一种高分子复合材料轴承及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种高分子复合材料轴承及其制备方法，属于复合材料技术领域。解决了现有技术中酚醛树脂类高分子轴承在长期的运转过程中由于自身弹性差及轴线倾斜的偏振，导致轴承磨损加剧的问题。本发明的方法首先制备聚氨酯预聚体，然后湿法纺丝得到聚氨酯纤维，再将聚氨酯纤维浸润到含有酚醛树脂的溶液中，待溶剂烘干后，得到复合纤维，最后将复合纤维缠绕在轴承模芯上，加压热固化成型，得到复合材料轴承。本发明的方法制备的轴承具有高承载、耐高低温变、耐热水解、耐热老化、耐磨、可短时缺水干启动及轴线倾斜自矫正等优点，使用寿命长，可广泛应用于船舶舵轴承、艉轴承和艉滚筒等领域。
【专利说明】
一种高分子复合材料轴承及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高分子复合材料轴承及其制备方法，属于复合材料技术领域。
【背景技术】
[0002] 船用轴承对材料要求很高，要求具备很高的压缩强度，较高的抗冲击强度，耐磨性 好，摩擦系数低，随着材料工业的发展，高分子轴承由于具有环境友好、结构简单、摩擦系数 低、安全性能高等优点，成为新一代船用轴承材料，被广泛应用于船舶、舰艇、海洋工程、水 栗、水轮机等领域。
[0003] 现有技术中，用于船舶舵轴承、艉轴承和艉滚筒等领域的高分子轴承的种类主要 有尼龙、聚氨酯橡胶、超高分子量聚乙烯、聚醚醚酮、聚醚砜以及酚醛树脂等，其中能够满足 比压大于20MPa的高分子材料有尼龙、聚醚醚酮、聚醚砜以及酚醛树脂。在这几种材料中，尼 龙是热塑性树脂，不能用于缺水干启动，应用范围窄；聚醚醚酮与聚醚砜材料成本高，加工 条件苛刻;酚醛树脂耐热性好，且易加工，相对价格低，相比于其他几种材料更适合用作高 分子轴承，但是，酚醛树脂的弹性较差，轴承在长期的运转过程中会产生轴线倾斜的偏振， 酚醛树脂轴承不能根据倾斜产生相应的弹性变形，从而导致轴承磨损加剧。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是解决现有技术中酚醛树脂类高分子轴承在长期的运转过程中由 于自身弹性差及轴线倾斜的偏振，导致轴承磨损加剧的问题，提供一种高分子复合材料轴 承及其制备方法。
[0005] 本发明的一种高分子复合材料轴承的制备方法，步骤如下：
[0006] 步骤一、将聚醚多元醇真空脱水，冷却后，加入装有二异氰酸酯的反应装置中，惰 性气氛下，50-80 °C反应l_3h后，加入耐磨助剂，继续搅拌反应10-30min后，降温至40-50°C 的同时真空脱泡，得到聚氨酯预聚体；
[0007] 所述的聚醚多元醇为聚四氢呋喃醚二醇、聚环氧丙烷醚二醇和端羟基聚丁二烯中 的一种；
[0008] 所述的耐磨助剂为聚四氟乙烯微粉、超高分子量聚乙烯微粉、石墨和二硫化钼中 的一种；
[0009] 所述聚醚多元醇、二异氰酸酯和耐磨助剂的质量比为（100-200) :(35-200) :(30-60)；
[0010] 步骤二、搅拌下，向步骤一得到的聚氨酯预聚体中加入含有扩链剂的溶剂，混合均 匀后，真空脱泡，得到纺丝原液，湿法纺丝，得到聚氨酯纤维；
[0011] 所述的扩链剂为1，4_ 丁二醇、二氯-二氨基二苯基甲烷和二甲硫基甲苯二胺中的 一种；
[0012] 步骤三、将步骤二得到的聚氨酯纤维牵引入热固型酚醛树脂溶液中，浸润后，牵 出，烘干溶剂，得到表面包裹酚醛树脂的聚氨酯复合纤维；
[0013] 步骤四、将步骤三得到的复合纤维缠绕在预热至100-120°c轴承模芯上，将缠有复 合纤维的轴承模芯整体放入模具中，合模加压热固化成型，脱模，冷却，得到复合材料轴承；
[0014] 所述加压热固化成型的温度为150-180°c，压力为5-15MPa，时间为lOmin以上。
[0015] 优选的，步骤二中，所述的溶剂为甲苯、丙酮和二甲基甲酰胺中的一种。
