其制备方法。
所述复合润滑材料由酚醛树脂10重量份、有机润滑材料90重量份和硅烷偶联剂0.9重量份组成，其中：
所述酚醛树脂和有机润滑材料的质量比为10:90；
所述硅烷偶联剂的添加量为有机润滑材料含量的1%；
所述酚醛树脂为热固性酚醛树脂，粒径为325目；
所述有机润滑材料为超高分子量聚乙烯，分子量为450万，粒径为300目；
所述硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷。
所述制备方法与实施例1相同。
实施例4-5
本实施例提供了一种复合润滑材料及其制备方法。
与实施例1的区别在于，在本实施例中，所述酚醛树脂和有机润滑材料的质量比为67:33(实施例4)，90:10(实施例5)。
实施例6
本实施例提供了一种复合润滑材料及其制备方法。
与实施例2的区别在于，在本实施例中，所述有机润滑材料为高密度聚乙烯，分子量为20万，酚醛树脂和高密度聚乙烯的质量比为33.3:66.7。
实施例7
本实施例提供了一种复合润滑材料及其制备方法。
与实施例1的区别在于，在本实施例中，所述热固性酚醛树脂和超高分子量聚乙烯的粒径相差＞200目，具体为：酚醛树脂粒径575目，超高分子量聚乙烯300目。
实施例8
本实施例提供了一种复合润滑材料及其制备方法。
与实施例1的区别在于，在本实施例中：
所述硅烷偶联剂的添加量为有机润滑材料含量的0.1%；
所述酚醛树脂为热塑性酚醛树脂（注塑级，T365FA），粒径为200目；
所述有机润滑材料超高分子量聚乙烯分子量为100万，粒径为325目。
所述制备方法包括如下步骤：
1. 将超高分子量聚乙烯粉末和乙烯基三甲氧基硅烷先后加入到搅拌混合机中，以100 rpm搅拌混合1 min，再将热塑性酚醛树脂粉末加入到搅拌混合机中，以1500 rpm搅拌混合1 min；
2. 将混合好的粉末加入模具中，将整个模具放入平板硫化机中，以1 t压力压实，加热至130℃保压保温3 min。待物料冷却至室温后脱模，得到所述复合润滑材料。
实施例9
本实施例提供了一种复合润滑材料及其制备方法。
与实施例1的区别在于，在本实施例中：
所述硅烷偶联剂的添加量为有机润滑材料含量的0.5%；
所述酚醛树脂为热塑性酚醛树脂，粒径为325目；
所述有机润滑材料为聚甲醛，分子量为5万，粒径为200目。
所述制备方法包括如下步骤：
1. 将聚甲醛粉末和乙烯基三甲氧基硅烷先后加入到搅拌混合机中，以1500 rpm搅拌混合10 min，再将热塑性酚醛树脂粉末加入到搅拌混合机中，以500 rpm搅拌混合7min；
2. 将混合好的粉末加入模具中，将整个模具放入平板硫化机中，以8 t压力压实，加热至150℃保压保温10 min。待物料冷却至室温后脱模，得到所述复合润滑材料。
实施例10
本实施例提供了一种复合润滑材料及其制备方法。
与实施例1的区别在于，在本实施例中：
所述硅烷偶联剂的添加量为有机润滑材料含量的1.5%；
所述酚醛树脂为热固性酚醛树脂，粒径为1000目；
所述有机润滑材料为聚醚醚酮，分子量为50万，粒径为825目。
所述制备方法包括如下步骤：
1. 将聚醚醚酮粉末和乙烯基三甲氧基硅烷先后加入到搅拌混合机中，以1500rpm搅拌混合7 min，再将热固性酚醛树脂粉末加入到搅拌混合机中，以1500 rpm搅拌混合3min；
2. 将混合好的粉末加入模具中，将整个模具放入平板硫化机中，以12 t压力压实，加热至180℃保压保温30 min。待物料冷却至室温后脱模，得到所述复合润滑材料。
实施例11
本实施例提供了一种复合润滑材料及其制备方法。
与实施例1的区别在于，在本实施例中：
所述硅烷偶联剂的添加量为有机润滑材料含量的1.2%；
所述酚醛树脂为热固性酚醛树脂，粒径为450目；
所述有机润滑材料为超高分子量聚乙烯，分子量为500万，粒径为350目。
所述制备方法包括如下步骤：
1. 将超高分子量聚乙烯粉末和乙烯基三甲氧基硅烷先后加入到搅拌混合机中，以750 rpm搅拌混合5 min，再将热固性酚醛树脂粉末加入到搅拌混合机中，以750 rpm搅拌混合3 min；
2. 将混合好的粉末加入模具中，将整个模具放入平板硫化机中，以9 t压力压实，加热至160℃保压保温8 min。待物料冷却至室温后脱模，得到所述复合润滑材料。
对比例1
本对比例提供了一种复合润滑材料及其制备方法。
与实施例1的区别在于，在本实施例中，所述硅烷偶联剂为环氧烃基偶联剂KH560。
对比例2
本对比例提供了一种润滑材料及其制备方法。
所述制备方法包括如下步骤：
1. 称取300目超高分子量聚乙烯（实施例1提供）10 g；
2. 将粉末放入模具中，将整个模具放入平板硫化机中，以10t压力压实，加热至160℃，保压保温5 min。待物料冷却至室温后脱模，得到所述润滑材料。
对比例3
本对比例提供了一种润滑材料及其制备方法。
