專利名稱：新型高分子自潤滑復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳酸鈣晶須和聚四氟乙烯共同填充高分子自潤滑復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
以航空航天為代表的軍工高技術(shù)領(lǐng)域的許多摩擦工況條件超越了通常的使用極限，因此需要尋求新的高強度減摩耐磨自潤滑材料以適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，而民用工程領(lǐng)域基于使役環(huán)境、節(jié)能環(huán)保、清潔生產(chǎn)等需要也對高性能無油潤滑摩擦材料提出更高要求。高分子自潤滑復(fù)合材料可以適應(yīng)無潤滑、潮濕、污染、腐蝕、輻射等使用條件，其使用溫度和承載能力也不斷提高，以其突出的性能、價格、成型工藝等優(yōu)勢在這些領(lǐng)域顯示強大的應(yīng)用潛力。高性能工程塑料以其質(zhì)量輕、強度高等優(yōu)異性能以及光、電、磁、自潤滑等特殊功能成為先進國家重視發(fā)展的關(guān)鍵材料，在航空、航天、兵器、汽車、機械、化工、船舶、建筑、電氣等技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。
目前已有的一種高分子樹脂材料，即聚醚醚酮(PEEK)，它是一種全芳香族半結(jié)晶性的熱塑性特種工程塑料，由于大分子鏈上含有剛性的苯環(huán)、柔順的醚鍵及提高分子間作用力的羰基，結(jié)構(gòu)規(guī)整，具有高強度、高韌性、絕緣性、耐輻射、耐腐蝕等優(yōu)異的綜合性能，尤其是耐熱性和摩擦學性能較一般工程塑料好，且具有熱塑性聚合物的良好加工性能，便于精密成型，但作為摩擦學材料，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和負載熱變形溫度(為135-160℃)還不夠高，和鋼對摩時摩擦系數(shù)達到0.4甚至0.6以上，磨損率較高，承載能力受限；此外，還存在成本較高等問題。
純聚醚醚酮摩擦學研究表明，聚醚醚酮與鋼對摩時磨損表面出現(xiàn)許多明顯的刮削犁溝和擦傷以及面積較大的剝落坑，摩擦副表面粘著作用使材料次表層在周期剪應(yīng)力作用下裂紋萌生與擴展而形成疲勞-剝層磨損，而摩擦過程產(chǎn)生溫升造成聚醚醚酮表層材料軟化，容易產(chǎn)生熱塑性變形和流動，又加重了犁削和粘著，致使摩擦力和摩擦系數(shù)較大，材料磨損率比較高。
因此，在實際使用中需要對聚醚醚酮增強改性以提高聚醚醚酮的摩擦學、機械、熱學等綜合性能。在干摩擦、高溫、輻射、腐蝕等極端和惡劣工況條件下，要求聚合物復(fù)合材料具有突出的自潤滑免維護性能、摩擦系數(shù)較低、耐高溫、抗腐蝕等性能，從而減小摩擦過程溫升、提高材料承載能力、避免材料表層過早產(chǎn)生軟化和熱塑性變形、降低材料磨損率、提高壽命。盡管傳統(tǒng)的纖維增強以及納米顆粒復(fù)合等改性方式，可以對聚醚醚酮基高分子復(fù)合材料的減摩、耐磨等摩擦學性能以及機械、熱學等性能的某一方面實現(xiàn)不同程度的改善，但作為摩擦學材料，這些改性方式還存在如摩擦系數(shù)偏高、耐磨性提高不夠顯著、力學熱學等相關(guān)性能難以優(yōu)化匹配以及工藝復(fù)雜難控、成型性能差等問題，再加上填充材料本身的高價格，都使復(fù)合材料的成本上升，阻礙了其作為自潤滑復(fù)合材料的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種新型高分子自潤滑復(fù)合材料及其制備方法，其目的是以碳酸鈣(CaCO3)晶須增強聚醚醚酮(PEEK)，以聚四氟乙烯(PTFE)作為減摩劑，發(fā)揮聚醚醚酮基體、碳酸鈣晶須、減摩劑之間的協(xié)同耦合作用，實現(xiàn)自潤滑減摩耐磨，從而獲得具有摩擦系數(shù)小、磨損率低、承載能力強、成本低等優(yōu)點的一種新型的高強度自潤滑復(fù)合材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下1.