CN1208561C

CN1208561C - 氟塑料基纳米复合材料滑动轴承

Info

Publication number: CN1208561C
Application number: CN 03111885
Authority: CN
Inventors: 李学闵; 苏衍良; 赵顺伟; 贾衍才; 孙成栋
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: Jinan University; University of Jinan
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2005-06-29
Anticipated expiration: 2023-02-24
Also published as: CN1431407A

Abstract

本发明属于复合材料滑动轴承的技术领域，特别涉及一种以氟塑料为基体树脂的自润滑复合材料滑动轴承。公开了一种氟塑料基纳米复合材料滑动轴承，该滑动轴承材料是用氟塑料树脂基体材料与功能改性剂、增强纤维以及助剂复合而成的复合材料，并按照常规的方法制造成滑动轴承，上述的功能改性剂包括一种或一种以上的粒径＜100nm的纳米粒子。本发明提供一种摩擦系数低、耐磨损性能好、使用寿命长、PV值较高的耐腐蚀、自润滑氟塑料基复合材料滑动轴承。

Description

氟塑料基纳米复合材料滑动轴承

(一)技术领域

本发明属于复合材料滑动轴承的技术领域，特别涉及一种以氟塑料(F1uoroplastics)为基体树脂的自润滑复合材料滑动轴承。

(二)背景技术

以有“塑料王”美称的聚四氟乙烯为代表的氟塑料具有优良的耐腐蚀性能，很低的摩擦系数，良好的耐温性和自润滑性等，已经常被选作非金属轴承材料和减摩材料，但其力学性能并不理想，如纯聚四氟乙烯(PTFE)其弯曲强度、压缩强度仅为10MPa，弹性模量仅约400MPa，且其硬度低、蠕变较大、回弹性差、耐磨损性也很低。因此，现有的聚四氟乙烯基复合材料轴承一般都是通过在其树脂基体中添加增强纤维或/和粉状功能填料进行改性，使其强度、刚度、抗蠕变性、耐磨损性等有明显提高之后制成的。其常用的增强材料有玻璃纤维、碳纤维；常用的功能填料为粒径≤500目金属粉如铜粉、青铜粉、锑粉、铅粉、铁粉等，无机非金属粉如石墨、二硫化钼(MoS₂)、碳黑、二硒化钨、滑石粉、硅藻土等；高分子功能填料为聚酰亚胺、聚芳砜、聚苯硫醚等。其复合材料的性能与所用功能填料的类型、粒度、形状、填充量、增强纤维类型、纤维直径、长度、用量以及偶联剂类型性能等均密切相关，但受其成型工艺限制，纤维、填料的体积含量一般不超过40％，氟塑料基复合材料滑动轴承的极限PV值一般约为1MPa.m/s，远不能满足工作压力(P)和相对滑动速度(V)乘积较大的传动技术要求。尽管为了提高其PV值，已有将上述氟塑料基复合材料作为耐磨减摩衬层与导热性好、强度高、刚性大的钢背复合在一起制造的复合结构滑动轴承，但其在干摩擦条件下的PV值也仍小于2MPa.m/s，既不能满足PV值较大的传动技术要求。又因该复合结构轴承采用了薄钢板制钢背结构，还制约其在腐蚀环境中的推广应用。

(三)发明内容

针对上述氟塑料作为减摩耐磨轴承材料所存在的不足之处，本发明的目的在于选用合适的纳米功能组分材料，以便于用较低的添加剂用量便能最大限度地提高复合材料的减摩耐磨技术性能，提供一种摩擦系数低、耐磨损性能好、使用寿命长、PV值较高的耐腐蚀、自润滑氟塑料基复合材料滑动轴承。

本发明的目的是这样实现的：

本发明公开了一种氟塑料基纳米复合材料滑动轴承，该滑动轴承材料是用氟塑料树脂基体材料与功能改性剂、增强纤维以及助剂复合而成的复合材料，并按照常规的方法制造成滑动轴承，上述的功能改性剂包括占基体材料10-25％(W)的微粒状功能填料和占基体材料0-10％(W)的高分子改性剂，所述的微粒状功能填料包括一种或一种以上的粒径＜100nm的纳米粒子。

上述的功能材料还可以包括占基体材料5-10％(W)的液晶聚合物(LCP)或聚甲醛。

上述的功能材料最好包括占基体材料5-10％的高分子改性剂。所述的高分子改性剂为能改善韧性、强度、耐温性等高分子材料，如聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)、聚甲醛(POM)、聚酰胺(PA)等。

上述的微粒状功能填料主要分为：改善发挥减摩、耐磨、导热、导电、自润滑、增强等功能的无机非金属微粉，如纳米石墨、膨胀石墨、二硫化钼(MoS₂)、三氧化二铝(Al₂O₃)、三氧化二铅(Pb₂O₃)、碳化硅(SiC)、滑石粉、硅藻土等；以及具有增强并提高导热性能的金属微粉，如青铜粉、铜粉、铁粉、镍粉等。

