本發(fā)明涉及一種適用于水潤(rùn)滑條件下使用的超高分子量聚乙烯多元納米復(fù)合材料，屬于潤(rùn)滑技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著人們對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，利用水代替礦物油或合成油作為潤(rùn)滑劑是一種減少泄油對(duì)水體污染行之有效的方案。然而，由于水的粘度低，水膜承載能力差，水潤(rùn)滑摩擦副并非一直處于理想的流體潤(rùn)滑狀態(tài)。在啟停狀態(tài)和低速、重載工況下，摩擦副常常處于混合潤(rùn)滑甚至邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，固-固接觸承擔(dān)主要甚至大部分載荷，因此對(duì)材料的摩擦學(xué)性能也提出了挑戰(zhàn)。聚合物復(fù)合材料由于其自潤(rùn)滑，性能可設(shè)計(jì)性和減震降噪等優(yōu)異的性能，正在越來(lái)越多的應(yīng)用于水利，水電和航運(yùn)等裝備中。聚合物與金屬配副使用，對(duì)水潤(rùn)滑條件下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)具有巨大的應(yīng)用潛力。深入研究水潤(rùn)滑條件下的聚合物復(fù)合材料的摩擦磨損特性對(duì)高性能水潤(rùn)滑摩擦副的設(shè)計(jì)和制備具有重要意義。
常見(jiàn)的用于水潤(rùn)滑工況的聚合物基體材料包括聚四氟乙烯、聚甲醛、聚酰亞胺、聚醚醚酮和環(huán)氧樹(shù)脂等。純聚合物的力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較低，限制了其在苛刻環(huán)境的應(yīng)用。為了提高聚合物的自潤(rùn)滑和耐磨性能，通常將增強(qiáng)填料、固體潤(rùn)滑劑以及無(wú)機(jī)納米陶瓷顆粒加入到聚合物樹(shù)脂中。增強(qiáng)填料被證明能夠顯著提高聚合物基體的抗壓強(qiáng)度和耐磨性。然而，水分子在界面的存在極大地限制了固體潤(rùn)滑劑在摩擦過(guò)程中向金屬對(duì)偶表面的轉(zhuǎn)移。因此，傳統(tǒng)配方的聚合物復(fù)合材料在水潤(rùn)滑條件下難以在對(duì)偶表面形成高承載能力的轉(zhuǎn)移膜，大大限制了系統(tǒng)的邊界潤(rùn)滑和界面保護(hù)能力。尤其在海水介質(zhì)中，高硬度的增強(qiáng)填料在提高聚合物材料耐磨性能的同時(shí)，當(dāng)其與金屬對(duì)偶刮擦?xí)r，可造成金屬表面腐蝕鈍化膜的破壞，導(dǎo)致金屬腐蝕-磨損的互相促進(jìn)，對(duì)長(zhǎng)期服役于海水條件的摩擦副的配合工差要求和系統(tǒng)的可靠性提出挑戰(zhàn)。因此，通過(guò)在聚合物復(fù)合材料中添加功能性填料，調(diào)控水潤(rùn)滑界面摩擦化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)高承載能力反應(yīng)邊界膜在水潤(rùn)滑界面形成，可能是提高系統(tǒng)邊界潤(rùn)滑與界面保護(hù)效果，同時(shí)提高海水潤(rùn)滑條件下金屬表面覆蓋鈍化能力的有效手段。
超高分子量聚乙烯是一種線性結(jié)構(gòu)的熱塑性工程塑料，具有優(yōu)異的耐摩擦磨損、耐沖擊、耐腐蝕、耐低溫、耐壓、耐應(yīng)力開(kāi)裂、耐溶脹、抗結(jié)垢和自潤(rùn)滑等性能。因此，在工業(yè)和民用領(lǐng)域得到了廣泛而又重要的應(yīng)用。然而，文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的超高分子量聚乙烯自潤(rùn)滑材料包括纖維增強(qiáng)[wear，2017，380-381，42-51]或包含氧化物納米顆粒[wear，2013，297，1120-1127]?；瘜W(xué)穩(wěn)定性較高的常規(guī)陶瓷顆粒不能促進(jìn)高承載能力和鈍化能力的反應(yīng)邊界膜在摩擦界面形成。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種適用于水潤(rùn)滑的超高分子量聚乙烯多元納米復(fù)合材料。
