形变自适应高分子轴承复合材料及其制备方法与应用与流程

本发明涉及一种形变自适应高分子轴承复合材料及其制备方法与应用，属于滑动轴承技术领域。

背景技术：

滑动轴承(slidingbearing)，是指在滑动摩擦下工作的轴承。常用的滑动轴承材料有轴承合金(又叫巴氏合金或白合金)、耐磨铸铁、铜基和铝基合金、粉末冶金材料、塑料、橡胶、硬木、碳石墨、聚四氟乙烯(特氟龙、PTFE)、改性聚甲醛(POM)等。其中，高分子材料制备的滑动轴承可以自润滑或采用水作润滑剂，相比于传统的金属类滑动轴承，具有无污染、耗能小、摩擦系数低、安全性能高等优势，因此在舰船上得到了广泛地应用。

高分子滑动轴承的摩擦层一般采用硫化橡胶、层压酚醛树脂、尼龙、聚氨酯等合成高分子材料。其中，橡胶材料具有优异的形变自恢复性能，可以对轴的变形产生自适应，避免局部应力集中导致轴承破坏，但橡胶材料由于具有固有的粘滑特性，在低速工况下摩擦系数较大，导致能耗增大，并且容易激励粘滑噪声。树脂材料低速粘滑特性不明显，具有较好的低速性能，但树脂材料模量远远高于橡胶材料，当轴变形时，树脂材料无法对轴变形，容易产生局部应力集中导致轴承急剧磨损。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有技术中橡胶类滑动轴承摩擦层低速摩擦系数大，存在粘滑噪声，树脂类滑动轴承摩擦层无法适应轴变形导致应力集中轴承破损的问题，提供一种形变自适应高分子轴承复合材料及其制备方法与应用。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。

形变自适应高分子轴承复合材料，由从外至内依次紧密排列背衬增强层、弹性中间层和摩擦面层组成；

所述背衬增强层的材料为纤维增强树脂复合材料；

所述弹性中间层的材料为软质聚氨酯，弹性中间层的硬度值为邵氏70-85A；

所述摩擦面层的材料为由硬质聚氨酯和润滑剂组成的复合材料，摩擦面层的硬度值为邵氏50-80D。

优选的，所述背衬增强层中，纤维为玻璃纤维或者碳纤维中的一种或多种，树脂为环氧树脂、酚醛树脂或者不饱和聚酯。

优选的，所述弹性中间层中，软质聚氨酯经聚氨酯预聚体扩链反应得到，聚氨酯预聚体的异氰酸酯基团质量百分含量为3％～6％，经异氰酸酯和多元醇反应得到。

优选的，所述摩擦面层中，由硬质聚氨酯与润滑剂组成的复合材料经聚氨酯预聚体扩链反应得到，聚氨酯预聚体的异氰酸酯基团质量百分含量为6％～15％，聚氨酯预聚体经异氰酸酯、多元醇和润滑剂反应得到。

优选的，所述多元醇为聚醚多元醇、聚酯多元醇中的一种或多种的混合；弹性中间层中，多元醇的数均分子量为400～8000，平均官能度为1.5～2.8；摩擦面层中，多元醇的数均分子量500～8000，平均官能度1.5～2.4。

优选的，所述异氰酸酯为四甲基二异氰酸酯(BDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、环己烷-1，4-二异氰酸酯(CHDI)、1，5萘二异氰酸酯(NDI)、甲苯-2，4-和/或2，6-二异氰酸酯(TDI)、二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)或者对苯二异氰酸酯(PPDI)。

优选的，所述扩链反应的扩链剂为二官能度扩链剂或者二官能度扩链剂与官能度在二以上的扩链剂的混合，其中，二官能度扩链剂为3，3'-二氯-4，4'-二氨基二苯基甲烷(MOCA)、二甲硫基二胺(DMTDA)、乙二醇、1，4丁二醇、1，6已二醇、1，3丙二醇、2-甲基1，3丙二醇中的一种或多种；官能度在二以上的扩链剂为三羟甲基丙烷或者季戊四醇。