与实施例1的区别在于，在本对比例中，原料仅为热固性酚醛树脂粉末10g。
性能测试
摩擦磨损测试：采用UMT旋转摩擦磨损试验机进行摩擦测试，测试条件：载荷15 N，旋转半径5 mm，转速100 rpm，对磨副为氮化硅球，3 wt% NaCl溶液润滑，测试时长1 h。测试结束后，使用白光干涉仪观察磨痕，并测量磨痕体积。
测试结果如表1所示：
表1
表1为实施例1-11和对比例1-3的磨损率和摩擦系数对比表格，由表1可知：
本发明提供的复合润滑材料通过酚醛树脂和超高分子量聚乙烯等有机润滑材料的结合，同时具备磨损率低、摩擦系数低的优点。
由实施例1-5之间的对比可知，本发明提供的复合润滑材料，当酚醛树脂和有机润滑材料的质量比在(10-50):(50-90)范围内时，所制备的复合润滑材料的磨损率和摩擦系数均较低，具有较优异且平衡的减摩抗磨性能。
由实施例2和实施例6之间的对比可知，本发明优选使用高分子量聚乙烯作为有机润滑材料，能够使制备得到的复合润滑材料的磨损率和摩擦系数均较低。
由实施例1和实施例7之间的对比可知，本发明优选酚醛树脂和所述有机润滑材料的粒径相差≤200目，能够使得制备得到的复合润滑材料，磨损率和摩擦系数均较低，整体性能更佳。
由实施例1和对比例1之间的对比可知，本发明优选使用乙烯基硅烷偶联剂用于增强酚醛树脂与有机润滑材料的界面相互作用，能够使得制备得到的复合润滑材料磨损率和摩擦系数均较低，整体性能更好。
对比例2提供了一种超高分子量聚乙烯，由实施例1和对比例2的对比可知，当仅存在有机润滑材料时，摩擦系数虽然较低，但是磨损率过高，无法满足应用复合润滑材料高耐磨性、润滑性的需求。
对比例3提供了一种热固性酚醛树脂，由实施例1和对比例3可知，当仅存在酚醛树脂时，摩擦系数过高，无法满足应用复合润滑材料高耐磨性、润滑性的需求。
综合上述结果可知，本申请提供的复合润滑材料，相对于单一成分的酚醛树脂或超高分子量聚乙烯，以及本申请限定参数之外的复合润滑材料，摩擦系数和磨损率均得到不同程度的减小，整体性能得到显著提升，能够满足应用复合润滑材料高耐磨性、润滑性的需求。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种复合润滑材料，其特征在于，以重量份计，所述复合润滑材料的组成成分包括：酚醛树脂1-100重量份，有机润滑材料1-100重量份和硅烷偶联剂0.001-10重量份，所述酚醛树脂和有机润滑材料的质量比为(10-50):(50-90)，所述酚醛树脂和有机润滑材料的粒径相差≤200目，所述硅烷偶联剂为带有端烯基的硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂的通式为：
其中，n选自1-5的整数，R1、R2、R3各自独立地选自氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基或乙酰基，且R1、R2、R3不同时为氯基。
2.根据权利要求1所述的复合润滑材料，其特征在于，以所述酚醛树脂和有机润滑材料的总质量为100%计，所述有机润滑材料的质量百分含量为50-90%。
3.根据权利要求1所述的复合润滑材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂的添加量为所述有机润滑材料质量的0.1-10%。
4.根据权利要求1所述的复合润滑材料，其特征在于，所述酚醛树脂为热塑性酚醛树脂和/或热固性酚醛树脂。
5.根据权利要求1所述的复合润滑材料，其特征在于，所述有机润滑材料选自超高分子量聚乙烯、聚甲醛、聚醚醚酮中的任意一种或至少两种的组合。
6.根据权利要求5所述的复合润滑材料，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯的相对分子质量为100万以上。
7.根据权利要求1所述的复合润滑材料，其特征在于，所述酚醛树脂的粒径为200-1000目；
和/或，所述有机润滑材料的粒径为200-1000目。
8.权利要求1-7中任一项所述的复合润滑材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将酚醛树脂、有机润滑材料和硅烷偶联剂混合、热压，得到所述复合润滑材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述混合在搅拌下进行，所述搅拌的速率为10-5000 rpm；
和/或，所述搅拌时间为1-30 min；
和/或，所述热压的温度为130-200℃；
和/或，所述热压的压力为1-50 t；
和/或，所述热压的时间为3-30 min。
10.权利要求1-7中任一项所述的复合润滑材料在轴承材料、轴套材料或衬垫材料中的应用。
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