專利名稱：納米微粒填充耐磨材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種耐高溫耐磨自潤滑納米微粒填充高分子材料及其制備工藝。
自潤滑材料是摩擦學領(lǐng)域近年來為解決特定工況條件下材料的摩擦磨損問題而發(fā)展起來的一類具有特殊用途的新材料。普通高分子自潤滑復合材料和其它常規(guī)整體固體潤滑材料在干摩擦條件下的極限PV值一般不超過3～5MPa.m/s，如何解決干摩擦更高PV值工況條件下材料的摩擦磨損問題，是當今尖端科技的發(fā)展所迫切需要解決的重大技術(shù)難題。
各種填料填充增強高分子復合材料作為一大類材料在許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，解決了許多其它材料所不能解決的重大技術(shù)難題。納米材料體系自本世紀八十年代誕生以來，它所具有的獨特性質(zhì)和新的規(guī)律，以使人們認識到這一領(lǐng)域是跨世紀材料科學研究的熱點，它的發(fā)展為常規(guī)復合材料的研究和發(fā)展增添了新的內(nèi)容。目前，納米材料在金屬和陶瓷材料領(lǐng)域已有了較大的發(fā)展，而在高分子材料領(lǐng)域的研究和應(yīng)用剛剛起步，國內(nèi)外尚未見到有關(guān)納米氮化硅、碳化硅和二氧化硅在高分子聚合物中的研究和應(yīng)用報道。尤其是該類填充材料作為耐高溫耐磨自潤滑材料，從組成和結(jié)構(gòu)上考慮其摩擦學特性，更尚未見到文獻和專利報道。
本發(fā)明的目的是提供一種耐高溫、低密度、耐磨自潤滑的納米微粒填充高分子復合材料，解決高速重載大PV值干摩擦工況條件和特殊環(huán)境下材料的適應(yīng)性問題和有關(guān)的摩擦學問題。
本發(fā)明的另一個目的是提供上述耐高溫耐磨自潤滑納米微粒填充高分子復合材料的制備工藝。
本發(fā)明的目的通過如下措施來實現(xiàn)。
本發(fā)明的納米微粒填充增強高分子復合材料的組成(wt％)聚醚醚酮 35～90聚芳醚砜 0～50聚砜 0～30聚酰亞胺 0～50納米氮化硅 2.5～20納米碳化硅0～20納米二氧化硅 0～20本發(fā)明優(yōu)先選用的組成(wt％)聚醚醚酮 55～80聚芳醚砜 10～25聚砜 5～20納米氮化硅 2.5～10納米碳化硅 2.5～10納米二氧化硅2.5～10上述納米微粒填充增強耐高溫耐磨自潤滑高分子復合材料最好選用微粒直徑小于80nm的納米碳化硅、納米氮化硅和納米二氧化硅。
聚醚醚酮的粘度為η＝0.6～1.1。優(yōu)先選用粉末直徑小于100μm的聚醚醚酮PEEK原粉，其結(jié)構(gòu)式如下 聚芳醚砜的粘度為η＝0.16～0.90。優(yōu)先選用在其主鏈上附有圈型側(cè)基的改性聚芳醚砜PES-C，其結(jié)構(gòu)式如下 所用聚砜的粘度最好為η＝0.16～0.60。
聚酰亞胺為可溶性聚酰亞胺。
本發(fā)明的制備工藝如下1.對市售的聚醚醚酮原粉用150目篩子進行篩分，所得聚醚醚酮粉的直徑小于100μm。
2.按如下比例(wt％)稱取各組分聚醚醚酮 35～90聚芳醚砜 0～50聚砜 0～30聚酰亞胺 0～50
納米氮化硅 2.5～20納米碳化硅 0～20納米二氧化硅 0～203.將按2所稱取的納米氮化硅、納米碳化硅和二氧化硅加入適量溶劑，超聲波處理分散均勻后，加入按2所稱取的聚醚醚酮、聚芳醚砜、聚砜，進一步球磨或超聲波處理分散均勻。所加入的溶劑可以是乙醇、二甲基甲酰胺，以及氯代烴溶劑中的一種或幾種。
4.將按3所形成的混合物進行干燥，干燥方法可以采用自然干燥、電吹風吹干、紅外線烘干、真空干燥等方法中的一中或幾種。
5.高溫壓制成型，將按4干燥后的混合物裝入模具中加壓至3MPa，然后以10℃/min的升溫速度升溫，待溫度升至200～250℃，恒溫5分鐘，然后加壓至5～15MPa，并繼續(xù)升溫至300～360℃，恒溫10～60分鐘，然后在保壓條件下冷卻，采用自然冷卻或用冰急速冷卻的方法使模具溫度降到100℃以下脫模即可。在上述熱壓過程中為防止氣泡產(chǎn)生，應(yīng)隨時注意放氣。
