一种低磨损自润滑材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种低磨损自润滑材料及其制备方法，属于高分子材料领域。

背景技术：

1、传统润滑件材料主要为橡胶，但大部分橡胶材料在润滑不足和高温高压工况下极易因磨损和分子链段断裂而失效，且大部分橡胶材料耐高低温交变和耐溶剂性能较差，无法满足极端工况要求。随着高端装备技术的迅猛发展，传统润滑件材料已不能满足工业要求。高强度、耐高低温、低摩擦磨损、性能稳定的自润滑材料成为该领域的关注点。摩擦系数小、耐高低温、耐溶剂的聚四氟乙烯材料将有望逐步替代橡胶材料，然而，聚四氟乙烯自润滑材料的研究仍面临诸多挑战。

2、聚四氟乙烯因其特殊的分子结构而具有无油自润滑性能，工业中利用聚四氟乙烯受热后的尺寸记忆效应加工成不同的工件以满足润滑性能。但其具有强度低、蠕变大和回弹性能差等缺点，严重影响聚四氟乙烯工件的使用寿命和可靠性，因此要对其进行改性，使其在不影响自润滑性能的情况下尽可能提高回弹性和耐磨损性能。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种低磨损自润滑材料及其制备方法，弥补聚四氟乙烯强度低、蠕变大和回弹性能差等缺点，耐磨损性能好。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、第一方面，本申请提供一种低磨损自润滑材料的制备方法，包括以下步骤：将含氟树脂、聚醚醚酮、改性碳纤维和金属硅粉除湿后混匀，得到混合料；将所述混合料冷压成型；然后烧结，得到所述低磨损自润滑材料；所述改性碳纤维为经过磺化聚醚醚酮上浆的碳纤维。

4、本申请提供的低磨损自润滑材料的制备方法制得的氟基材料得益于金属硅粉与特殊的改性碳纤维之间的协同作用，在保持自润滑性的前提下具有更高的硬度，用于润滑工件时磨损量低。

5、进一步地，所述混合料按质量计包括40份-80份所述含氟树脂、5份-40份所述聚醚醚酮，5份-25份所述改性碳纤维和1份-4份所述金属硅粉。

6、现有技术中通常使用二氧化硅、碳化硅、氮化硅等无机物作为填料来提高氟基材料的硬度和耐磨性，但过多无机填料带来三个缺点，一、无机填料会提高摩擦系数，即降低氟基材料的自润滑性能；二、无机填料容易磨损摩擦副中的对磨材料，使对磨材料变得粗糙，长久使用下增加对磨材料的摩擦系数；三、无机填料会降低氟基材料的化学稳定性及在高温高压下的稳定性。本申请发明人发现，磺化聚醚醚酮上浆过的改性碳纤维可以有效增强金属硅粉和高分子有机物间的界面结合力，使得氟基材料中可以掺入更少量的无机填料就能达到提高硬度的效果，在无机填料含量如此低的情况下，对氟基材料自润滑性、耐腐蚀性、耐高低温的负面影响几乎可以忽略不计，在保持自润滑性的前提下，使得复合材料具有更高的强度和韧性，磨损量低。

7、更进一步地，所述金属硅粉的粒径范围为40μm-70μm。合适尺寸的金属硅粉颗粒在摩擦副形成连续点接触摩擦工况，氟基材料在金属硅粉和对磨材料之间形成摩擦界面层，点接触使得基体接触面积降低，从而摩擦力也有所降低。如果金属硅粉的粒径过大，不仅会增加摩擦系数，损伤对磨材料，连氟基材料自身的磨损量都会提高。

8、进一步地，所述含氟树脂的粒径范围为20μm-60μm。

9、优选地，所述含氟树脂选自聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯或乙烯-四氟乙烯共聚物。更优选地，所述含氟树脂为悬浮聚四氟乙烯树脂。

10、进一步地，所述聚醚醚酮的粒径范围为25μm-50μm。聚醚醚酮的粒径尺寸与含氟树脂原料颗粒尺寸相近，有利于增加聚四氟乙烯成品强度和韧性等机械性能，并减少因材料粒径不均导致的尺寸变化问题。

11、进一步地，所述改性碳纤维的制备步骤包括：

12、将磺化聚醚醚酮分散在极性溶剂中，得到上浆剂；

13、将酸化碳纤维加入到所述上浆剂中，在超声环境下加热处理，超声功率80w-400w，温度50℃-75℃，处理时间为30min-60min。

14、以该步骤制备的改性碳纤维更有效地增强无机填料和高分子有机物间的界面结合力，使得复合材料具有更高的强度和韧性，同时具有良好的摩擦性能。

15、进一步地，所述冷压成型的工艺要求为：压力50mpa-150mpa，时间5min-45min。采用冷压烧结生产的氟基材料不可避免地存在孔隙，如果孔隙过多，会影响氟基材料的强度，除了通过控制含氟树脂原料的粒径来调节最终孔隙率外，冷压成型的工艺也是控制孔隙率的关键，如果压力过高，虽然理论上会获得更低的孔隙率，但聚四氟乙烯属于强度较低的塑料，会造成含氟树脂滑移产生横向暗裂。在以上组分原料的基础上，采用该冷压成型工艺可以获得较为致密的氟基材料。

