專利名稱：：自潤滑聚甲醛/納米聚四氟乙烯共混復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于聚合物復(fù)合材料
技術(shù)領(lǐng)域：
；具體涉及一種具有高分散性和自潤滑性的聚甲醛/納米聚四氟乙烯復(fù)合材料及其制備方法。該復(fù)合材料可適用于航空、航天、機械、電子、汽車、家電、辦公等領(lǐng)域中的超小型高性能自潤滑耐磨部件上。
背景技術(shù)：
：聚甲醛(P0M)是一種綜合性能優(yōu)良的工程塑料。它是所有塑料中比強度較為接近金屬的樹脂品種之一，具有極高的強度和剛度，良好的尺寸穩(wěn)定性，優(yōu)良的耐疲勞性能、耐蠕變性、自潤滑,性和耐磨性能，在機械、汽車、電子、家用電器和建材等方面廣泛應(yīng)用于制造各種具有自潤滑、減摩耐磨性能的零件。雖然POM具有自潤滑性，但它在高溫下熱穩(wěn)定性差、易分解，加工成型溫度窄，耐老化性差，僅能在低速、低負荷的條件下使用。為了使POM在高速、高負荷等苛刻條件下使用，就必須在原有優(yōu)異的物理機械性能的基礎(chǔ)上，進一步降低摩擦系數(shù)和磨損率、提高極限PV值，這均需要通過聚甲醛的改性來實現(xiàn)。采用微米級或納米級填料是常用的自潤滑高分子材料改性方法之一。采用微米級粒子改性高分子自潤滑材料存在一些問題，主要在于需要大量微米級填料加入基體中共混復(fù)合才能獲得復(fù)合材料的自潤滑性能，并且會較大程度地影響復(fù)合材料的力學性能。而納米粒子改性高分子自潤滑材料的研究是當前材料摩擦學領(lǐng)域研究的熱點。納米材料由于尺寸小，粒子表面的原子數(shù)多，原子配位不足，因此其表面活性很大。在與聚合物共混復(fù)合后，容'易起到物理交聯(lián)點作用；一個粒子的表面有幾條大分子鏈通過，能起均勻分散載荷的作用，減輕了局部區(qū)域所受到的摩擦應(yīng)力，有效地減輕磨損。在磨損過程中，納米材料在摩擦時一方面可以嵌入對磨面的不平整處，使對磨面易于生成平整的轉(zhuǎn)移膜，并不斷地拋光對磨的金屬表面，減少對基體材料的刨削磨損；另一方面在載荷的作用下，納米粒子容易被壓入基體材料中，不易脫落，因而減少磨粒磨損的可能性，同時表面層納米粒子承擔了大部分載荷，傾向于生成有利于減磨潤滑的轉(zhuǎn)移膜，從而減少了基體材料直接磨損的機會。納米材料由于尺寸小，比表面積大，少量添加(1%4%)即可改進自潤滑材料的摩擦磨損性能。納米粒子改性高分子材料的傳統(tǒng)制備方法是通過雙螺桿擠出機等設(shè)備，用機械混合方法將納米粒子混入高分子材料中去。但是由于納米粒子與聚合物的化學結(jié)構(gòu)和物理狀態(tài)相差甚大，并且納米粒子表面活性大，極易團聚，故難以實現(xiàn)理想的納米級均勻分散的納米復(fù)合材料。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種具有良好分散性的聚甲醛納米復(fù)合材料及其制備方法，解決納米聚四氟乙烯在聚甲醛基體中的分散問題，實現(xiàn)該復(fù)合材料納米尺度上的復(fù)合。A實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明利用聚甲醛熔融體與納米聚四氟乙烯在分散劑中有良好的分散性，通過熔融共混，冷卻結(jié)晶，再除去分散劑，獲得高分散性的聚甲醛/納米聚四氟乙烯共混復(fù)合材料。納米聚四氟乙烯提高了聚甲醛的自潤滑性和耐磨性，并且對聚甲醛復(fù)合材料的力學性能影響較小，從而拓寬了聚甲醛的使用范圍。本發(fā)明的目的可以通過以下工藝步驟和條件來實現(xiàn)，其中所述原料份數(shù)除特殊說明外，均為重量份數(shù)。