本發(fā)明通過(guò)在超高分子量聚乙烯材料中加入增強(qiáng)纖維的同時(shí)，添加表面進(jìn)行改性的可摩擦水解的納米顆粒。增強(qiáng)纖維提高聚合物材料的耐磨性能，功能性納米顆粒在摩擦過(guò)程中釋放到摩擦界面，并在水潤(rùn)滑界面上發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)高承載能力與覆蓋鈍化性好的邊界膜的形成，因此，顯著降低復(fù)合材料的磨損速度，同時(shí)對(duì)金屬對(duì)偶起到覆蓋保護(hù)作用，減緩金屬的磨損腐蝕。此外，通過(guò)在功能性納米顆粒的表面接枝離子液體，促進(jìn)納米顆粒在金屬對(duì)偶表面的吸附，可提高邊界膜的形成速度和金屬對(duì)偶表面的覆蓋率，進(jìn)一步提高摩擦副在水潤(rùn)滑條件下的性能。
一種適用于水潤(rùn)滑的超高分子量聚乙烯多元納米復(fù)合材料，其特征在于該材料通過(guò)以下步驟來(lái)制備：
1)制備離子液體接枝的六方氮化硼：將六方氮化硼在氫氧化鈉溶液中100-120℃加熱回流1.5-3小時(shí)，過(guò)濾取出之后加入3-氯丙基三甲氧基硅烷丙酮溶液，45-60℃攪拌反應(yīng)16-24小時(shí)，通過(guò)常規(guī)分離得到處理的六方氮化硼；將其與氯化亞銅、2，2聯(lián)吡啶以及離子液體1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽的二甲基甲酰胺溶液混合攪拌，在氮?dú)鈿夥障拢?5-60℃反應(yīng)12-18小時(shí)即得1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽接枝的六方氮化硼；
2)按超高分子量聚乙烯49.5-94.5wt%、碳纖維5-30wt%以及1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽接枝的六方氮化硼0.5-10wt%的配方，在高速混料機(jī)中以8000-20000r/min進(jìn)行充分混合，然后轉(zhuǎn)移至模具中熱壓燒結(jié)，2-4小時(shí)室溫升至180-220℃，冷卻過(guò)程中每隔10-20min進(jìn)行排氣，加壓至6-12mpa，待冷卻至80-120℃脫模。
本發(fā)明所述的六方氮化硼，其粒徑為50-200nm。
本發(fā)明所述的氫氧化鈉的濃度是1.5-2.5mol/l。
本發(fā)明所述的六方氮化硼與3-氯丙基三甲氧基硅烷的摩爾比是1:1-1:20。
本發(fā)明所述的3-氯丙基三甲氧基硅烷丙酮溶液的濃度為1.0-10.0mol/l。
本發(fā)明所述的六方氮化硼與氯化亞銅的摩爾比是200:1-1000:1。
本發(fā)明所述的六方氮化硼與2，2聯(lián)吡啶的摩爾比是200:1-1000:1。
本發(fā)明所述的六方氮化硼與離子液體1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽的摩爾比為1:1-1:30。
本發(fā)明所述的1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽的二甲基甲酰胺溶液的濃度為1.0-20.0mol/l。
本發(fā)明所述的超高分子量聚乙烯分子量為200-500萬(wàn)。
本發(fā)明所述的碳纖維直徑為5-15μm，長(zhǎng)度為30-300μm。
本發(fā)明的關(guān)鍵在于在超高分子量聚乙烯基體中添加功能性納米顆粒，在水潤(rùn)滑摩擦界面構(gòu)筑穩(wěn)定性高而且覆蓋鈍化能力強(qiáng)的反應(yīng)邊界膜。
本發(fā)明所述超高分子量聚乙烯多元納米復(fù)合材料在水潤(rùn)滑工況下具有良好的耐磨性能。
