復(fù)合摩擦材料及其制備方法和制備裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種復(fù)合摩擦材料及其制備方法和制備裝 置，具體涉及一種聚酰胺6/聚氨酯/固體潤(rùn)滑劑復(fù)合摩擦材料及其制備方法和制備裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 聚合物材料的表面硬度低，承載能力差，易磨損，為了改善其摩擦學(xué)性能，需對(duì)聚 合物進(jìn)行物理或化學(xué)改性，制成聚合物基復(fù)合材料，使其具有優(yōu)異的摩擦學(xué)特性，廣泛地應(yīng) 用于需要干摩擦、重載荷、低轉(zhuǎn)速等場(chǎng)合。聚酰胺6復(fù)合材料的摩擦特性比較突出，但其耐 磨性、自潤(rùn)滑性欠佳，磨損率較大，且在同時(shí)要求高沖擊性和耐磨性的場(chǎng)合，復(fù)合材料制品 的使用常常受到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有優(yōu)良的摩擦磨損 性能、較高的室溫及低溫沖擊韌性、較高的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的復(fù)合摩擦材料及其制備 方法和制備裝置。
[0004] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0005] -種復(fù)合摩擦材料，所述復(fù)合摩擦材料是先利用己內(nèi)酰胺單體、聚醚多元醇和異 氰酸酯化合物制備?；簝?nèi)酰胺封端的聚氨酯預(yù)聚物，再將表面帶有-0H基團(tuán)的固體潤(rùn)滑 劑與?；簝?nèi)酰胺封端的聚氨酯預(yù)聚物反應(yīng)，最后引發(fā)己內(nèi)酰胺陰離子聚合得到。
[0006] 上述的復(fù)合摩擦材料中，優(yōu)選的，所述復(fù)合摩擦材料在載荷為78. 5N~150N，滑行 速度為500rpm~1500rpm的條件下，摩擦系數(shù)為0. 08~0. 15,磨損率為1X10 5mm3/Nm~ 14. 5X10 5mm3/Nm;所述復(fù)合摩擦材料的邵氏硬度為78~85,拉伸強(qiáng)度為50MPa~68MPa; 所述復(fù)合摩擦材料與純聚酰胺6相比，室溫沖擊強(qiáng)度提高2~6倍，-50°C時(shí)的低溫沖擊強(qiáng) 度提高1~4倍。
[0007] 作為一個(gè)總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種復(fù)合摩擦材料的制備方法，包括以下 步驟：
[0008] (1)將己內(nèi)酰胺單體與催化劑加入第一反應(yīng)釜中，加熱至熔融，真空脫水，得到己 內(nèi)酰胺陰離子，即第一反應(yīng)液；
[0009] (2)先將己內(nèi)酰胺單體加入第二反應(yīng)釜中，加熱至熔融后，真空脫水，然后將聚醚 多元醇和異氰酸酯化合物加入第二反應(yīng)釜中，經(jīng)第一反應(yīng)后，再加入表面帶有-0H基團(tuán)的 固體潤(rùn)滑劑進(jìn)行第二反應(yīng)，得到第二反應(yīng)液；
[0010] (3)將第一反應(yīng)液和第二反應(yīng)液混合，澆鑄至模具中，經(jīng)加熱成型后，得到復(fù)合摩 擦材料。
[0011] 上述的復(fù)合摩擦材料的制備方法中，優(yōu)選的，所述步驟（1)和步驟（2)中，所述己 內(nèi)酰胺單體的總質(zhì)量與所述催化劑的質(zhì)量之比（即步驟（1)中己內(nèi)酰胺單體和步驟（2)中 己內(nèi)酰胺單體的總質(zhì)量與步驟（1)中催化劑的質(zhì)量之比）為95~99 : 1~5 ;所述步驟 (1)中的己內(nèi)酰胺單體與所述步驟（2)中的己內(nèi)酰胺單體的質(zhì)量比為35~60 : 40~65。
[0012] 上述的復(fù)合摩擦材料的制備方法中，優(yōu)選的，所述步驟（2)中，所述異氰酸酯化合 物與所述表面帶有-0H基團(tuán)的固體潤(rùn)滑劑的質(zhì)量比為1~6 : 5~20,所述聚醚多元醇與 所述異氰酸酯化合物的質(zhì)量比為2~6 : 1~3,所述己內(nèi)酰胺單體與所述聚醚多元醇的質(zhì) 量比為70~95 : 5~30。
[0013] 上述的復(fù)合摩擦材料的制備方法中，優(yōu)選的，所述步驟（1)中，所述己內(nèi)酰胺單體 的加熱溫度為120°C~160°C，所述真空脫水的時(shí)間為5min~20min;所述步驟（2)中，所 述己內(nèi)酰胺單體的加熱溫度為120°C~160°C，所述真空脫水的時(shí)間為5min~20min，所述 第一反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間為0. 5h~1. 5h，所述第二反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間為0. 5h~1. 5h;所述步驟 (3)中，所述加熱成型的溫度為150°C~180°C，所述加熱成型的時(shí)間為30min~60min。