优选的，所述润滑剂为石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯粉末、石蜡油中的一种或多种。

上述形变自适应高分子轴承复合材料的制备方法，步骤如下：

步骤一、将异氰酸酯和多元醇反应得到聚氨酯预聚体，然后采用扩链剂与聚氨酯预聚体进行扩链反应得到混合物，再将混合物浇注于纤维增强树脂复合材料上并固化成型，得到弹性中间层；

步骤二、将多元醇和润滑剂混合均匀后，与异氰酸酯反应得到聚氨酯预聚体，然后采用扩链剂与聚氨酯预聚体进行扩链反应得到混合物，再将混合物浇注到弹性中间层上固化成型得到摩擦面层；

上述形变自适应高分子轴承复合材料能够作为滑动轴承材料的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的形变自适应高分子轴承复合材料采用多层复合结构，使用纤维增强树脂作为背衬层，用于承载和装配；使用软质聚氨酯作为中间层，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，中间层对轴变形进行自适应调整，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；使用硬质聚氨酯复合材料作为摩擦面层，提高耐磨性能的同时消除粘滑噪声。

本发明的形变自适应高分子轴承复合材料的制备方法，简单易操作，采用现有的聚氨酯浇注工艺就能完成。

本发明的形变自适应高分子轴承复合材料能够对轴的变形产生自适应，防止局部应力集中导致轴承磨损，具有较低的水润滑和干摩擦系数，在低速状况下没有粘滑噪声，广泛适用于作为船舶的艉轴承、舵轴承、水泵的导向轴承、水轮机的导叶轴承和水导轴承等滑动轴承的轴承材料使用，尤其是作为摩擦层材料使用。

附图说明

图1为本发明实施例1的形变自适应高分子轴承复合材料结构示意图；

图2为本发明实施例2的形变自适应高分子轴承复合材料结构示意图。

具体实施方式

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。

形变自适应高分子轴承复合材料，由从外至内依次紧密排列的背衬增强层、弹性中间层和摩擦面层组成，整体形状及各层厚度没有特殊限制，均可以根据实际需要选择，整体形状常用的为圆筒形或者板材。

其中，背衬增强层用于承载和装配。背衬增强层的材料为纤维增强树脂复合材料，如玻璃纤维增强环氧树脂复合材料、玻璃纤维增强不饱和聚酯复合材料、玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料、碳纤维增强环氧树脂复合材料、碳纤维增强不饱和聚酯复合材料、碳纤维增强酚醛树脂复合材料等，以上材料均可以通过商购获得，如玻璃纤维增强环氧树脂圆筒、碳纤维增强不饱和聚酯纤维板。

弹性中间层的硬度为70-85A，弹性中间层对轴变形进行自适应调整，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。弹性中间层的材料为软质聚氨酯，软质聚氨酯经聚氨酯预聚体在扩链剂的作用下进行扩链反应得到；在扩链剂的作用下对聚氨酯预聚体进行扩链是本领域常规技术，通常扩链反应的温度为40-100℃，时间为0.5min-10min，扩链系数为0.8～0.95。其中，聚氨酯预聚体的异氰酸酯基团质量百分含量为3％～6％，经异氰酸酯和多元醇反应得到；异氰酸酯和多元醇反应制备聚氨酯预聚体为本领域技术人员常规技术，通常反应温度为60～130℃，反应时间为2～3h，异氰酸酯和多元醇的摩尔比为1:(2～3.5)。