[0016] 优选的，步骤二中，所述的聚氨酯纤维的纤度为50-200teX。
[0017] 优选的，步骤二中，所述扩链剂中活泼氢与聚氨酯预聚体中异氰酸根的摩尔比为 1:0.9-1:1.1;纺丝原液中，聚氨酯预聚体的固含量为30-60% ;
[0018] 优选的，步骤三中，所述热固型酚醛树脂溶液的固含量为80-300%。
[0019] 优选的，步骤三中，所述的牵引速率为l-l〇mm/s。
[0020] 本发明还提供上述高分子复合材料轴承的制备方法制备的高分子复合材料轴承。
[0021] 与现有技术相比，本发明的有益结果：
[0022] 1、本发明的复合材料轴承的制备方法先采用聚氨酯纤维浸润酚醛树脂溶液得到 复合材料纤维，然后采用缠绕成型制备复合材料轴承，该方法在保持酚醛树脂的高承载能 力的基础上，引入高硬、高耐磨的聚氨酯纤维"骨架"，增加了轴承的柔弹性，在轴承的运转 过程中，当轴线倾斜，轴承与轴接触面的压力变大，本发明的复合材料轴承能够通过"骨架" 的弹性屈服自矫正，使轴承保持与轴线同步倾斜，避免了局部区域的负载荷，出现加剧磨损 的情况，提高了轴承的抗冲击性并起到减震的效果；
[0023] 再者，聚氨酯纤维"骨架"具有优异的耐低温性能，可以实现液氮或者干冰冷冻过 盈安装，复合材料轴承整体优良的弹性，能够保障安装过程的精度要求不需要特别苛刻，且 过盈安装后利用自身膨胀压力能够与外套金属紧密固定，不需要额外的胶粘剂辅助，整个 安装过程快捷方便；
[0024] 另外，可以通过调节"骨架"的纤度粗细、酚醛包裹层的厚度来调节复合材料轴承 的硬度及柔弹性，以此适用于不同的承载比压需求。
[0025] 2、本发明的复合材料轴承具有高承载、耐高低温变、耐热水解、耐热老化、耐磨、可 短时缺水干启动及轴线倾斜自矫正等优点，使用寿命长，可广泛应用于船舶舵轴承、艉轴承 和艉滚筒等领域。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明的高分子复合材料轴承的制备方法中制备复合纤维的工艺流程示意 图；
[0027] 图1中，1、聚氨酯纤维，2、导线轮，3、热固型酚醛树脂溶液，4、导线轮，5、包裹酚醛 树脂的聚氨酯复合纤维，6、通有热空气的甬道，7、转动轮。
【具体实施方式】
[0028] 为了进一步了解本发明，下面结合【具体实施方式】对本发明的优选实施方案进行描 述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利 要求的限制。
[0029] 本发明的酚醛-聚氨酯复合轴承的制备方法，步骤如下：
[0030]步骤一、聚氨酯预聚体的制备
[0031] 在密闭结构的不锈钢反应釜中将聚醚多元醇加热至100-120 °C，优选110°C，进行 真空脱水，真空度为〈lOOOPa，脱水时间为l-3h，优选3h;将脱水后的聚醚多元醇冷却到40-60°C，然后缓慢的加入到装有二异氰酸酯中不锈钢反应釜内，在惰性氛围下(一般为氮气）， 保持反应温度为50-8(TC，搅拌反应l_3h后，优选70°C搅拌lh，加入耐磨助剂，再搅拌反应 10-30min，优选30min后，降温至40-50°C的同时真空脱泡，真空脱泡的真空度为10-100Pa， 时间为10_30min，即得到聚氨酯预聚体；
[0032] 其中，聚醚多元醇为聚四氢呋喃醚二醇、聚环氧丙烷醚二醇和端羟基聚丁二烯中 的一种;二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯或者二苯基甲烷二异氰酸酯；耐磨助剂为聚四氟乙 烯微粉、超高分子量聚乙烯微粉、石墨和二硫化钼中的一种；聚醚多元醇、二异氰酸酯和耐 磨助剂的质量比为（100-200): (35-200): (30-60)。
[0033]步骤二、聚氨酯纤维的制备