新型高分子自潤滑復(fù)合材料，其特征在于，它包含下列重量份數(shù)的原料配方碳酸鈣晶須10～25份，聚四氟乙烯10份，聚醚醚酮65～80份。
2.新型高分子自潤滑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包含下列制備步驟(a)將碳酸鈣晶須、聚四氟乙烯、以及聚醚醚酮原料在130～150℃溫度下干燥3～5小時；(b)取步驟(a)干燥后的碳酸鈣晶須、聚四氟乙烯、聚醚醚酮原料混合后，放入攪拌機內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)速度不小于1000rpm的轉(zhuǎn)速下高速攪拌混合8～10min；(c)將步驟(b)攪拌后的材料放入380～390℃熱壓模具模腔內(nèi)熔融后，加壓20Mpa使材料成型，保壓8～10min之后，隨模具降溫至100℃時，脫模冷卻至室溫；(d)將步驟(c)脫模冷卻后的材料在250℃溫度下保溫1小時，制得產(chǎn)品。
較之已有技術(shù)而言，本發(fā)明采用碳酸鈣(CaCO3)晶須和聚四氟乙烯(PTFE)共同填充聚醚醚酮(PEEK)，因此具有下述優(yōu)點
(1)由于碳酸鈣晶須具有耐高溫、強度高、耐磨耗、抗腐蝕、與聚合物親和力強等優(yōu)良綜合性能，其尺度界于纖維和納米顆粒之間，兼有類似纖維的增強作用以及小尺寸顆粒的活性效應(yīng)，因此，填充碳酸鈣晶須后，發(fā)揮了碳酸鈣晶須對樹脂的顯微增強作用，提高了聚醚醚酮復(fù)合材料的承載能力，摩擦過程中晶須部分代替基體樹脂承載，減少了摩擦副表面粘著，阻止了基體樹脂的熱塑性變形。同時加入聚四氟乙烯，聚四氟乙烯和碳酸鈣晶須的協(xié)同作用使碳酸鈣/聚四氟乙烯/聚醚醚酮復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率明顯降低。聚醚醚酮分子具有球團狀結(jié)構(gòu)，它們連接在一起形成束狀結(jié)構(gòu)，聚醚醚酮沿鋼表面滑動時，束狀分子結(jié)構(gòu)的晶帶沿著滑動方向排列的整齊程度不如聚四氟乙烯，在鋼表面產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移膜通常較厚且不夠均勻和連續(xù)，也使得純聚醚醚酮摩擦系數(shù)和磨損率較高。而聚四氟乙烯分子具有光滑的分子形貌，不含分支也不形成相交鏈，當它沿著鋼表面滑動時，晶帶逐漸傾向于沿著滑動方向排列，隨后由于表面間的粘著力使得若干層聚四氟乙烯分子逐漸轉(zhuǎn)移到鋼表面，形成轉(zhuǎn)移膜。本發(fā)明新型高分子自潤滑復(fù)合材料中的聚四氟乙烯相對于聚醚醚酮存在著優(yōu)先粘著轉(zhuǎn)移，有助于在對偶鋼環(huán)表面形成均勻、連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜。摩擦過程中對偶表面之間的這種光滑接觸狀態(tài)，有效降低復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率。該新型高分子自潤滑復(fù)合材料滿足了工程領(lǐng)域中的許多工況要求，尤其是干摩擦、邊界潤滑、高溫、輻射、腐蝕等極端和惡劣工況條件下的使用要求，提高了設(shè)備的工作可靠性和使用壽命，減少潤滑維護費用，為設(shè)備實現(xiàn)微型化、高速、重載和自動控制等創(chuàng)造了有利條件，也為航天、軍事等尖端技術(shù)和機械、化工、生物等高新民用工程領(lǐng)域提供了適應(yīng)特殊工況要求的高性能自潤滑減摩耐磨材料。
