CN111303629A - 一种耐高温自润滑耐磨复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐高温自润滑耐磨复合材料及其制备方法，属于高分子材料领域。所述复合材料，由以下重量份原料组成：高温热塑性树脂：45‑80；碳纤维：10‑35；耐磨填料：5‑25；润滑剂：5‑20；偶联剂：0.5‑3.0；本发明所公开的一种耐高温自润滑耐磨复合材料具有力学性能优异，耐高温、低摩擦系数、低磨损量的特点，可以广泛应用在轴承、轴套、齿轮、保持架等领域。

Description

一种耐高温自润滑耐磨复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子耐磨材料领域，具体涉及一种耐磨耐高温自润滑复合材料及其制备方法。
背景技术
随着航空、航天、汽车、船舶、机械制造等工业的飞速发展，轴承、齿轮、轴套等传动部件的应用越来越广泛。由于这些传动部件长期处于高速旋转的工作状态，这就要求材料具有低摩擦系数、低磨损量，从而减少能量损失，降低能耗。
常用于制造轴承、齿轮、轴套等传动部件的材料有金属材料和高分子材料，金属材料比重大，不适用于精密设备。高分子材料具有比重小，韧性好、易加工等特点，但是在高速运动过程中会产生大量的热，往往会造成高分子材料变形而失效。
“高分子基自润滑材料的研究进展，航空学报，第25卷第2期，180-186”公开了添加碳纤维增强PEEK树脂，但是碳纤维的加入增大了摩擦系数。同时也有文献记载，在树脂基复合材料中加入短切碳纤维可以降低摩擦系数和磨损率。碳纤维对于复合材料摩擦性能影响具有复杂性，而碳纤维的加入可以显著提升复合材料的力学性能是明确的。石墨、MoS2、聚四氟乙烯等填料也是复合材料领域中常见的润滑填料，但是其对复合材料力学性能有不利影响。
如何制备力学性能、自润滑性能优异的高耐热耐磨自润滑性能的复合材料，是行业的技术瓶颈。
发明内容
本发明目的在于提供一种耐高温耐磨自润滑复合材料，同时提供了该复合材料的制备方法。为实现该耐高温耐磨自润滑复合材料，本发明提供了如下技术方案：由以下按重量份计算的原料组成：
高温热塑性树脂：45-80；
碳纤维：10-35；
耐磨填料：5-25；
润滑剂：5-20；
偶联剂：0.5-3.0；
所述耐高温热塑性树脂为聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚砜、高温尼龙中的一种或几种。
所述碳纤维包含PAN系碳纤维、沥青碳纤维中的一种或两种。
进一步优选的，所述碳纤维包含PAN系碳纤维、沥青碳纤维两种纤维。
进一步优选的，所述碳纤维中PAN系碳纤维与沥青碳纤维的质量比为1：1-3。
进一步地，所述碳纤维优选纤维长度0.5-6mm，直径5-20um。
进一步地，所述碳纤维的添加量按照重量份计为15-25份。
所述耐磨填料为碳化硅、碳化硼、氮化铝、氮化硅、氮化硼、玻璃微珠等其中的一种或几种。
进一步优选的，耐磨填料添加量按照重量份计为5-10份。
所述润滑剂为聚四氟乙烯、石墨、二硫化钼、硅油中的一种或几种。
进一步优选的，所述润滑剂添加量优选为5-15份。
所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂中的一种或两种。
本发明还提供一种耐高温耐磨自润滑复合材料的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：
S1、按照质量份数称取所述耐高温热塑性树脂、所述耐磨填料、所述润滑剂、所述偶联剂进行混合，得到混合料。
S2、将所述混合料加入双螺杆挤出机的主喂料中，将所述碳纤维加入至所述双螺杆挤出机的侧喂料中，进行挤出造粒，得到耐高温自润滑耐磨复合材料。
所述双螺杆挤出机的熔融挤出温度为280～380℃，螺杆转速为90～300rpm/min。
本发明具有以下优点：
1、热变形温度高，摩擦系数低，通过沥青系碳纤维与润滑剂的复配复合材料的摩擦系数可以达到0.2以下，热变形温度可以达到275℃。
2、磨损量低，耐磨性好。碳纤维与粉末状耐磨填料复配，在复合材料内部形成网链结构，在高速运动过程中及时传走摩擦所产生的热量，解决树脂材料因分解而增加磨损量的问题。
3、力学性能高，本发明力学性能优异的PAN系碳纤维与耐热性滑动性好的沥青系碳纤维复配，在降低复合材料摩擦系数的同时也能赋予复合材料更高的力学性能。当复合材料摩擦系数为0.2时，其拉伸强度可达185MPa。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。本发明拉伸强度按照GB/T1040.2-2006进行测试、弯曲强度按照GB/T9341-2008进行测试、冲击强度按照GB/T1043.1-2008进行测试。
实施例1
将50kg聚苯硫醚，5kg碳化硅，5kg聚四氟乙烯，3kgKH550在混料机中搅拌均匀，加入双螺杆挤出的主喂料斗中，将30kgPAN系短切碳纤维，10kg沥青系碳纤维在混料机中搅拌均匀加入双螺杆挤出机的侧喂料斗中。
将上述混合料在长径比为65的双螺杆挤出机中挤出造粒，各段温度设定为280℃、285℃、285℃、300℃、300℃、285℃、285℃。转速150rpm/min。
实施例2
将80kg聚醚酰亚胺，5kg氮化硼，3kg聚四氟乙烯，2kg石墨，1kgKH550在混料机中搅拌均匀，加入双螺杆挤出的主喂料斗中，将10kgPAN系短切碳纤维加入双螺杆挤出机的侧喂料斗中。
将上述混合料在长径比为65的双螺杆挤出机中挤出造粒，各段温度设定为340℃、355℃、365℃、370℃、365℃、365℃、365℃。转速110rpm/min。
实施例3
将55kg聚醚醚酮，5kg氮化硅，5kg空心玻璃微珠，15kg聚四氟乙烯，5kg硅油，3kgKH560在混料机中搅拌均匀，加入双螺杆挤出的主喂料斗中，将10kgPAN系短切碳纤维，5kg沥青系碳纤维在混料机中搅拌均匀加入双螺杆挤出机的侧喂料斗中。
将上述混合料在长径比为65的双螺杆挤出机中挤出造粒，各段温度设定为360℃、370℃、380℃、390℃、385℃、380℃、375℃。转速150rpm/min。
实施例4
将45kg聚醚砜，25kg氮化铝，7kg聚四氟乙烯，3kg二硫化钼，1kgKH550在混料机中搅拌均匀，加入双螺杆挤出的主喂料斗中，将10kgPAN系短切碳纤维，10kg沥青系碳纤维在混料机中搅拌均匀加入双螺杆挤出机的侧喂料斗中。
将上述混合料在长径比为65的双螺杆挤出机中挤出造粒，各段温度设定为330℃、340℃、350℃、360℃、365℃、360℃、360℃。转速150rpm/min。
对比例1
将50kg聚苯硫醚，5kg碳化硅，5kg聚四氟乙烯，3kgKH550在混料机中搅拌均匀，加入双螺杆挤出的主喂料斗中，将40kgPAN系短切碳纤维加入双螺杆挤出机的侧喂料斗中。
将上述混合料在长径比为65的双螺杆挤出机中挤出造粒，各段温度设定为280℃、285℃、285℃、300℃、300℃、285℃、285℃。转速150rpm/min。
对比例2
将80kg聚醚酰亚胺，10kg氮化硼，5kg聚四氟乙烯，5kg石墨，1kgKH550在混料机中搅拌均匀，加入双螺杆挤出的主喂料斗中。
将上述混合料在长径比为65的双螺杆挤出机中挤出造粒，各段温度设定为340℃、355℃、365℃、370℃、365℃、365℃、365℃。转速110rpm/min。
参照国标对上述实施例和对比例制备的复合材料进行性能测试，结果见表1
Figure BDA0002340933920000051
Figure BDA0002340933920000061
由上表可以看出，沥青系碳纤维的加入可以显著降低复合材料的摩擦系数和磨损量，PAN系碳纤维与沥青系碳纤维的复配可以在降低复合材料摩擦系数的同时也能赋予复合材料更高的力学性能。