本發(fā)明選用聚醚醚酮和耐溫芳香族雜環(huán)聚芳醚砜作為主體材料是為了保證產(chǎn)品具有優(yōu)異的強度和耐熱性，同時也考慮了工藝的可行性。所用聚醚醚酮的玻璃化溫度為143℃，熔點為334℃，該材料具有優(yōu)異的機械性能和耐化學藥品腐蝕性能。所用聚芳醚砜是主鏈上附帶圈型側(cè)基的聚芳醚砜PES-S，該材料具有優(yōu)良的工藝適應(yīng)性能、機械性能和耐高溫性能，其玻璃化溫度達260℃，短期使用溫度可達到400℃。
本發(fā)明選用納米氮化硅、碳化硅和二氧化硅作為填料是為了保證產(chǎn)品同時具有低的摩擦系數(shù)和磨損率，而又具有良好的機械性能。
本發(fā)明中熱壓恒溫后，冷卻方式的選擇可以控制產(chǎn)品中高分子材料的結(jié)晶狀態(tài)，進而影響產(chǎn)品的性能，一般而言，隨爐自然冷卻的產(chǎn)品柔順性好，用冰急速冷卻的產(chǎn)品的剛性則更好。
本發(fā)明產(chǎn)品的最大特點是在高速大PV值干摩擦工況條件下具有優(yōu)異的耐磨自潤滑特性。同時，本產(chǎn)品還具有耐高溫、低密度、耐超低溫和其它特殊環(huán)境等特性，該產(chǎn)品具有良好的可加工性能，適宜制作各種形狀的小型零部件。
本發(fā)明產(chǎn)品的主要性能指標如下1.密度～1.44g/cm32.抗彎強度＞130MPa3.硬度32～38HBS(5/62.5/60)4.摩擦系數(shù)＜0.165.磨損率 ＜1.3×10-6mm3/(N.m)6.適用溫度范圍-200℃～+250℃。
本發(fā)明產(chǎn)品適用于制作高速大PV值干摩擦工況條件下的摩擦部件，可用于要求高耐溫低密度的航空、航天飛行器，作為軸承、滑塊和活塞環(huán)等部件；由于其抗輻射、真空性能和耐溫性能都較好，也適用于原子能反應(yīng)堆、真空機械的某些零部件；另外由于其無污染、無公害，因而也可廣泛應(yīng)用在微機、機械、化工、紡織、食品、家用電器等行業(yè)。
實施例1稱取納米碳化硅3g、納米氮化硅2g，加入二甲基甲酰胺50ml，用超聲波處理5分鐘后加入可溶性的聚酰亞胺15g、聚醚醚酮30g，球磨3小時，然后將該混合物用紅外線烘干除去其中溶劑和水汽。放入模具中熱壓，加壓至3MPa，以10℃/min的升溫速度升溫，待溫度升至250℃，恒溫5分鐘，然后加壓至12MPa，并繼續(xù)升溫至340℃，恒溫20分鐘，然后在保壓條件下自然冷卻，當模具溫度降到100℃以下脫模即可。材料性能滿足上述指標。在上述熱壓過程中每間隔5分鐘放氣一次。實施例2稱取納米氮化硅2g、納米碳化硅2g、納米二氧化硅1g，加入50ml三氯甲烷，用超聲波處理5分鐘。加入稱取好的聚醚醚酮30g、聚芳醚砜10g、聚砜5g，球磨4小時后，用加熱和真空干燥的方法除去溶劑和水汽，放入模具中熱壓成型。加壓至3MPa，以10℃/min的升溫速度升溫，待溫度升至220℃，恒溫5分鐘，然后加壓至12MPa，并繼續(xù)升溫至335℃，恒溫25分鐘，然后在保壓條件下用冰急速冷卻，當模具溫度降到100℃以下脫模即可。材料性能滿足上述指標。在上述熱壓過程中每間隔5分鐘放氣一次。實施例3稱取納米氮化硅4g、納米二氧化硅2g，加入50ml乙醇中用超聲波處理5～10分鐘， 然后加入聚醚醚酮30g、聚砜15g，再用超聲波處理15分鐘混合均勻。將該混合物用真空加熱干燥的方法除去溶劑和水汽后，放入模具熱壓成型。加壓至3MPa，以10℃/min的升溫速度升溫，待溫度升至200℃，恒溫5分鐘，然后加壓至5MPa，并繼續(xù)升溫至320℃，恒溫30分鐘，然后在保壓條件下自然冷卻，當模具溫度降至100℃以下脫模即可。材料性能滿足上述指標。在上述熱壓過程中，每間隔5分鐘放氣一次。實施例4稱取納米氮化硅2g、納米二氧化硅1g，加入50ml乙醇中用超聲波處理5分鐘，然后加入聚醚醚酮42g、聚芳醚砜5g，再用超聲波處理15分鐘混合均勻。將該混合物用真空加熱干燥的方法除去溶劑和水汽后，放入模具熱壓成型。