专利名称：耐水抗磨自润滑材料及制备方法
技术领域：
本发明是关于一种适用于水介质中的耐水耐磨自润滑填充高分子复合材料及其制备方法。
自润滑高耐磨材料是摩擦学领域近年来为解决特定工况条件下材料的摩擦磨损问题而发展起来的一类具有特殊用途的新材料。普通高分子及其复合材料在水介质中和潮湿环境下的抗磨损性能显著降低，其磨损率为干摩擦条件下的10～20倍，如何解决水介质中和潮湿环境下聚合物复合材料的摩擦磨损问题，是当今国家基础建设和民用日常生活所迫切需要解决的技术难题。
各种填料填充增强高分子复合材料作为一大类材料在许多领域获得了广泛的应用，解决了许多其它材料所不能解决的重大技术难题。纳米材料作为一类具有独特性能的新型材料，已经成为跨世纪材料科学研究的热点，它的发展为常规材料的研究和应用增添了新的内容。目前，纳米材料在金属材料和陶瓷材料领域已有了较大的发展，而在高分子材料领域的研究和应用刚刚起步，国内外尚未见到有关该类填充材料作为水介质中和潮湿环境条件下使用的耐磨自润滑高分子复合材料的研究和应用报道，更尚未见到有关专利报道。
本发明的目的是提供一种耐水、低密度、耐磨自润滑的填充高分子复合材料，解决水介质和潮湿环境工况条件下材料的适应性问题和有关的摩擦学问题。
本发明的另一个目的是提供上述耐水抗磨自润滑填充高分子复合材料的制备方法。
本发明的目的通过如下措施来实现本发明的耐水抗磨自润滑材料的组成重量百分含量为聚醚醚酮 35～80聚酰亚胺 5～50石墨 5～40纳米碳化硅2.5～20纳米二氧化硅 0～20选用微粒直径小于100nm的纳米碳化硅和纳米二氧化硅，以及粒径小于25μm的石墨。
聚醚醚酮的粘度为η＝0.6～0.9，选用粉末粒径小于100μm的聚醚醚酮原粉。
聚酰亚胺为可熔性聚酰亚胺，选用粉末粒径小于100μm的聚酰亚胺原粉。
本发明的制备方法依次包括如下步骤(1)称取纳米碳化硅2.5～20和二氧化硅0～20，加入足以使物料润湿的溶剂，用超声波进行处理，使其充分分散均匀，所加入的溶剂可以是乙醇，以及氯代烃溶剂中的一种；(2)称取聚醚醚酮35～80和聚酰亚胺5～50以及石墨5～40，加到按(1)所制成的纳米微粒分散液中，用超声波或球磨的方法进行处理，充分混合分散均匀，并使其干燥；(3)将按(2)处理后的混合物放入模具中，加压至3MPa，然后以10℃/分钟的升温速度升温，待温度升至300～350℃，恒温15分钟，然后加压至5～15MPa，并继续升温至360～380℃，恒温10～60分钟，然后在保压条件下冷却，采用自然冷却或用冰急速冷却的方法使模具温度降到100℃以下脱模。在上述热压过程中为防止气泡产生，应随时注意放气。
本发明选用聚醚醚酮和耐温聚酰亚胺作为主体材料是为了保证产品具有优异的强度和耐热性，同时也考虑了工艺的可行性。所用聚醚醚酮的玻璃化温度为143℃，熔点为334℃，该材料具有优异的机械性能和耐化学药品腐蚀性能。所用聚酰亚胺为可熔性聚酰亚胺，该材料具有优良的工艺适应性能、机械性能和耐高温性能。
本发明选用纳米碳化硅、二氧化硅和石墨作为填料是为了保证产品同时具有低的摩擦系数和磨损率，而又具有良好的机械性能和耐水性能。
本发明中热压恒温后，冷却方式的选择可以控制产品中高分子材料的结晶状态，进而影响产品的性能，一般而言，随炉自然冷却的产品柔顺性好，用冰急速冷却的产品的刚性则更好。
本发明产品的最大特点是在水介质和潮湿环境工况条件下具有优异的耐磨特性和低的摩擦系数。同时，本产品还具有耐高温、低密度、耐辐射和其它特殊环境等特性，该产品具有良好的可加工性能，适宜制作各种形状的小型零部件。
本发明产品的主要性能指标如下1.密 度1.44～1.85g/cm32.抗弯强度 ≥130MPa3.硬 度28～38 HBS(5/62.5/60)4.摩擦系数 0.06～0.165.磨损率＜4.5×10-6mm3/(N.m)6.适用温度范围 -100℃～+250℃。
本发明产品适用于制作水介质和潮湿环境工况条件下具有低摩擦高耐磨性能的摩擦磨损部件，可用于要求耐水、低密度、耐磨自润滑的交通、能源、农业和水利部门，作为轴承、齿轮、滑块和活塞环等部件；由于其抗辐射和耐温性能都较好，也适用于原子能反应堆的某些零部件；另外由于其无污染、无公害，因而也可广泛应用在机械、化工、仪表、食品、医疗器械、家用小型电器等行业。