Claims (10)

1.一种复合材料，其特征在于：包含如下按重量份计算的原料：
耐高温热塑性树脂：45-80；
碳纤维：10-35；
耐磨填料：5-25；
润滑剂：5-20；
偶联剂：0.5-3.0。
2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述耐高温热塑性树脂为聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚砜、高温尼龙中的一种或几种；所述碳纤维包含PAN系碳纤维、沥青碳纤维中的一种或两种。
3.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述碳纤维包含PAN系碳纤维、沥青碳纤维两种纤维。
4.如权利要求3所述的复合材料，其特征在于：所述碳纤维中PAN系碳纤维与沥青碳纤维的质量比为1：1-3。
5.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述碳纤维优选纤维长度0.5-6mm，直径5-20um。
6.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述碳纤维的添加量按照重量份计为15-25份。
7.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述耐磨填料为碳化硅、碳化硼、氮化铝、氮化硅、氮化硼、玻璃微珠等其中的一种或几种；所述润滑剂为聚四氟乙烯、石墨、二硫化钼、硅油中的一种或几种。
8.如权利要求7所述的复合材料，其特征在于：耐磨填料添加量按照重量份计为5-10份；所述润滑剂添加量优选为5-15份。
9.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂中的一种或两种。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按照质量份数称取所述耐高温热塑性树脂、所述耐磨填料、所述润滑剂、所述偶联剂进行混合，得到混合料；
S2、将所述混合料加入双螺杆挤出机的主喂料中，将所述碳纤维加入至所述双螺杆挤出机的侧喂料中，进行挤出造粒，得到耐高温自润滑耐磨复合材料；所述双螺杆挤出机的熔融挤出温度为280～380℃，螺杆转速为90～300rpm/min。
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