摩擦面层的硬度为50～80D，摩擦面层能够提高耐磨性能的同时消除粘滑噪声。摩擦面层的材料为硬质聚氨酯和润滑剂的复合材料，硬质聚氨酯经聚氨酯预聚体在扩链剂的作用下进行扩链反应得到；在扩链剂的作用下对聚氨酯预聚体进行扩链是本领域常规技术，通常扩链反应的温度为40～100℃，时间为0.5～10min，扩链系数为0.85～0.95。其中，聚氨酯预聚体的异氰酸酯(NCO)基团质量百分含量为6％～15％，经异氰酸酯和多元醇反应得到；异氰酸酯和多元醇反应制备聚氨酯预聚体为本领域技术人员常规技术，通常反应温度为60～80℃，反应时间为2～3h，异氰酸酯和多元醇的摩尔比为1:(4～7)。润滑剂可在聚氨酯预聚体制备过程中或者聚氨酯预聚体扩链的过程中的任意时机加入，与体系混合，得到复合材料，通常，是先将润滑剂与多元醇混合，然后加入异氰酸酯制备聚氨酯预聚体。

上述弹性中间层和摩擦面层中，异氰酸酯为脂肪族异氰酸酯或者芳香族异氰酸酯，优选为二异氰酸酯，尤其优选四甲基二异氰酸酯(BDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、环己烷-1，4-二异氰酸酯(CHDI)、1，5萘二异氰酸酯(NDI)、甲苯-2，4-和/或2，6-二异氰酸酯(TDI)、二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)或者对苯二异氰酸酯(PPDI)。扩链剂为二官能度扩链剂(如二元醇、二元胺)，或者二官能度扩链剂和官能度为二以上的扩链剂的混合物，其中，二官能度扩链剂为3，3'-二氯-4，4'-二氨基二苯基甲烷(MOCA)、二甲硫基二胺(DMTDA)、乙二醇、1，4丁二醇、1，6已二醇、1，3丙二醇或者2-甲基1，3丙二醇中的一种或多种；官能度为二以上的扩链剂为三羟甲基丙烷或者季戊四醇。

上述弹性中间层和摩擦面层中，多元醇为聚醚多元醇、聚酯多元醇中的一种或多种的混合(包含不同类多元醇的混合(如聚醚多元醇和聚酯多元醇的混合)，和同类不同种多元醇的混合(如多种聚醚多元醇的混合))，常用的多元醇有聚四氢呋喃多元醇、聚己内酯多元醇和聚碳酸酯多元醇等。其中，弹性中间层中的多元醇数均分子量优选为400～8000，更优选600～5000，尤其优选600～2000，多元醇的平均官能度优选为1.5～2.8，更优选1.8～2.2，尤其优选2～2.2；摩擦面层中，多元醇的数均分子量优选500～8000，更优选600～5000，尤其优选1000～3000，多元醇的平均官能度优选1.5～2.4，更优选1.8～2.2，尤其优选2。摩擦面层中，润滑剂为石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯粉末、石蜡油中的一种或多种，润滑剂的用量为多元醇质量的5％-40％。

形变自适应高分子轴承复合材料的制备方法，步骤如下：

步骤一、按照上述弹性中间层的要求，将异氰酸酯和多元醇反应得到聚氨酯预聚体，然后采用扩链剂与聚氨酯预聚体进行扩链反应得到混合物，再将混合物浇注于纤维增强树脂复合材料上，并于90～130℃，1～30min条件下固化成型，得到弹性中间层；

步骤二、按照上述摩擦面层的要求，将异氰酸酯和润滑剂混合均匀，然后与多元醇反应得到聚氨酯预聚体，然后采用扩链剂与聚氨酯预聚体进行扩链反应得到混合物，再将混合物浇注到弹性中间层上，并于90～130℃，1～30min条件下固化成型，得到摩擦面层，即完成形变自适应高分子轴承复合材料的制备。

上述形变自适应高分子轴承复合材料能够作为船舶的艉轴承、舵轴承、水泵的导向轴承、水轮机的导叶轴承和水导轴承的轴承材料，尤其是作为摩擦层材料制备滑动轴承。

以下结合实施例进一步说明本发明。

实施例1

形变自适应高分子轴承复合材料的制备：

如图1所示，将1mol的聚四氢呋喃多元醇(分子量2000g/mol，平均官能度为2)与3mol的MDI在70℃下反应2h，得到NCO基团质量百分含量为5.6％的预聚体，然后采用1.8mol的1，4丁二醇与预聚体进行扩链反应，反应温度为40℃，时间为10min，得到混合物，采用离心机将混合物浇注到玻璃纤维增强环氧树脂圆筒的外壁上，固化成型后得到硬度为75邵氏A的弹性中间层；