实施例1称取纳米碳化硅3g、纳米二氧化硅2g，加入乙醇50ml，用超声波处理5分钟后加入可熔性的聚酰亚胺15g和聚醚醚酮30g以及石墨5g，球磨3小时，然后将该混合物用红外线烘干除去其中溶剂和水汽。放入模具中热压，加压至3MPa，以10℃/min的升温速度升温，待温度升至300℃，恒温15分钟，然后加压至5MPa，并继续升温至380℃，恒温20分钟，然后在保压条件下自然冷却，当模具温度降到100℃以下脱模即可。材料性能满足上述指标。在上述热压过程中每间隔5分钟放气一次。实施例2称取纳米碳化硅2g，加入50ml三氯甲烷，用超声波处理5分钟。加入称取好的可熔性的聚酰亚胺5g和聚醚醚酮40g以及石墨10g，球磨4小时后，用加热和真空干燥的方法除去溶剂和水汽，放入模具中热压成型。加压至3MPa，以10℃/min的升温速度升温，待温度升至320℃，恒温15分钟，然后加压至5MPa，并继续升温至375℃，恒温25分钟，然后在保压条件下用冰急速冷却，当模具温度降到100℃以下脱模即可。材料性能满足上述指标。在上述热压过程中每间隔5分钟放气一次。实施例3称取纳米纳米碳化硅1g、二氧化硅2g，加入50ml乙醇中超声处理5～10分钟，然后加入聚酰亚胺5g、聚醚醚酮30g和石墨5g，再超声波处理15分钟混合均匀。将该混合物用真空加热干燥的方法除去溶剂和水汽后，放入模具热压成型。加压至3MPa，以10℃/min的升温速度升温，待温度升至300℃，恒温15分钟，然后加压至5MPa，并继续升温至370℃，恒温30分钟，然后在保压条件下自然冷却，当模具温度降至100℃以下脱模即可。材料性能满足上述指标。在上述热压过程中，每间隔5分钟放气一次。实施例4称取纳米碳化硅3g，加入50ml乙醇，用超声波处理5分钟。加入称取好的可熔性的聚酰亚胺15g和聚醚醚酮15g以及石墨5g，球磨4小时后，用加热和真空干燥的方法除去溶剂和水汽，放入模具中热压成型。加压至3MPa，以10℃/min的升温速度升温，待温度升至340℃，恒温25分钟，然后加压至5MPa，并继续升温至380℃，恒温25分钟，然后在保压条件下用冰急速冷却，当模具温度降到100℃以下脱模即可。材料性能满足上述指标。在上述热压过程中每间隔5分钟放气一次。实施例5称取纳米碳化硅2g、纳米二氧化硅1g，加入乙醇50ml，用超声波处理15分钟后加入可熔性的聚酰亚胺5g和聚醚醚酮40g以及石墨10g，球磨3小时，然后将该混合物用红外线烘干除去其中溶剂和水汽。放入模具中热压，加压至3MPa，以10℃/min的升温速度升温，待温度升至320℃，恒温15分钟，然后加压至5MPa，并继续升温至370℃，恒温20分钟，然后在保压条件下自然冷却，当模具温度降到100℃以下脱模即可。材料性能满足上述指标。在上述热压过程中每间隔5分钟放气一次。
权利要求
1.一种耐水抗磨自润滑高分子复合材料，其特征在于组成重量百分含量为聚醚醚酮35～80聚酰亚胺5～50石墨5～40纳米碳化硅 2.5～20纳米二氧化硅0～20其中，纳米碳化硅和纳米二氧化硅的微粒直径小于100nm，石墨的粒径小于25μm，聚醚醚酮的粘度为η＝0.6～0.9；聚酰亚胺为可熔性聚酰亚胺。
2.如权利要求1所述材料的制备方法，其特征在于(1)称取纳米碳化硅2.5～20和二氧化硅0～20，加入足以使物料润湿的溶剂，用超声波进行处理，使其充分分散均匀，所加入的溶剂可以是乙醇，以及氯代烃溶剂中的一种；(2)称取聚醚醚酮35～80和聚酰亚胺5～50以及石墨5～40，加到按(1)所制成的纳米微粒分散液中，用超声波或球磨的方法进行处理，充分混合分散均匀，并使其干燥；(3)将按(2)处理后的混合物放入模具中，加压至3MPa，然后以10℃/分钟的升温速度升温，待温度升至300～350℃，恒温15分钟，然后加压至5～15MPa，并继续升温至360～380℃，恒温10～60分钟，然后在保压条件下冷却，采用自然冷却或用冰急速冷却的方法使模具温度降到100℃以下脱模。
全文摘要
一种适用于水介质中的耐水、低密度、耐磨自润滑高分子复合材料,由聚醚醚酮和聚酰亚胺等热塑性耐高温聚合物、石墨、纳米碳化硅和纳米二氧化硅等纳米微粒组成,其产品具有良好的可加工性能,优良的耐水性能、耐磨自润滑性能、耐热性能、耐辐射性能,适用于水介质中、潮湿、辐射、腐蚀等特殊环境,可广泛应用在交通、能源、水利、机械、化工、仪表、医疗、食品、家用小型电器等行业。
文档编号F16N15/04GK1270188SQ0010667
公开日2000年10月18日 申请日期2000年4月17日 优先权日2000年4月17日
发明者王齐华, 陈建敏, 刘维民, 李同生 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所