[0014] 上述的復(fù)合摩擦材料的制備方法中，優(yōu)選的，所述步驟（2)中，所述聚醚多元醇 包括聚醚二元醇和聚醚三元醇中的一種或兩種；所述異氰酸酯化合物包括己二異氰酸酯 (HDI)、二苯甲烷二異氰酸酯（MDI)和三苯甲烷三異氰酸酯（JQ-1膠）中的一種或多種；所 述表面帶有-0H基團(tuán)的固體潤(rùn)滑劑包括表面帶有-0H基團(tuán)的膠體石墨、表面帶有-0H基團(tuán) 的二硫化鉬和表面帶有-0H基團(tuán)的聚四氟乙烯中的一種或多種；所述步驟（1)中，所述催化 劑包括金屬鈉、鈉的氫化物、醇鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉、金屬鉀、鉀的氫化物、氫氧化鉀和有機(jī) 金屬化合物中的一種或多種。
[0015] 作為一個(gè)總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述的復(fù)合摩擦材料或者上述的制備 方法制得的復(fù)合摩擦材料的制備裝置，所述制備裝置包括第一反應(yīng)釜、第二反應(yīng)釜、真空 栗、模具和加熱爐；所述第一反應(yīng)釜通過(guò)第一緩沖管路與所述真空栗連通，所述第二反應(yīng)釜 通過(guò)第二緩沖管路與所述真空栗連通，所述第一緩沖管路、第二緩沖管路上均設(shè)有緩沖釜； 所述模具上設(shè)有一混合入料管，所述第一反應(yīng)釜通過(guò)第一出料管與所述混合入料管連通， 所述第二反應(yīng)釜通過(guò)第二出料管與所述混合入料管連通，所述模具通過(guò)運(yùn)輸部件輸送至所 述加熱爐。
[0016] 上述的復(fù)合摩擦材料的制備裝置中，優(yōu)選的，所述第一反應(yīng)釜、第二反應(yīng)釜上均設(shè) 有溫度控制儀，所述溫度控制儀的控溫范圍為30°c~300°C;所述第一緩沖管路、第二緩沖 管路上均設(shè)有真空表；所述第一緩沖管路、第二緩沖管路上的緩沖釜均設(shè)為兩個(gè)。
[0017] 上述的復(fù)合摩擦材料的制備裝置中，優(yōu)選的，所述第一反應(yīng)釜與所述第一緩沖管 路上的緩沖釜之間采用不銹鋼管，所述不銹鋼管的長(zhǎng)度為2m~4m;所述第二反應(yīng)釜與所述 第二緩沖管路上的緩沖釜之間采用不銹鋼管，所述不銹鋼管的長(zhǎng)度為2m~4m。
[0018] 本發(fā)明是通過(guò)己內(nèi)酰胺陰離子聚合的方法制備聚酰胺6/聚氨酯嵌段共聚物，大 幅度提高其室溫和低溫的沖擊性能，并采用表面帶有-0H基團(tuán)的固體潤(rùn)滑劑改性該嵌段共 聚物的摩擦磨損性能，最終獲得一種聚酰胺6/聚氨酯/固體潤(rùn)滑劑復(fù)合摩擦材料。本發(fā)明 提供了該復(fù)合摩擦材料的制備方法，在適當(dāng)?shù)呐浞较?，保證材料拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度性能 的同時(shí)，室溫及低溫沖擊韌性與摩擦磨損性能得到大幅度的改善。
[0019] 本發(fā)明的聚酰胺6/聚氨酯/固體潤(rùn)滑劑復(fù)合摩擦材料的制備方法中，所包含的反 應(yīng)方程式舉例如下：
[0020] 第一步：以催化劑氫氧化鈉為例，真空脫水過(guò)程中發(fā)生如下反應(yīng)：
[0021]
[0022] 第二步：以聚醚二元醇和MDI(4, 4'-二苯基甲烷二異氰酸酯）為例，按合成聚氨酯 預(yù)聚物與己內(nèi)酰胺單體的重量比5-50 : 100的比例計(jì)算聚醚二元醇和MDI的用量。
[0023] 聚醚二元醇與MDI反應(yīng)，再與己內(nèi)酰胺單體反應(yīng)，最后得到?；簝?nèi)酰胺封端的 聚氨酯預(yù)聚物，其方程式如下：
[0025] 固體潤(rùn)滑劑與?；簝?nèi)酰胺封端的聚氨酯預(yù)聚物之間的反應(yīng)方程式如下：
[0027] 第三步：將第一反應(yīng)釜和B中的反應(yīng)液迅速混合后，經(jīng)加熱成型，得本發(fā)明的復(fù)合 摩擦材料。
[0028] 本發(fā)明的制備方法中，固體潤(rùn)滑劑的表面不需要進(jìn)行另外的表面修飾，在合成過(guò) 程中，直接添加到合成聚氨酯預(yù)聚物的反應(yīng)釜中。
[0029] 本發(fā)明的制備裝置中，第一反應(yīng)釜、第二反應(yīng)釜分別與一根2~4米的不銹鋼管和 兩個(gè)緩沖釜連接，且緩沖釜與真空栗連接，其原因是：在真空栗作用下，反應(yīng)釜中反應(yīng)液沸 騰的沖擊力大，反應(yīng)液很容易被抽入緩沖釜或真空栗，因此為使反應(yīng)液在被沖上管道后能 方便的回落到反應(yīng)釜中，設(shè)計(jì)反應(yīng)釜與一根2~4米的不銹鋼管連接；在不銹鋼管后設(shè)計(jì)兩 個(gè)緩沖釜，是防止反應(yīng)液沸騰沖擊堵住真空栗。