将0.7mol的聚碳酸酯多元醇(分子量2000g/mol，平均官能度为2)、0.3mol的聚环氧丙烷多元醇(分子量400g/mol，平均官能度2)和76g二硫化钼混合均匀，然后与5mol的TDI在60℃下反应3h，得到NCO基团质量百分含量为13.0％的预聚体，然后采用1.2mol的MOCA、0.4mol的三羟甲基丙烷与预聚体进行扩链反应，反应温度为100℃，时间为0.5min，得到混合物，将混合物离心浇注于弹性中间层的外表面上，固化成型后得到硬度60邵氏D的硬质聚氨酯，完成复合材料的制备。

实施例2

形变自适应高分子轴承复合材料的制备：

如图2所示，将1mol的聚己内酯多元醇(分子量2000g/mol，平均官能度为2.2)与2.2mol的PPDI在70℃下反应3h，得到NCO基团质量百分含量为3.9％的预聚体，然后采用0.80mol的2甲基-丙二醇与预聚体进行扩链反应，反应温度为70℃，时间为10min，得到混合物，再将碳纤维增强不饱和聚酯纤维板放置于模具中，采用离心机将混合物浇注到碳纤维增强不饱和聚酯纤维板上，固化成型后得到硬度为80邵氏A的弹性中间层；

将0.2mol的聚碳酸酯多元醇(分子量2000g/mol，平均官能度为2)、0.8mol的聚四氢呋喃醚多元醇(分子量1000g/mol，平均官能度为2)、30g石墨、30g二硫化钼和32g聚四氟乙烯混合均匀，然后5.5mol的MDI在70℃下反应2h，得到NCO基团质量百分含量为14％的预聚体，然后采用3.2mol的1，4丁二醇和0.25mol的季戊四醇混合物与预聚体进行扩链反应，反应温度为60℃，时间为3min，得到混合物，再将混合物离心浇注于弹性中间层的外表面上，固化成型后得到硬度65邵氏D的摩擦面层，完成复合材料的制备。

实施例3

形变自适应高分子轴承复合材料的制备：

将0.1mol的聚己内酯多元醇(分子量500g/mol，平均官能度为1.5)，将0.9mol的聚己内酯多元醇(分子量3000g/mol，平均官能度为2)与2mol的NDI在130℃下反应1h，得到NCO基团质量百分含量为3.6％的预聚体，然后采用0.96mol的1,3丙二醇与预聚体进行扩链反应，反应温度为70℃，时间为3min，得到混合物，再将玻璃纤维增强酚醛树脂纤维板放置于模具中，采用离心机将混合物浇注到碳纤维增强酚醛树脂纤维板上，固化成型后得到硬度为70邵氏A的弹性中间层；

将0.8mol的聚碳酸酯多元醇(分子量3000g/mol，平均官能度为1.5)、0.2mol的聚四氢呋喃醚多元醇(分子量650g/mol，平均官能度为2)、276g石墨和200g石蜡油混合均匀，然后与4.0mol的TDI在70℃下反应2h，得到NCO基团质量百分含量为6.0％的预聚体，然后采用2.35mol的乙二醇和0.25mol的季戊四醇混合物与预聚体进行扩链反应，反应温度为70℃，时间为5min，得到混合物，再将混合物离心浇注于弹性中间层表面，固化成型后得到硬度50邵氏D的摩擦面层，完成复合材料的制备。

实施例4

形变自适应高分子轴承复合材料的制备：

将0.1mol的聚己内酯多元醇(分子量8000g/mol，平均官能度为2.8)、0.9mol的聚四氢呋喃醚多元醇(分子量2000g/mol，平均官能度2)与3.5mol的IPDI在80℃下反应2h，得到NCO基团质量百分含量为7.2％的预聚体，然后采用2.2mol的乙二醇进行扩链反应，反应温度为70℃，时间为3min，得到混合物，再将碳纤维增强环氧树脂纤维板放置于模具中，采用离心机将混合物浇注到碳纤维增强环氧树脂纤维板上，固化成型后得到硬度为85邵氏A的弹性中间层；