(2)由于碳酸鈣晶須的原料豐富、合成工藝簡單、成本極為低廉，作為聚醚醚酮的增強材料具有極高的性價比，大大降低了生產(chǎn)成本，其應(yīng)用潛力巨大。
(3)本發(fā)明制得的新型高分子自潤滑復(fù)合材料可用于生產(chǎn)軸承及保持架、齒輪、齒環(huán)、閥、軸瓦軸襯、密封、推桿、發(fā)動機零件等摩擦學相關(guān)材料，適應(yīng)性廣，能夠滿足工程領(lǐng)域中的許多工況要求，尤其是干摩擦、邊界潤滑、高溫、輻射、腐蝕等惡劣工況條件下的使用要求。
具體實施例方式
本發(fā)明新型高分子自潤滑復(fù)合材料的特征在于，它包含下列重量份數(shù)的原料配方碳酸鈣晶須10～25份，聚四氟乙烯10份，聚醚醚酮65～80份。所述碳酸鈣晶須的長徑比在20～30之間，密度為2.86g/cm3；所述聚四氟乙烯的粒度為10μm，密度為2.18g/cm3；所述聚醚醚酮的密度為1.32g/cm3，粒度為100μm。
上述的新型高分子自潤滑復(fù)合材料的制備方法的特征在于，包含下列制備步驟(a)將碳酸鈣晶須、聚四氟乙烯、以及聚醚醚酮原料在130～150℃溫度下干燥3～5小時；(b)取步驟(a)干燥后的碳酸鈣晶須、聚四氟乙烯、聚醚醚酮原料混合后，放入攪拌機內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)速度不小于1000rpm的轉(zhuǎn)速下高速攪拌混合8～10min；(c)將步驟(b)攪拌后的材料放入380～390℃熱壓模具模腔內(nèi)熔融后，加壓20Mpa使材料成型，保壓8～10min之后，隨模具降溫至100℃時，脫模冷卻至室溫；(d)將步驟(c)脫模冷卻后的材料在250℃溫度下保溫1小時，制得產(chǎn)品。
下面通過具體實施例和比較對本發(fā)明作進一步的說明，但本發(fā)明并不僅限于這些例子。
實施例1(較佳實施例)取原料碳酸鈣晶須10份，聚四氟乙烯10份，聚醚醚酮80份，其中碳酸鈣晶須的長徑比為30、密度為2.86g/cm3，聚四氟乙烯的粒度10μm、密度2.18g/cm3，聚醚醚酮的密度為1.32g/cm3、粒度100μm，按下述步驟制備(a)將碳酸鈣晶須、聚四氟乙烯、以及聚醚醚酮原料在130℃溫度下干燥5小時；(b)取步驟(a)干燥后的碳酸鈣晶須、聚四氟乙烯、以及聚醚醚酮原料混合后，放入攪拌機內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)速度不小于1000rpm的轉(zhuǎn)速下高速攪拌混合8min；(c)將步驟(b)攪拌后的材料放入380℃熱壓模具模腔內(nèi)熔融后，加壓20Mpa使材料成型，保壓8min之后，隨模具降溫至100℃時，脫模冷卻至室溫；(d)將步驟(c)脫模冷卻后的材料在250℃溫度下保溫1小時，制得產(chǎn)品。
實施例2(較佳實施例)取原料碳酸鈣晶須15份，聚四氟乙烯10份，聚醚醚酮75份，其中碳酸鈣晶須的長徑比為25、密度為2.86g/cm3，聚四氟乙烯的粒度10μm、密度2.18g/cm3，聚醚醚酮的密度為1.32g/cm3、粒度100μm，按下述步驟制備(a)將碳酸鈣晶須、聚四氟乙烯、以及聚醚醚酮原料在140℃溫度下干燥4小時；
(b)取步驟(a)干燥后的碳酸鈣晶須、聚四氟乙烯、以及聚醚醚酮原料混合后，放入攪拌機內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)速度不小于1000rpm的轉(zhuǎn)速下高速攪拌混合9min；(c)將步驟(b)攪拌后的材料放入385℃熱壓模具模腔內(nèi)熔融后，加壓20Mpa使材料成型，保壓9min之后，隨模具降溫至100℃時，脫模冷卻至室溫；(d)將步驟(c)脫模冷卻后的材料在250℃溫度下保溫1小時，制得產(chǎn)品。