[0034] 搅拌下，向步骤一的聚氨酯预聚体中慢慢加入含有扩链剂的溶剂，混合均匀后，真 空脱泡，真空脱泡的真空度为l〇-l〇〇Pa，时间为10-30min，得到纺丝原液，采用湿法纺丝制 备聚氨酯纤维，纤度为50_200tex;
[0035] 其中，扩链剂为1，4-丁二醇、二氯-二氨基二苯基甲烷(MOCA)、二甲硫基甲苯二胺 (E-300)中的一种;溶剂为甲苯、丙酮、二甲基甲酰胺中的一种;聚氨酯预聚体与扩链剂的摩 尔比为1:0.9-1:1.1;纺丝原液中，聚氨酯预聚体的固含量为30-60% ;
[0036] 湿法纺丝为本领域技术人员公知常识，即：先用计量栗将纺丝原液定量均匀地压 入纺丝头，然后在压力的作用下，纺丝原液从喷丝板毛细孔中被挤出形成丝条细流，并进入 通有热空气的甬道，丝条细流中的溶剂迅速挥发，并被空气带走，丝条浓度不断提高直至凝 固，与此同时丝条细流被拉伸变细，最后被卷绕成卷装，即得聚氨酯纤维。
[0037]步骤三、聚氨酯纤维包覆酚醛树脂
[0038]如图1所示，将聚氨酯纤维1通过导线轮2和导线轮4牵引入的热固型酚醛树脂溶液 3中，浸润后牵出进入通有热空气的甬道6,热固型酚醛树脂溶液3的溶剂被烘干，得到表面 包裹酚醛树脂的聚氨酯复合纤维5，缠绕在转动轮7上；
[0039]其中，酚醛树脂溶液中固含量为80%_300%，聚氨酯纤维的浸润次数和程度根据 实际需要确定，优选该过程的牵引速率为l-l〇mm/s;
[0040] 步骤四、轴承成型
[0041] 将步骤三得到的复合纤维缠绕在预热至100-12(TC轴承模芯上，将缠有复合纤维 的轴承模芯整体放入模具中，合模加压热固化成型，缠绕在轴承模芯上的复合纤维的酚醛 树脂彼此粘结，脱模，室温冷却，得到复合材料轴承；
[0042] 其中，缠绕的方式一般采用从模芯一端到模芯另一端连续缠绕，再从模芯的另一 端到模芯一端连续缠绕，多次重复缠绕，至轴承需要的厚度;预热方法没有特殊限制，一般 是置于150-180 °C平板硫化机中至温度均匀，一般10-30min;加压热固化成型的温度为150-180°C，压力为5-15MPa，时间为10min以上，优选10-30min，设备一般采用平板硫化机;模芯 的形状没有特殊限制，根据需要选择即可，一般为圆柱形模芯。
[0043] 本发明的方法中，通过控制酚醛树脂溶液的固含量以及浸润次数，能够调节包裹 层酚醛树脂的厚度和含量。再通过包裹层酚醛树脂的厚度、含量以及聚氨酯纤维的粗细来 控制复合材料轴承整体的硬度及柔韧性，以此适用于不同的承载比压需求。
[0044] 为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明。
[0045] 实施例1
[0046] 高分子复合材料轴承的制备方法：
[0047] 步骤一、先在密闭结构的不锈钢反应釜中将2000g，分子量为2000的聚四氢呋喃醚 二醇加热至110°c，真空脱水3h(真空度〈lOOOPa)，然后将脱水后的聚四氢呋喃醚二醇冷却 到60°C，缓慢的加入到装有350g的甲苯二异氰酸酯的不锈钢反应釜内，在氮气氛围下，保持 反应温度为70°C，搅拌反应lh后，加入300g的聚四氟乙烯微粉，再搅拌反应0.5h，降温到50 °(：的同时真空脱泡，真空脱泡的真空度为lOOPa，时间为lOmin，得到聚氨酯预聚体；
[0048]步骤二、搅拌下，向步骤一得到的聚氨酯预聚体中慢慢加入含有90gl，4_ 丁二醇的 3000mL甲苯溶液中，混合均匀后，真空脱泡，真空脱泡的真空度为100Pa，时间为10min，得到 纺丝原液，用计量栗按照lkg/min的转速，将纺丝原液均匀地压入纺丝头，在压力的作用下， 纺丝原液从喷丝板毛细孔中被挤出形成丝条细流，并进入通有热空气的甬道，丝条细流中 的甲苯迅速挥发，并被空气带走，丝条浓度不断提高直至凝固，与此同时丝条细流被拉伸变 细，最后被卷绕成卷装，即得纤度为80tex的聚氨酯纤维；
[0049] 步骤三、将聚氨酯纤维通过导向轮(牵引速度5mm/s)浸入固含量为100%的酚醛树 脂乙醇溶液，浸润后牵引进入通有热空气的甬道，将乙醇烘干，即得到表面包裹酚醛树脂的 聚氨酯复合纤维；