本發(fā)明將離子液體接枝的六方氮化硼用作功能填料能夠促進(jìn)水潤(rùn)滑摩擦界面高性能反應(yīng)邊界膜的形成。
本發(fā)明所述超高分子量聚乙烯多元納米復(fù)合材料在海水介質(zhì)中使用時(shí)，摩擦界面的邊界膜在降低聚合物復(fù)合材料磨損的同時(shí)可有效保護(hù)金屬對(duì)偶表面，降低金屬的腐蝕磨損。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，但本實(shí)施例并不用于限制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似方法及其相似變化，均應(yīng)列入本發(fā)明的保護(hù)范圍。所述試劑和原料，如無(wú)特殊說(shuō)明，均從商業(yè)途徑獲得。
實(shí)施例1
將4.0g六方氮化硼在2.0mol/l氫氧化鈉溶液中100℃加熱回流2小時(shí)，過(guò)濾取出之后加入100ml2.0mol/l3-氯丙基三甲氧基硅烷丙酮溶液，50℃攪拌反應(yīng)16小時(shí)，通過(guò)常規(guī)分離得到處理的六方氮化硼；將4.0g處理的六方氮化硼、20.0mg氯化亞銅、40.0mg2，2聯(lián)吡啶以及200ml12mol/l1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽的二甲基甲酰胺溶液混合攪拌，在氮?dú)鈿夥障拢?0℃反應(yīng)12小時(shí)即得1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽接枝的六方氮化硼。
將32.4g超高分子量聚乙烯、6.8g碳纖維以及3.3g1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽接枝的六方氮化硼，在高速混料機(jī)中以10000r/min的速度進(jìn)行充分混合，然后轉(zhuǎn)移至50mm×60mm的模具中熱壓燒結(jié)，2小時(shí)室溫升至200℃，冷卻過(guò)程中每隔10min進(jìn)行排氣、加壓至8mpa，待冷卻至100℃脫模。
實(shí)施例2
將3.0g六方氮化硼在2.0mol/l氫氧化鈉溶液中120℃加熱回流1.5小時(shí)，過(guò)濾取出之后加入100ml1.5mol/l3-氯丙基三甲氧基硅烷丙酮溶液，55℃攪拌反應(yīng)18小時(shí)，通過(guò)常規(guī)分離得到處理的六方氮化硼；將3.0g處理的六方氮化硼、15.0mg氯化亞銅、30.0mg2，2聯(lián)吡啶以及200ml10.0mol/l1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽的二甲基甲酰胺溶液混合攪拌，在氮?dú)鈿夥障拢?5℃反應(yīng)16小時(shí)即得1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽接枝的六方氮化硼。
將28.5g超高分子量聚乙烯、6.1g碳纖維和2.8g1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽接枝的六方氮化硼在高速混料機(jī)中以10000r/min的速度進(jìn)行充分混合，然后轉(zhuǎn)移至50mm×60mm的模具中熱壓燒結(jié)，3小時(shí)室溫升至180℃，冷卻過(guò)程中每隔15min進(jìn)行排氣、加壓至10mpa，待冷卻至120℃脫模。
實(shí)施例3
將2.5g六方氮化硼在2.0mol/l氫氧化鈉溶液中120℃加熱回流3小時(shí)，過(guò)濾取出之后加入100ml1.25mol/l3-氯丙基三甲氧基硅烷丙酮溶液，50℃攪拌反應(yīng)20小時(shí)，通過(guò)常規(guī)分離得到處理的六方氮化硼；將2.5g處理的六方氮化硼、12.5mg氯化亞銅、37.5mg2，2聯(lián)吡啶以及200ml8.0mol/l1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽的二甲基甲酰胺溶液混合攪拌，在氮?dú)鈿夥障拢?0℃反應(yīng)18小時(shí)即得1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽接枝的六方氮化硼。