16、进一步地，所述烧结的工艺要求为：以150℃/h-200℃/h的升温速率从室温升至200℃-240℃，在该温度停留20min-60min；然后以50℃/h-70℃/h的升温速率升至320℃-385℃，在该温度停留1h-4h；再以30℃/h-80℃/h的降温速率降至200℃-240℃，在该温度停留1h-3h后自然冷却。

17、第二方面，本申请提供一种低磨损自润滑材料，由第一方面所述的制备方法制得。所得的低磨损自润滑材料所含无机成分种类少，在保持自润滑性的前提下，使得复合材料具有更高的强度和韧性，磨损量低。

18、本发明的有益效果是：本发明以含氟树脂和聚醚醚酮混合得到的复合体系作为自润滑高分子材料的基底，加入改性碳纤维和硅粉颗粒，得到具有摩擦系数更低，磨损率更小的氟基材料，改性碳纤维材料能有效改善硅粉填料和有机材料结合力，赋予复合材料较好的力学性能和热力学性能；硅粉颗粒与改性碳纤维协同增强并形成界面摩擦层，点接触使得基体接触面积降低，从而降低摩擦力，既增强了复合材料强度，又显著降低复合材料的摩擦系数和磨损率，该氟基材料可广泛适用于各类耐磨工况。

技术特征：

1.一种低磨损自润滑材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将含氟树脂、聚醚醚酮、改性碳纤维和金属硅粉除湿后混匀，得到混合料；将所述混合料冷压成型；然后烧结，得到所述低磨损自润滑材料；所述改性碳纤维为经过磺化聚醚醚酮上浆的碳纤维。

2.根据权利要求1所述的低磨损自润滑材料的制备方法，其特征在于，所述混合料按质量计包括40份-80份所述含氟树脂、5份-40份所述聚醚醚酮，5份-25份所述改性碳纤维和1份-4份所述金属硅粉。

3.根据权利要求2所述的低磨损自润滑材料的制备方法，其特征在于，所述金属硅粉的粒径范围为40μm-70μm。

4.根据权利要求2所述的低磨损自润滑材料的制备方法，其特征在于，所述含氟树脂的粒径范围为20μm-60μm。

5.根据权利要求4所述的低磨损自润滑材料的制备方法，其特征在于，所述含氟树脂为悬浮聚四氟乙烯树脂。

6.根据权利要求4所述的低磨损自润滑材料的制备方法，其特征在于，所述聚醚醚酮的粒径范围为25μm-50μm。

7.根据权利要求1所述的低磨损自润滑材料的制备方法，其特征在于，所述改性碳纤维的制备步骤包括：

8.根据权利要求1所述的低磨损自润滑材料的制备方法，其特征在于，所述冷压成型的工艺要求为：压力50mpa-150mpa，时间5min-45min。

9.根据权利要求1所述的低磨损自润滑材料的制备方法，其特征在于，所述烧结的工艺要求为：以150℃/h-200℃/h的升温速率从室温升至200℃-240℃，在该温度停留20min-60min；然后以50℃/h-70℃/h的升温速率升至320℃-385℃，在该温度停留1h-4h；再以30℃/h-80℃/h的降温速率降至200℃-240℃，在该温度停留1h-3h后自然冷却。

10.一种低磨损自润滑材料，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的制备方法制得。

技术总结
本发明公开了一种低磨损自润滑材料及其制备方法，属于高分子材料领域，方法为，将含氟树脂、聚醚醚酮、改性碳纤维和金属硅粉除湿后混匀，冷压成型，然后烧结，得到低磨损自润滑材料；其中，改性碳纤维为经过磺化聚醚醚酮上浆的碳纤维。该方法以含氟树脂和聚醚醚酮混合得到的复合体系作为自润滑高分子材料的基底，加入改性碳纤维和金属硅粉颗粒，改性碳纤维材料能有效改善硅粉填料和有机材料结合力，赋予复合材料较好的力学性能和热力学性能；硅粉颗粒与改性碳纤维协同增强并形成界面摩擦层，点接触使得基体接触面积降低，从而降低摩擦力，既增强了复合材料强度，又显著降低复合材料的摩擦系数和磨损率，该氟基材料可广泛适用于各类耐磨工况。

技术研发人员：李肖鹏,于呈呈,李磊,祁羽,李小磊,伍德民
受保护的技术使用者：季华实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11