加壓至3MPa，以10℃/min的升溫速度升溫，待溫度升至260℃，恒溫5分鐘，然后加壓至15MPa，并繼續(xù)升溫至345℃，恒溫20分鐘，然后在保壓條件下自然冷卻，當模具溫度降至100℃以下脫模即可。材料性能滿足上述指標。在上述熱壓過程中，每間隔5分鐘放氣一次。實施例5稱取納米氮化硅1g、納米碳化硅2g、納米二氧化硅1g，加入50ml三氯乙烷，用超聲波處理5分鐘。加入稱取好的聚醚醚酮17.5g、聚芳醚砜20g、聚砜8.5g，球磨4.5小時后，用加熱和真空干燥的方法除去溶劑和水汽，放入模具中熱壓成型。加壓至3MPa，以10℃/min的升溫速度升溫，待溫度升至225℃，恒溫15分鐘，然后加壓至10MPa，并繼續(xù)升溫至325℃，恒溫35分鐘，然后在保壓條件下用冰急速冷卻，當模具溫度降到100℃以下脫模即可。材料性能滿足上述指標。在上述熱壓過程中每間隔5分鐘放氣一次。
權(quán)利要求
1.一種納米微粒填充耐高溫耐磨自潤滑高分子復合材料其特征在于組成(wt.％)為聚醚醚酮 35～90聚芳醚砜0～50聚砜0～30聚酰亞胺0～50納米氮化硅2.5～20納米碳化硅 0～20納米二氧化硅0～20
2.如權(quán)利要求1所述的納米微粒填充耐高溫耐磨自潤滑高分子復合材料，其特征在于組成(wt.％)為聚醚醚酮 55～80聚芳醚砜 10～25聚砜5～20納米氮化硅2.5～10納米碳化硅2.5～10納米二氧化硅 2.5～10
3.如權(quán)利要求1或2所述的納米微粒填充耐高溫耐磨自潤滑高分子復合材料，其特征在于納米氮化硅、碳化硅和二氧化硅的微粒直徑小于80nm。
4.如權(quán)利要求1或2所述的納米微粒填充耐高溫耐磨自潤滑高分子復合材料，其特征在于聚醚醚酮的粘度為η＝0.6～1.1。其結(jié)構(gòu)式如下
5.如權(quán)利要求1或2所述的納米微粒填充耐高溫耐磨自潤滑高分子復合材料，其特征在于聚芳醚砜是其主鏈上附帶圈型側(cè)基的改性聚芳醚砜PES-C，粘度為η＝0.16～0.90。其結(jié)構(gòu)式如下
6.如權(quán)利要求1或2所述的納米微粒填充耐高溫耐磨自潤滑高分子復合材料，其特征在于所用聚砜的粘度為η＝0.16～0.6。
7.如權(quán)利要求1或2所述的納米微粒填充耐高溫耐磨自潤滑高分子復合材料，其特征在于所用聚酰亞胺為可溶性聚酰亞胺。
8.一種納米微粒填充耐高溫耐磨自潤滑高分子復合材料的制備工藝，其特征在于(1)按權(quán)利要求1或2稱取各組分；(2)將按(1)稱取的納米氮化硅、碳化硅和二氧化硅中加入適量溶劑，用超聲波進行處理，使其充分分散均勻。所加入的溶劑可以是乙醇、二甲基甲酰胺，以及氯代烴溶劑中的一種或幾種。(3)將胺(1)稱取的聚醚醚酮、聚芳醚砜、聚砜和聚酰亞胺加到按(2)所制成的納米微粒分散液中，用超聲波或球磨的方法進行處理，充分混合分散均勻。并使其干燥。(4)將胺(3)處理后的混合物放入模具中，加壓至3MPa，然后以10℃/min的升溫速度升溫，待溫度升至200～250℃，恒溫5分鐘，然后加壓至5～15MPa，并繼續(xù)升溫至300～360℃，恒溫10～60分鐘，然后在保壓條件下冷卻，采用自然冷卻或用冰急速冷卻的方法使模具溫度降到100℃以下脫模即可。
全文摘要
一種低密度耐高溫耐磨自潤滑納米微粒填充增強高分子復合材料，由聚醚醚酮、聚芳醚砜、聚砜和聚酰亞胺等熱塑性耐高溫聚合物、納米氮化硅、納米碳化硅和納米二氧化硅等納米微粒組成，其產(chǎn)品具有良好的可加工性能，優(yōu)良耐磨自潤滑性能、耐熱性能、耐輻射性能，適用于低溫、真空、輻射、腐蝕等特殊環(huán)境，可廣泛應(yīng)用在航空、航天、微機、機械、化工、紡織、食品、家用電器等行業(yè)。
文檔編號C08K3/00GK1150958SQ96103689
公開日1997年6月4日 申請日期1996年4月22日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月22日
發(fā)明者王齊華, 薛群基, 沈維長, 徐錦芬 申請人:中國科學院蘭州化學物理研究所