将0.2mol的聚碳酸酯多元醇(分子量2000g/mol，平均官能度为2.4)、0.8mol的聚环氧丙烷多元醇(分子量650g/mol，平均官能度2)和180g石墨混合均匀，然后与5.5mol的MDI在80℃下反应2h，得到NCO基团质量百分含量为15.0％的预聚体，然后采用3.7mol的1，4丁二醇和0.25mol的季戊四醇混合物与预聚体进行扩链反应，反应温度为70℃，时间为5min，得到混合物，再将混合物离心浇注于弹性中间层表面，固化成型后得到硬度80邵氏D的摩擦面层，完成复合材料的制备。

实施例5

形变自适应高分子轴承复合材料的制备：

将1mol的聚四氢呋喃多元醇(分子量3000g/mol，平均官能度为2.0)与3mol的CHDI在75℃下反应2.5h，得到NCO基团质量百分含量为4.8％的预聚体，然后采用1.8mol的MOCA与预聚体进行扩链反应，反应温度为70℃，时间为0.5min，得到混合物，采用离心机将混合物浇注到碳纤维增强环氧树脂圆筒的外壁上，固化成型后得到硬度为85邵氏A的弹性中间层；

将0.4mol的聚碳酸酯多元醇(分子量4000g/mol，平均官能度为2.2)、0.6mol的聚环氧丙烷多元醇(分子量1000g/mol，平均官能度2)和120g聚四氟乙烯粉末混合均匀，然后与4mol的HDI在60℃下反应3h，得到NCO基团质量百分含量为10.0％的预聚体，然后采用1.8mol的MOCA、0.6mol的三羟甲基丙烷与预聚体进行扩链反应，反应温度为60℃，时间为2min，得到混合物，将混合物离心浇注于弹性中间层的外表面上，固化成型后得到硬度65邵氏D的摩擦面层，完成复合材料的制备。

实施例6

形变自适应高分子轴承复合材料的制备：

将1mol的聚四氢呋喃多元醇(分子量2000g/mol，平均官能度为2)与3mol的MDI在70℃下反应2h，得到NCO基团质量百分含量为5.6％的预聚体，然后采用1.8mol的DMTDA与预聚体进行扩链反应，反应温度为60℃，时间为0.5min，得到混合物，采用离心机将混合物浇注到玻璃纤维增强不饱和聚酯圆筒的外壁上，固化成型后得到硬度为75邵氏A的弹性中间层；

将0.5mol的聚碳酸酯多元醇(分子量2000g/mol，平均官能度为2)、0.5mol的聚环氧丙烷多元醇(分子量400g/mol，平均官能度2)、180g二硫化钼混合均匀，然后与4mol的BDI在60℃下反应3h，得到NCO基团质量百分含量为13.0％的预聚体，然后采用2.1mol的乙二醇和0.4mol的三羟甲基丙烷与预聚体进行扩链反应，反应温度为60℃，时间为8min，得到混合物，将混合物离心浇注于弹性中间层的外表面上，固化成型后得到硬度75邵氏D的摩擦面层，完成复合材料的制备。

对比例1

硬度为75A的硫化丁腈橡胶材料。

对比例2

硬度为60D的硬质聚氨酯材料。

对实施例1-6的轴承复合材料以及对比例中的材料的摩擦性能进行检测。试验在MPV-50型轴承试验台架上进行；测试条件为：载荷2000N，转速：20rpm，温度：25±2℃，轴线与轴承偏心0.5°加载。

表1实施例1-6的复合材料轴承的性能检测结果

从表1可以看出，本发明的轴承复合材料，具有较低的水润滑和干摩擦系数，在低速状况下没有粘滑噪声，在轴线偏心状况下无局部严重磨损，具有自适应能力。