高分散性自潤滑耐磨聚甲醛復(fù)合材料的起始原料配方組分(按重量計)為聚甲醛100份分散劑10002000份納米聚四氟乙烯0.58份本發(fā)明中，所述聚甲醛為共聚甲醛或均聚甲醛，密度為1.4-1.43，優(yōu)選1.41。分散劑選自N,N二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺或環(huán)己醇中的一種納米聚四氟乙烯的平均粒子粒徑為570nm。高分散性的自潤滑耐磨聚甲醛復(fù)合材料的制備方法如下(1)將聚甲醛100份于609(TC干燥46個小時后，然后室溫下與10002000份分散劑一起加入三口瓶中，升溫至15018(TC，聚甲醛熔融，在高速攪拌機中攪拌均勻分散。(2)將納米聚四氟乙烯0.58份加入三口瓶中，在高速攪拌機中攪拌均勻分散，以13'C/rnin的速度冷卻結(jié)晶。(3)將冷卻結(jié)晶所得共混復(fù)合材料，用丙酮、石油醚、乙醇中的一種洗除分散劑，在100-130'C下烘干，造粒，即可獲得高分散性的自潤滑聚甲醛共混復(fù)合材料。由于納米聚四氟乙烯填料粒徑小，易團聚，直接加入與聚甲醛的融合性差，分散性不好，不僅不能起到應(yīng)有的自潤滑耐磨作用，還因其加入而可能引起納米聚四氟乙烯抱團降低聚甲醛自潤滑耐磨性能。本發(fā)明為了改善現(xiàn)有聚甲醛/納米聚四氟乙烯復(fù)合材料的分散性問題，在高速攪拌機中采取了以N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺或環(huán)己醇為分散劑，將粘流態(tài)聚甲醛與納米聚四氟乙烯攪拌均勻分散，再冷卻結(jié)晶。因此解決了納米聚四氟乙烯在聚甲醛納米復(fù)合材料中的分散問題，改善了現(xiàn)有聚甲酸納米復(fù)合材料的自潤滑耐磨性能，從而達到了添加少量納米級聚四氟乙烯就能獲得添加大量微米級聚四氟乙烯的聚甲醛復(fù)合材料的自潤滑耐磨性能的效果，并且對聚甲醛復(fù)合材料的力學性能影響較小。綜上所述，本發(fā)明具有以下優(yōu)點-1、以N,N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺或環(huán)己醇為分散劑，有效地解決了納米聚四氟乙烯在聚甲醛中的分散問題。2、添加少量納米聚四氟乙烯就能獲得添加大量微米聚四氟乙烯的聚甲醛復(fù)合材料才能獲得的自潤滑耐磨性能。3、本發(fā)明提供的制備方法簡單易行，能有效地提高聚甲醛復(fù)合材料的自潤滑耐磨性能，并對復(fù)合材料的力學性能影響較小。具體實施例方式下面通過實施例對本發(fā)明進行具體描述，有必要在此指出的是以下實施例只用于對本發(fā)明進行進一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員根據(jù)上述本發(fā)明對本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整。實施例1將15克聚甲醛在70'C下干燥4個小時后，室溫下與150克N,N-二甲基甲酰胺一起加入三口瓶中，升溫至155'C，加入0.75克納米聚四氟乙烯，在高速攪拌機中攪拌，均勻分散后，以rC/min冷卻結(jié)晶，抽濾擠壓獲得復(fù)合材料粉末，用丙酮80克在超聲波振蕩器中處理，除去N，N-二甲基甲酰胺等雜質(zhì)后，干燥造粒即得聚甲醛復(fù)合材料。