[0030] 本發(fā)明的制備裝置中，真空栗采用工業(yè)用油真空栗，作用是使原液在真空狀態(tài)下， 爆沸，混合均勾。
[0031] 本發(fā)明的制備裝置中，第一反應(yīng)釜和B連接一根注入模具的管道（即混合入料 管），可將第一反應(yīng)釜、B的反應(yīng)液混合后注入模具，然后快速運(yùn)入加熱爐中成型，加熱爐的 溫度控制范圍為30~300°C。
[0032] 本發(fā)明中，將計(jì)量好的原料分別加入制備裝置的第一反應(yīng)釜和第二反應(yīng)釜中，使 形成己內(nèi)酰胺陰離子、合成PU活性預(yù)聚物、預(yù)聚物與固體潤(rùn)滑劑的反應(yīng)等步驟在規(guī)定的時(shí) 間內(nèi)完成，然后混合注入加熱后的模具中成型。
[0033] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0034] 1、本發(fā)明的復(fù)合摩擦材料具有優(yōu)異的室溫和低溫沖擊韌性，并且固體潤(rùn)滑劑的存 在使復(fù)合材料保持韌性的基礎(chǔ)上，其摩擦磨損性能得到改善，使該材料在同時(shí)要求摩擦磨 損性能和高低溫韌性的領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。通過(guò)調(diào)節(jié)聚氨酯預(yù)聚物以及固體潤(rùn)滑劑的 含量可以得到綜合性能優(yōu)良的復(fù)合摩擦材料以適應(yīng)不同的使用環(huán)境。該復(fù)合摩擦材料可 用于提速貨車(chē)用主摩擦板、心盤(pán)磨耗盤(pán)、旁承磨耗板和機(jī)車(chē)減振墊等，也可用于橋梁的緩沖 墊、減震墊板等，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。
[0035] 2、本發(fā)明的制備方法是通過(guò)己內(nèi)酰胺陰離子聚合聚酰胺6復(fù)合摩擦材料，該方法 聚合溫度低、工藝簡(jiǎn)單，制備的聚酰胺6復(fù)合材料具有結(jié)晶度高、分子量大且分布均勻、質(zhì) 量輕、力學(xué)性能好，使用溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。
[0036] 3、對(duì)本發(fā)明合適配方條件下制備的復(fù)合摩擦材料進(jìn)行性能分析和評(píng)估，得到如下 基本性能，能滿(mǎn)足不同使用環(huán)境的要求：
[0037] (1)與純聚酰胺6相比，復(fù)合摩擦材料的室溫沖擊強(qiáng)度提高2~6倍，低溫沖擊強(qiáng) 度（_50°C)提高1~4倍；
[0038] (2)復(fù)合摩擦材料的邵氏硬度為78~85 ;
[0039] (3)復(fù)合摩擦材料的拉伸強(qiáng)度為50~68MPa;
[0040] (4)復(fù)合摩擦材料的摩擦系數(shù)為0· 08~0· 15,磨損率為1~14. 5(X10 5mm3/Nm) (載荷為78. 5~150N，滑行速度為500~1500rpm)。
[0041] 4、本發(fā)明的制備裝置是自主設(shè)計(jì)的，特點(diǎn)在于，設(shè)計(jì)兩個(gè)反應(yīng)釜裝置可以使一些 反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，如形成己內(nèi)酰胺陰離子、合成聚氨酯預(yù)聚物、預(yù)聚物與固體潤(rùn)滑劑的反應(yīng)等 在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)同時(shí)完成；設(shè)計(jì)緩沖管路是防止反應(yīng)釜中反應(yīng)液被抽入緩沖釜或真空栗， 同時(shí)保證反應(yīng)液在被沖上緩沖管道后能回落至反應(yīng)釜；設(shè)計(jì)兩個(gè)緩沖釜也是防止反應(yīng)液沸 騰沖擊堵住真空栗。
【附圖說(shuō)明】
[0042] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中復(fù)合摩擦材料的制備工藝流程圖。
[0043] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中復(fù)合摩擦材料的制備裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0044] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中復(fù)合摩擦材料的掃描電鏡圖。
[0045] 圖例說(shuō)明：
[0046] 1、第一反應(yīng)釜；2、第二反應(yīng)釜；3、真空栗；4、模具；5、加熱爐；6、第一緩沖管