[0050] 步骤四、将复合纤维缠绕在预热至120°C的圆柱筒模芯上，放入模具中加压热固化 成型，加压热固化成型温度为180°C，压力为5MPa，时间为30min，缠绕的复合纤维整体固化 成型，即得复合材料轴承。
[0051 ] 实施例2
[0052]高分子复合材料轴承的制备方法：
[0053] 步骤一、先在密闭结构的不锈钢反应釜中将1000g，分子量为1000的聚环氧丙烷醚 二醇加热至120°C，真空脱水2h(真空度〈1000Pa)，然后将脱水后的聚环氧丙烷醚二醇冷却 到40°C，缓慢的加入到装有500g的二苯基甲烷二异氰酸酯的不锈钢反应釜中，在氮气氛围 下，保持反应温度为50°C，搅拌反应3h后，加入300g的超高分子量聚乙烯，降温至40°C的同 时真空脱泡，真空脱泡的真空度为l〇Pa，时间为30min，得到聚氨酯预聚体；
[0054]步骤二、搅拌下，向步骤一得到的聚氨酯预聚体中慢慢加入含有267g二氯-二氨基 二苯基甲烷的4000mL丙酮溶液中，混合均匀后，真空脱泡，真空脱泡的真空度为10Pa，时间 为30min，得到纺丝原液，用计量栗按照3kg/min的转速，将纺丝原液均匀地压入纺丝头，在 压力的作用下，纺丝原液从喷丝板毛细孔中被挤出形成丝条细流，并进入通有热空气的甬 道，丝条细流中的丙酮迅速挥发，并被空气带走，丝条浓度不断提高直至凝固，与此同时丝 条细流被拉伸变细，最后被卷绕成卷装，得纤度为160tex的聚氨酯纤维；
[0055] 步骤三、将聚氨酯纤维通过导向轮(牵引速度10mm/S)浸入固含量为150%的酚醛 树脂乙醇溶液，浸润后牵引进入通有热空气的甬道，将乙醇烘干，即得到表面包裹酚醛树脂 的聚氨酯复合纤维。
[0056] 步骤四、将复合纤维缠绕预热至11(TC的圆柱筒模芯上，放入模具中加压热固化成 型，加压热固化成型温度为150°C，压力为15MPa，时间为10min，缠绕的复合纤维整体固化成 型，即得复合材料轴承。
[0057] 实施例3
[0058] 高分子复合材料轴承的制备方法：
[0059] 步骤一、先在密闭结构的不锈钢反应釜中将1000g，分子量为1000的端羟基聚丁二 烯加热至ll〇°C，真空脱水3h(真空度〈lOOOPa)，然后将脱水后的端羟基聚丁二烯冷却到60 °C，缓慢的加入到装有350g甲苯二异氰酸酯的不锈钢反应釜中，在氮气氛围下，保持反应温 度为80°C，搅拌反应lh后，加入300g的二硫化钼，降温至45°C的同时真空脱泡，真空脱泡的 真空度为60Pa，时间为20min，得到聚氨酯预聚体；
[0060] 步骤二、搅拌下，向步骤一得到的聚氨酯预聚体中慢慢加入含有214g二甲硫基甲 苯二胺的1000mL二甲基甲酰胺溶液中，混合均匀后，真空脱泡，真空脱泡的真空度为70Pa， 时间为25min，得到纺丝原液，用计量栗按照0.5kg/min的转速，将纺丝原液均勾地压入纺丝 头，在压力的作用下，纺丝原液从喷丝板毛细孔中被挤出形成丝条细流，并进入通有热空气 的甬道，使丝条细流中的二甲基甲酰胺迅速挥发，并被空气带走，丝条浓度不断提高直至凝 固，与此同时丝条细流被拉伸变细，最后被卷绕成卷装，即得纤度为50tex的聚氨酯纤维；
[0061] 步骤三、将聚合物纤维通过导向轮(牵引速度lmm/s)浸入固含量为80%的酚醛树 脂乙醇溶液，浸润后牵引进入通有热空气的甬道，将乙醇烘干，即得到表面包裹酚醛树脂的 聚氨酯复合纤维；
[0062] 步骤四、将复合纤维缠绕在预热至110°C圆柱筒模芯上，放入模具中加压热固化成 型，加压热固化成型温度为160°C，压力为12MPa，时间为20min，缠绕的复合纤维整体固化成 型，即得复合材料轴承。