實施例2將30克聚甲醛在90'C下干燥5個小時后，室溫下與400克N，N-二甲基乙酰胺一起加入三口瓶中，升溫至165'C，加入0.3克納米聚四氟乙烯，在高速攪拌機中攪拌，均勻分散后，以2'C/min冷卻結(jié)晶，抽濾擠壓獲得復(fù)合材料粉末，用乙醇130克在超聲波振蕩器中處理，除去N，N-二甲基乙酰胺等雜質(zhì)后，干燥造粒即得聚甲醛復(fù)合材料。實施例3將20克聚甲醛在80'C下干燥6個小時后，室溫下與300克環(huán)己醇一起加入三口瓶中，升溫至160'C,加入0.3克納米聚四氟乙烯，在高速攪拌機中攪拌，均勻分散后，以2'C/min冷卻結(jié)晶，抽濾擠壓獲得復(fù)合材料粉末，用丙酮110克在超聲波振蕩器中處理，除去N，N-二甲基甲酰胺等雜質(zhì)后，干燥造粒即得聚甲醛復(fù)合材料。實施例4將30克聚甲醛在9(TC下干燥6個小時后，室溫下與500克N，N-二甲基甲酰胺一起加入三口瓶中，升溫至17(TC，加入1.5克納米聚四氟乙烯，在高速攪拌機中攪拌，均勻分散后，以2'C/min冷卻結(jié)晶，抽濾擠壓獲得復(fù)合材料粉末，用乙醚150克在超聲波振蕩器中處理，除去N，N-二甲基甲酰胺等雜質(zhì)后，干燥造粒即得聚甲醛復(fù)合材料。實施例5將50克聚甲醛在90。C下干燥6個小時后，室溫下與700克N，N-二甲基乙酰胺一起加入三口瓶它，升溫至17(TC，加入l克納米聚四氟乙烯，在高速攪拌機中攪拌，均勻分散后，以2'C/min冷卻結(jié)晶，抽濾擠壓獲得復(fù)合材料粉末，用乙醇220克在超聲波振蕩器中處理，除去N,N-二甲基甲酰胺等雜質(zhì)后，干燥造粒即得聚甲醛復(fù)合材料。實施例6將25克聚甲醛在80'C下干燥5個小時后，室溫下與350克N，N-二甲基甲酰胺一起加入三口瓶中，升溫至160'C，加入1.5克納米聚四氟乙烯，在高速攪拌機中攪拌，均勻分散后，以2。C/min冷卻結(jié)晶，抽濾擠壓獲得復(fù)合材料粉末，用乙醚150克在超聲波振蕩器中處理，除去N，N-二甲基乙酰胺等雜質(zhì)后，干燥造粒即得聚甲醛復(fù)合材料。實施例7將35克聚甲醛在90'C下干燥7個小時后，室溫下與400克N，N-二甲基甲酰胺一起加入三口瓶中，升溫至175"C,加入1.4克納米聚四氟乙烯，在高速攪拌機中攪拌，均勻分散后，以3。C/min冷卻結(jié)晶，抽濾擠壓獲得復(fù)合材料粉末，用丙酮180克在超聲波振蕩器中處理，除去N，N-二甲基乙酰胺等雜質(zhì)后，干燥造粒即得聚甲醛復(fù)合材料。比較例1將40克聚甲醛在9(TC下干燥7個小時后，室溫下與400克N，N-二甲基甲酰胺一起加入三口瓶中，升溫至175'C，加入2.0克微米聚四氟乙烯，在高速攪拌機中攪拌，均勻分散后，以3'C/mifi冷卻結(jié)晶，抽濾擠壓獲得復(fù)合材料粉末，用丙酮200克在超聲波振蕩器中處理，除去N，N-二甲基甲酰胺等雜質(zhì)后，干燥造粒即得聚甲醛復(fù)合材料。6比較例2將30克聚甲醛在90'C下干燥7個小時后，室溫下與400克N，N-二甲基甲酰胺一起加入三口瓶中，升溫至175r，加入3.0克微米聚四氟乙烯，在高速攪拌機中攪拌，均勻分散后，以3。C/min冷卻結(jié)晶，抽濾擠壓獲得復(fù)合材料粉末，用乙醇180克在超聲波振蕩器中處理，除去N，N-二甲基甲酰胺等雜質(zhì)后，干燥造粒即得聚甲醛復(fù)合材料。以上比較例1、比較例2均采取相同分散方法制備了高分散性的自潤滑聚甲醛/微米聚四氟乙烯復(fù)合材料。表1給出了實施例5(P0M/2%Nano-PTFE)、比較例1(P0M/5%Micro-PTFE)以及比較例2(P0M/10%Micro-PTFE)的摩擦學性能和力學性能。