實施例3(較佳實施例)取原料碳酸鈣晶須20份，聚四氟乙烯10份，聚醚醚酮70份，其中碳酸鈣晶須的長徑比為25、密度為2.86g/cm3，聚四氟乙烯的粒度10μm、密度2.18g/cm3，聚醚醚酮的密度為1.32g/cm3、粒度100μm，按下述步驟制備(a)將碳酸鈣晶須、聚四氟乙烯、以及聚醚醚酮原料在150℃溫度下干燥3小時；(b)取步驟(a)干燥后的碳酸鈣晶須、聚四氟乙烯、以及聚醚醚酮原料混合后，放入攪拌機內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)速度不小于1000rpm的轉(zhuǎn)速下高速攪拌混合10min；(c)將步驟(b)攪拌后的材料放入390℃熱壓模具模腔內(nèi)熔融后，加壓20Mpa使材料成型，保壓10min之后，隨模具降溫至100℃時，脫模冷卻至室溫；(d)將步驟(c)脫模冷卻后的材料在250℃溫度下保溫1小時，制得產(chǎn)品。
實施例4(較佳實施例)取原料碳酸鈣晶須25份，聚四氟乙烯10份，聚醚醚酮65份，其中碳酸鈣晶須的長徑比為20、密度為2.86g/cm3，聚四氟乙烯的粒度10μm、密度2.18g/cm3，聚醚醚酮的密度為1.32g/cm3、粒度100μm，按下述步驟制備(a)將碳酸鈣晶須、聚四氟乙烯、以及聚醚醚酮原料在150℃溫度下干燥3小時；(b)取步驟(a)干燥后的碳酸鈣晶須、聚四氟乙烯、以及聚醚醚酮原料混合后，放入攪拌機內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)速度不小于1000rpm的轉(zhuǎn)速下高速攪拌混合10min；(c)將步驟(b)攪拌后的材料放入390℃熱壓模具模腔內(nèi)熔融后，加壓20Mpa使材料成型，保壓10min之后，隨模具降溫至100℃時，脫模冷卻至室溫；(d)將步驟(c)脫模冷卻后的材料在250℃溫度下保溫1小時，制得產(chǎn)品。
對比實驗取純聚醚醚酮(PEEK)為試樣一，實施例1的樣品為試樣二，實施例2的樣品為試樣三，實施例3的樣品為試樣四，實施例4的樣品為試樣五，在MM200型試驗機上進行摩擦磨損性能測定試驗，摩擦副接觸方式為環(huán)-塊接觸，塊狀試樣固定，下環(huán)偶件為直徑40mm的淬火45#鋼環(huán)，洛氏硬度50HRC，表面粗糙度0.3μm。試驗前試樣表面用900號水砂紙打磨，并用丙酮洗凈。試驗載荷196N，滑動速度0.44m/s，磨損時間120min，總行程為3168m。試驗條件為室溫干摩擦。摩擦系數(shù)取摩擦狀態(tài)穩(wěn)定的后60min的摩擦系數(shù)平均值。磨損率為每單位載荷和滑動距離上的磨損體積損失[單位10-6mm3(Nm)-1]。極限承載能力為最終破壞的最大載荷，即在逐級加載過程中出現(xiàn)摩擦系數(shù)或磨損率突變時的載荷視為承載極限。試驗?zāi)Σ料禂?shù)、磨損率、承載能力的結(jié)果對比如表1所示。
表1不同試樣的摩擦系數(shù)、磨損率和極限承載能力的試驗結(jié)果對比