將25.4g超高分子量聚乙烯、6.0g碳纖維以及2.3g1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽接枝的六方氮化硼，在高速混料機(jī)中以12000r/min的速度進(jìn)行充分混合，然后轉(zhuǎn)移至50mm×60mm模具中熱壓燒結(jié)，4小時(shí)室溫升至200℃，冷卻過(guò)程中每隔10min進(jìn)行排氣、加壓至8mpa，待冷卻至100℃脫模。
實(shí)施例4
將32.4g超高分子量聚乙烯、6.8g碳纖維以及3.3g六方氮化硼在高速混料機(jī)中以10000r/min進(jìn)行充分混合，然后轉(zhuǎn)移至50mm×60mm模具中，2小時(shí)室溫升至200℃，冷卻過(guò)程中每隔10min進(jìn)行排氣、加壓至8mpa，待冷卻至100℃脫模。
實(shí)施例5
將32.4g超高分子量聚乙烯和6.8g碳纖維在高速混料機(jī)中以10000r/min進(jìn)行充分混合，然后轉(zhuǎn)移至50mm×60mm模具中，2小時(shí)室溫升至200℃，冷卻過(guò)程中每隔10min進(jìn)行排氣、加壓至8mpa，待冷卻至100℃脫模。
本發(fā)明采用ms-ect3000電化學(xué)腐蝕摩擦磨損試驗(yàn)儀對(duì)實(shí)施例1，4以及5中各材料進(jìn)行原位電化學(xué)摩擦實(shí)驗(yàn)。超高分子量聚乙烯復(fù)合材料加工成頂端為直徑為4mm的半圓球，半球以下部分為4mm×4mm×12mm的銷試樣。測(cè)試條件為：對(duì)偶盤為316不銹鋼，初始端面粗糙度ra≈0.2~0.3μm；試驗(yàn)加載力50n，轉(zhuǎn)速100r/min，海水介質(zhì)為按照標(biāo)準(zhǔn)（astm，d1141-98）進(jìn)行配制的海水，并同其在去離子水中的電化學(xué)摩擦實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，所得結(jié)果見(jiàn)附表1。
磨損率的計(jì)算公式：
ws=[πr2/180arcsin(b/2r)-b/4(4r2-b2)1/2]2πr/fl(mm3/nm)
其中，ws為聚合物的體積磨損率（mm3/nm），r聚合物球的半徑（mm），b為聚合物磨痕的寬度（mm），f為法向施加的力（n），l為滑動(dòng)距離（m）。
本發(fā)明的超高分子量聚乙烯多元納米復(fù)合材料（實(shí)施例1和實(shí)施例4）與傳統(tǒng)的復(fù)合材料（實(shí)施例5）相比，由于摩擦界面反應(yīng)邊界膜的快速形成，在海水潤(rùn)滑條件下具有優(yōu)異的耐磨性能。此外，與實(shí)例5相比，添加離子液體接枝的六方氮化硼，可明顯降低海水潤(rùn)滑條件下金屬對(duì)偶的腐蝕電位。證實(shí)了六方氮化硼摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)摩擦表面的保護(hù)作用。
表1超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的在不同水潤(rùn)滑條件下的開(kāi)路電位、摩擦系數(shù)以及磨損率。
從表1可以看出，實(shí)施例1得到超高分子量聚乙烯多元納米復(fù)合材料在海水中的摩擦系數(shù)和磨損率在三種材料中最低，開(kāi)路電位最高。實(shí)施例5種沒(méi)有加入氮化硼的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料在海水中的摩擦系數(shù)和磨損率最高，開(kāi)路電位最低。此外，實(shí)施例1、4和5得到的復(fù)合材料在海水中的摩擦性能都優(yōu)于在去離子水中的摩擦性能。