上述的微粒状功能材料用钛酸酯或硅烷偶联剂处理。以提高功能材料与基体材料的结合，提高力学性能及其它性能。

上述的功能填料至少包括纳米Al₂O₃、纳米金属粒子、纳米石墨粉或纳米碳黑中的一种或一种以上。

上述的增强纤维直径＜20um，长度＜1mm的短切碳纤维、金属纤维、玻璃纤维，碳化硅纤维、复合晶纤中的一种或一种以上。

本发明复合材料滑动轴承所用材料为含有一种或一种以上纳米粒子改性剂的氟塑料基复合材料。该复合材料由基体树脂、功能改性剂、增强纤维和助剂四类组分材料经一定的工艺过程复合而成。

以上所述的基体树脂，可以是统称为氟塑料的聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、全氟共聚物(FEP)等中的任一种，或两种两种以上按一定比例共混使用。

以上所述的功能改性剂包括与基体树脂共混改性用的液晶聚合物(LCP)和微粒状功能填料、高分子改性剂三种。本发明复合材料滑动轴承分三种功能改性剂全用或仅用微粒状与高分子功能填料两种情况。其微粒状功能填料既包括粒径＜100nm的纳米级粒子，也包括＜100um的微粉级粒子，但在该氟塑料基复合材料中至少含有一种或一种以上纳米粒子改性剂。

如上所述的增强纤维占基体材料的5-20％，为直径＜20um，长度＜1mm的短切碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、碳化硅纤维、复合晶纤(FSMF)系中的一种，或一种以上混杂增强，并充分发挥在导热、导电、减摩、耐磨、润滑、尺寸稳定等方面的技术功能。

如上所述的助剂为纤维、微粉所用的偶联剂及复合材料所用的稳定剂，防老化剂，增塑剂，溶剂等。

本发明氟塑料基纳米复合材料滑动轴承是采用模压工艺、注射工艺，挤出工艺制造的，其中，聚四氟乙烯树脂基纳米复合材料滑动轴承只能采用模压成型工艺。而其他含氟塑料为基体的纳米复合材料滑动轴承可以采用上诉三种成型工艺方法中的任意一种。但通常以模压、注塑为主。

本发明的复合材料作成的滑动轴承，由于加入了纳米粒子进行增强、增韧改性，试验表明其最高极限载荷在原来的基础上提高25％以上，最高失效温度提高40℃以上，Pv值提高30％以上，如无背衬聚四氟乙烯基纳米复合材料滑动轴承的Pv值达1.46MP.m/s。

本发明氟塑料基纳米复合材料轴承，由于能充分发挥纳米粒子在较低用量下便可显著减小轴承材料的摩擦系数，降低磨损量，提高其抗疲劳耐冲击、自润滑、减震、降噪等功能，从而使本发明的滑动轴承性能明显优于现有的聚合物基复合材料滑动轴承和金属基滑动轴承，特别适用于腐蚀环境中存有粉尘、冲击、低温潮湿，不能保证润滑等复杂工况条件的低速重载，低速轻载传动，具有广阔的推广应用前景。

因此，本发明由于选用合适的纳米功能组分材料，用较低的添加剂用量便能最大限度地提高复合材料的减摩耐磨技术性能，提供一种摩擦系数低、耐磨损性能好、使用寿命长、PV值较高的耐腐蚀、自润滑氟塑料基复合材料滑动轴承。

(五)具体实施方式

1.实施例1：模压成型聚四氟乙烯基纳米复合材料轴承及成型工艺

以聚四氟乙烯(PTFE)树脂用量为计量基准(W)，将称量好的PTFE与其用量5％(W)的液晶聚合物(LCP)共混，再将已用钛酸酯处理过的，占PTFE用量25％的纳米/微米级微粒状功能改性填料，以及占PTFE5％(W)的高分子改性剂，以及占PTFE10％的增强纤维，与PTFE进行共混。

以上所述的微粒状功能改性填料为：占10％的三氧化二铝，粒径为10-50nm；占8％的石墨粉，粒径＜100um；占7％的二硫化钼，粒径为10-100nm。所述的高分子改性剂为：聚苯硫醚。所述的增强纤维为：占10％的直径＜20um，长度＜1mm的短切碳纤维。

将PTFE与以上填料强力充分搅拌，混合均匀后在80℃下干燥3小时左右，制配成模塑料。最后将其称量，装入模具，在压机上模压成坯料，在经烧结，热处理，修饰加工，即制得聚四氟乙烯基纳米复合材料滑动轴承。

性能：由本发明的复合材料做成的滑动轴承，轴承型号为直径20mm，托辊型号为直径89mm，其初级载荷为24.5kg，极限载荷为140.4kg，失效温度为260℃，Pv值为1.46MPa.m/s。

2.实例2 注射成型聚偏二氟乙烯基纳米复合材料轴承

以聚偏二氟乙烯(PVDF)树脂用量为基准，将称量好的PVDF与已用硅烷偶联剂处理过的，占PVDF用量18％的纳米/微米级微粒状功能改性填料，以及占PVDF8％(W)的高分子改性剂，以及占PTFE18％的增强纤维，与PVDF进行共混。