[0063] 对实施例1-3的复合材料轴承和现有技术中的酚醛树脂(PF)的硬度、拉伸轻度、摩 擦系数进行检测。其中摩擦系数测试实验，在MRH-3A型高速环块摩擦试验机上进行;测试条 件为:载荷66N，转速:21 Orpm，温度:25 ± 2°C。硬度的测试采用的国家标准为:GB/T 3398.2-2008塑料硬度测定。拉伸强度与断裂伸长率采用的国家标准为:GB/T 1040.1-2006塑料拉 伸性能的测定。测试结果如表1所示。
[0064]表1实施例1-3的复合材料轴承的性能检测结果
[0066]从表1可以看出，本发明的复合材料轴承相比于空白酚醛树脂，水润滑摩擦系数以 及干摩擦系数至少下降15%以上，同时，硬度有所降低，柔韧性明显提高，在保持酚醛基体 树脂优异的耐高低温变、耐热水解及耐热老化性能的基础上，能够解决由于韧性差而导致 的轴线倾斜的偏振引起的磨损问题。
【主权项】
1. 一种高分子复合材料轴承的制备方法，其特征在于，步骤如下： 步骤一、将聚醚多元醇真空脱水，冷却后，加入装有二异氰酸酯的反应装置中，惰性气 氛下，50-80°C反应卜3h后，加入耐磨助剂，继续搅拌反应10-30min后，降温至40-50°C的同 时真空脱泡，得到聚氨酯预聚体； 所述的聚醚多元醇为聚四氢呋喃醚二醇、聚环氧丙烷醚二醇和端羟基聚丁二烯中的一 种； 所述的耐磨助剂为聚四氟乙烯微粉、超高分子量聚乙烯微粉、石墨和二硫化钼中的一 种； 所述聚醚多元醇、二异氰酸酯和耐磨助剂的质量比为（100-200): (35-200): (30-60); 步骤二、搅拌下，向步骤一得到的聚氨酯预聚体中加入含有扩链剂的溶剂，混合均匀 后，真空脱泡，得到纺丝原液，湿法纺丝，得到聚氨酯纤维； 所述的扩链剂为1，4_ 丁二醇、二氯-二氨基二苯基甲烷和二甲硫基甲苯二胺中的一种； 步骤三、将步骤二得到的聚氨酯纤维牵引入热固型酚醛树脂溶液中，浸润后，牵出，烘 干溶剂，得到表面包裹酚醛树脂的聚氨酯复合纤维； 步骤四、将步骤三得到的复合纤维缠绕在预热至100-120°C轴承模芯上，将缠有复合纤 维的轴承模芯整体放入模具中，合模加压热固化成型，脱模，冷却，得到高分子复合材料轴 承； 所述加压热固化成型的温度为150-180 °C，压力为5-15MPa，时间为lOmin以上。2. 根据权利要求1所述的高分子复合材料轴承的制备方法，其特征在于，步骤一中，所 述的二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯或者二苯基甲烷二异氰酸酯。3. 根据权利要求1所述的高分子复合材料轴承的制备方法，其特征在于，步骤一中，所 述真空脱水的真空度为〈l〇〇〇Pa，时间为l-3h，温度为100-120 °C;真空脱水后，冷却到40-60 Γ。4. 根据权利要求1所述的高分子复合材料轴承的制备方法，其特征在于，步骤一和步 骤二中，所述真空脱泡的真空度为l〇-l〇〇Pa，时间为10-30min。5. 根据权利要求1所述的高分子复合材料轴承的制备方法，其特征在于，步骤二中，所 述的溶剂为甲苯、丙酮和二甲基甲酰胺中的一种。6. 根据权利要求1所述的高分子复合材料轴承的制备方法，其特征在于，步骤二中，所 述的聚氨酯纤维的纤度为50_200tex。7. 根据权利要求1所述的高分子复合材料轴承的制备方法，其特征在于，步骤二中，所 述扩链剂中活泼氢与聚氨酯预聚体中异氰酸根的摩尔比为1: 〇. 9-1:1.1;纺丝原液中，聚氨 酯预聚体的固含量为30-60%。8. 根据权利要求1所述的高分子复合材料轴承的制备方法，其特征在于，步骤三中，所 述热固型酚醛树脂溶液的固含量为80-300%。9. 根据权利要求1所述的高分子复合材料轴承的制备方法，其特征在于，步骤三中，所 述的牵引速率为l-l〇mm/s。10. 权利要求1-9任何一项所述的高分子复合材料轴承的制备方法制备的高分子复合 材料轴承。
【文档编号】B29C70/34GK106046663SQ201610356261
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】刘佳, 王杰, 郇彦
【申请人】长春安旨科技有限公司