從表1可以看出對于兩種摩擦系數(shù)以及磨損率相似的POM復(fù)合材料(P0M/2柳ano-PTFE、P0M/10%Micro-PTFE)，P0M/2柳ano-PTFE復(fù)合材料拉伸強度降低了7.0%，斷裂伸長率降低了11.4%，而P0M/10%Micro-PTFE復(fù)合材料的拉伸強度卻降低了22.3%，斷裂伸長率降低了43.5%。同樣的，對于兩種拉伸強度相似的POM復(fù)合材料，而P0M/2柳ano-PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率都比P0M/5%Micro-PTFE低很多。因此，獲得摩擦系數(shù)以及磨損率相似的POM復(fù)合材料，Nano-PTFE對復(fù)合材料的力學性能相比Mirco-PTFE的影響小很多，同樣的，對于獲得拉伸強度相似的P0M復(fù)合材料，Nano-PTFE改性P0M獲得更低摩擦系數(shù)及磨損率。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>備注摩擦學性能測試條件(GB/T3960-1983):載荷200N，滑動速度0.42m/s，摩擦時間120min,樣品尺寸30mmX7mmX6mm，溫度22士5。C,濕度50±5%。力學性能測試條件(GB/T16421-1996):拉伸速度10min/s,樣品中部跨度尺寸30mmX5咖X2iran。權(quán)利要求1、一種自潤滑聚甲醛/納米聚四氟乙烯的共混復(fù)合材料，其特征在于制備該材料的熔融共混復(fù)合配方組分按重量計為聚甲醛100份納米聚四氟乙烯0.5份～8份分散劑1000份～2000份。2、如權(quán)利要求1所述的共混復(fù)合材料，其特征在于，所述的聚甲醛為共聚甲醛或者均聚甲醛，密度為1.41.43。3、如權(quán)利要求1所述的共混復(fù)合材料，其特征在于，所述的納米聚四氟乙烯的平均粒徑為570nm。4、如權(quán)利要求1所述的共混復(fù)合材料，其特征在于，所述的分散劑選自N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺或環(huán)己醇中的一種。5、一種如權(quán)利要求14所述的共混復(fù)合材料的制備方法，其特征在于具體步驟為將所述的聚甲醛于150180'C在分散劑中熔融分散，加入納米聚四氟乙烯共混攪拌，均勻分散，以l-3。C/min的速度冷卻結(jié)晶，用丙酮、石油醚、乙醇中的一種洗除分散劑，在100-130'C下烘干，造粒，即得所述聚甲醛共混復(fù)合材料。全文摘要本發(fā)明屬于聚合物復(fù)合材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種自潤滑聚甲醛/納米聚四氟乙烯的共混復(fù)合材料及其制備方法。該復(fù)合材料的原料配方組成為(重量份數(shù)計)聚甲醛100份，分散劑1000～2000份，納米聚四氟乙烯0.5～8份。制備方法為溶劑法共混分散原料并烘干造粒。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的材料在添加少量納米級聚四氟乙烯的情況下就能獲得添加大量微米級聚四氟乙烯才能獲得的自潤滑及耐磨性能，而且得到的復(fù)合材料中，納米聚四氟乙烯分散均勻，不發(fā)生團聚，對力學性能影響較小。該發(fā)明材料適用于航空、航天、機械、電子、汽車、家電、辦公等領(lǐng)域中的超小型高性能自潤滑耐磨部件上。文檔編號C08K5/20GK101575437SQ20091005291公開日2009年11月11日申請日期2009年6月11日優(yōu)先權(quán)日2009年6月11日發(fā)明者呂仁國,李同生,挺黃申請人:復(fù)旦大學