以上所述的微粒状功能改性填料为：占10％的三氧化二侣，粒径＜50um；占8％的碳化硅，粒径为10-50nm。所述的高分子改性剂为：占4％的聚酰胺和占4％的聚甲醛。所述的增强纤维为：占5％的直径＜20um，长度＜1mm的金属铁纤维和占13％的直径＜20um，长度＜1mm的复合晶纤(FSMF)。

将以上的填料和常量、常规塑料助剂加入，经强力充分搅拌5分钟以上后再进行熔融，挤出造粒。最后，将粒料置入注塑机料筒之内加热，使之熔融塑化，在螺杆或柱塞的强力推动下，注入模具，经冷却定型后，脱模便制得聚偏二氟乙烯基纳米复合材料轴承。

性能：由本发明的复合材料做成的滑动轴承，轴承型号为直径20mm，托辊型号为直径89mm，其初级载荷为24.5kg，极限载荷为105.5kg，失效温度为203℃，Pv值为1.28MPa.m/s。

注射成型聚三氟氯乙烯(PCTFE)基、聚氟乙烯(PVF)基聚氟乙丙烯共聚物(FED)基等纳米复合材料滑动轴承的工艺过程均与此相同，只是其工艺参数需根据实际情况进行些调整。

3.实例3 挤出成型氟塑料基纳米复合材料轴承

以聚偏三氟乙烯(PCTFE)树脂用量为基准，将称量好的PCTFE与其用量10％(W)的聚甲醛共混，再将已用钛酸酯处理过的，占PCTFE用量10％的纳米/微米级微粒状功能改性填料，以及占PCTFE10％(W)的高分子改性剂，以及占PCTFE5％的增强纤维，与PTFE进行共混。

以上所述的微粒状功能改性填料为：占4％的三氧化二铅，粒径为＜100nm；占2％的石墨粉，粒径＜100nm；占4％的滑石粉，粒径为＜50um。所述的高分子改性剂为：聚酰亚胺。所述的增强纤维为：占5％的直径＜20um，长度＜1mm的碳化硅纤维。

将以上的填料和常量、常规塑料助剂加入，经强力充分搅拌5分钟以上后再进行熔融，挤出造粒。最后，将粒料置入挤出机料筒之内加热，使之熔融，塑化。在螺杆的强力推动下通过模具挤出成管状或圆状、棒材，经冷却定型之后再经车、磨削加工成所需要的聚氟塑料基纳米复合材料滑动轴承。

性能：由本发明的复合材料做成的滑动轴承，轴承型号为直径20mm，托辊型号为直径89mm，其初级载荷为24.5kg，极限载荷为123.6kg，失效温度为190℃，Pv值为1.33MPa.m/s。

4.实施例4：模压成型聚四氟乙烯基纳米复合材料轴承及成型工艺

以聚四氟乙烯(PTFE)树脂用量为计量基准(W)，将已用钛酸酯处理过的，占PTFE用量20％的纳米级微粒状功能改性填料，以及占PTFE15％的增强纤维，与PTFE进行共混。

以上所述的微粒状功能改性填料为：占8％的三氧化二铝，粒径为10-50nm；占5％的碳黑，粒径10-50nm；占7％的碳化硅，粒径为10-100nm。所述的增强纤维为：占15％的直径＜20um，长度＜1mm的短切碳纤维。

性能：由本发明的复合材料做成的滑动轴承，轴承型号为直径20mm，托辊型号为直径89mm，其初级载荷为24.5kg，极限载荷为140.4kg，失效温度为265℃，Pv值为1.49MPa.m/s。

Claims

1.一种氟塑料基纳米复合材料滑动轴承，所述滑动轴承的材料是用氟塑料树脂基体材料与功能改性剂、增强纤维以及助剂复合而成的复合材料，并按照常规的方法制造成滑动轴承，其特征在于：所述的功能改性剂包括占基体材料10-25％(W)的微粒状功能填料和占基体材料5-10％(W)的高分子改性剂，所述的微粒状功能填料包括一种或一种以上的粒径＜100nm的纳米粒子。

2.如权利要求1所述的复合材料滑动轴承，其特征在于：所述的高分子改性剂包括聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)、聚甲醛(POM)、聚酰胺(PA)的一种或一种以上。

3.如权利要求1所述的复合材料滑动轴承，其特征在于：所述的功能填料至少包括纳米Al₂O₃、纳米金属粒子、纳米石墨粉或纳米碳黑中的一种或一种以上。

4.如权利要求1所述的复合材料滑动轴承，其特征在于：所述的增强纤维占基体材料的5-20％，为直径＜20um，长度＜1mm的短切碳纤维、金属纤维、玻璃纤维，碳化硅纤维、复合晶纤中的一种或一种以上。

5.如权利要求4所述的复合材料滑动轴承，其特征在于：所述的增强纤维为复合晶纤。