從表1可見，填充碳酸鈣晶須和聚四氟乙烯可明顯降低樹脂基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)，隨著碳酸鈣晶須含量增加，復(fù)合材料摩擦系數(shù)持續(xù)降低。當碳酸鈣晶須、聚四氟乙烯、聚醚醚酮的含量配比為25∶10∶65時，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)為0.25，比純聚醚醚酮的0.42大幅度降低。填充碳酸鈣晶須和聚四氟乙烯也使聚醚醚酮復(fù)合材料的耐磨性明顯提高，復(fù)合材料的磨損率隨晶須加入而下降。當碳酸鈣晶須、聚四氟乙烯、聚醚醚酮的含量配比為15∶10∶75時，復(fù)合材料的磨損率只有純聚醚醚酮磨損率的1/26。當碳酸鈣晶須、聚四氟乙烯、聚醚醚酮的含量配比為20∶10∶70時，復(fù)合材料的磨損率只有純聚醚醚酮磨損率的1/27。碳酸鈣晶須和聚四氟乙烯填充的聚醚醚酮復(fù)合材料的極限承載能力比純聚醚醚酮大幅度提高，當碳酸鈣晶須、聚四氟乙烯、聚醚醚酮的含量配比為20∶10∶70時，復(fù)合材料的極限承載能力是純聚醚醚酮的2.5倍。
上述分析表明碳酸鈣晶須和聚四氟乙烯填充的聚醚醚酮自潤滑復(fù)合材料比純聚醚醚酮的減摩、耐磨、承載能力等綜合摩擦學性能顯著提高。
本發(fā)明并不局限于上述實施例的組配與制備方法，在具體實施時也可采用其它的組配與制備方法，只要利用碳酸鈣晶須、聚四氟乙烯、以及聚醚醚酮作為復(fù)合材料的組份來組配和制備即可。
權(quán)利要求
1.一種新型高分子自潤滑復(fù)合材料，其特征在于，它包含下列重量份數(shù)的原料配方碳酸鈣晶須10～25份，聚四氟乙烯10份，聚醚醚酮65～80份。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型高分子自潤滑復(fù)合材料，其特征在于所述碳酸鈣晶須的長徑比在20～30之間，密度為2.86g/cm3；所述聚四氟乙烯的粒度為10μm，密度為2.18g/cm3；所述聚醚醚酮的密度為1.32g/cm3，粒度為100μm。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的新型高分子自潤滑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包含下列制備步驟(a)將碳酸鈣晶須、聚四氟乙烯、以及聚醚醚酮原料在130～150℃溫度下干燥3～5小時；(b)取步驟(a)干燥后的碳酸鈣晶須、聚四氟乙烯、聚醚醚酮原料混合后，放入攪拌機內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)速度不小于1000rpm的轉(zhuǎn)速下高速攪拌混合8～10min；(c)將步驟(b)攪拌后的材料放入380～390℃熱壓模具模腔內(nèi)熔融后，加壓20Mpa使材料成型，保壓8～10min之后，隨模具降溫至100℃時，脫模冷卻至室溫；(d)將步驟(c)脫模冷卻后的材料在250℃溫度下保溫1小時，制得產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型高分子自潤滑復(fù)合材料及其制備方法，它包含下列重量份數(shù)的原料配方碳酸鈣晶須10～25份，聚四氟乙烯10份，聚醚醚酮65～80份；且包含下列制備步驟將上述原料在130～150℃溫度干燥后混合，放入攪拌機內(nèi)高速攪拌；之后放入熱壓模具模腔內(nèi)熔融，加壓20MPa使材料成型，保壓8～10min后，隨模具降溫至100℃，脫模冷卻至室溫；在250℃溫度保溫1小時即可。本發(fā)明目的是以碳酸鈣晶須增強聚醚醚酮，以聚四氟乙烯作為減摩劑，發(fā)揮聚醚醚酮基體、碳酸鈣晶須、減摩劑之間的協(xié)同耦合作用，實現(xiàn)自潤滑減摩耐磨，從而獲得具有摩擦系數(shù)小、磨損率低、承載能力強、成本低等優(yōu)點的新型高強度自潤滑復(fù)合材料。
文檔編號C08L27/18GK1847310SQ200610018800
公開日2006年10月18日 申請日期2006年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月12日
發(fā)明者林有希, 高誠輝, 黃健萌, 林謝昭, 李志方 申請人:福州大學