一种用于水润滑轴承的热固性聚氨酯材料及其制备方法

本发明涉及复合材料制备领域，尤其涉及一种用于水润滑轴承的热固性聚氨酯材料及其制备方法。

背景技术：

1、聚氨酯全名为聚氨基甲酸酯，是一类在分子链中含有较多的氨基甲酸酯基团的弹性聚合物材料。在制备过程中，通常以低聚物多元醇、多异氰酸酯和交联扩链剂为主要原料，在一定条件下反应制得。此外，为提高反应速率，改善材料性能等目的，还需要加入其他配合剂。从分子结构上来看，聚氨酯主链大分子是由玻璃化温度低于室温的软链和玻璃化温度高于室温的硬链嵌段而成，低聚物多元醇构成软链，多异氰酸酯和小分子交联扩链剂构成硬链，软段与硬段的交替排列形成材料中重复的结构单元。由于大量极性基团的存在，聚氨酯分子内及分子间形成氢键，分子链通过氢键产生物理交联作用。这些结构特点使得聚氨酯弹性体具有高弹性、耐磨性和耐腐蚀等出色的综合性能。

2、水润滑尾轴承是船舶推进系统的重要组成成分，轴承的稳定性、可靠性直接关乎船舶的航行安全。在材料选择上水润滑轴承与传统轴承存在较大差异，传统轴承通常选用金属材料并以油脂作为润滑介质，由于海水对金属材料有较强的腐蚀作用，因此水润滑轴承材料通常选用强度高、耐磨耐腐蚀的高分子材料。在水润滑工况下，聚氨酯材料具有良好的自润滑性能，其表面与水之间具有良好的亲和性，在轴与轴承之间形成润滑水膜实现流体动压润滑，减少轴承磨损提高其使用寿命。

3、目前用于水润滑轴承的聚氨酯材料面临着磨损严重、强度低和噪声大等问题，对其使用寿命产生较大的影响。为改善聚氨酯材料的耐磨性能，在实际使用中通常采用更换原料或填料改性等方法。例如专利cn103254387a公开一种高耐磨聚氨酯弹性体及其制备方法，通过在预聚体中加入超高分子量聚乙烯粉，提高聚氨酯弹性体的耐磨性与拉伸强度。专利cn109627413a公开一种高耐磨聚氨酯材料及其制备方法，通过加入纳米二硫化钼改性，使聚氨酯材料在硬度、柔顺性和耐磨性等方面有了显著提高。但是，在聚氨酯复合材料制备过程中，由于填料分布不均匀极易形成团聚现象，材料很难形成均一的结构，导致材料内部性能差异较大。专利cn103172823a公开了一种用于水润滑轴承聚氨酯复合材料的制备方法，采用预聚法合成的材料具有热稳定性好、耐磨性高、水润滑性能突出等优点。但是，在材料固化成型阶段没有考虑交联扩链剂含量对材料综合性能的影响。从以上现有技术可以看出，轴承材料是保证高性能水润滑轴承的必要前提，因此，提供一种能够在低速重载的工况下，具有良好水润滑性和承载能力的聚氨酯材料十分必要。

技术实现思路

1、针对以上现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于水润滑轴承的热固性聚氨酯材料及其制备方法。本发明提供的聚氨酯材料强度高、耐磨损，并且实现了以水做润滑剂，在低速、重载的工况下延长了聚氨酯材料轴承的使用寿命。

2、为实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：

3、本发明提供一种用于水润滑轴承的热固性聚氨酯材料，该聚氨酯材料包括tdi型预聚体和二胺型扩链剂；其中，扩链剂的氨基和预聚体的异氰酸根摩尔比为0.90～0.95。

4、优选的，tdi型预聚体由聚醚多元醇和甲苯二异氰酸酯反应得到。

5、优选的，聚醚多元醇为聚氧化丙烯多元醇、聚四氢呋喃多元醇中的至少一种。

6、优选的，聚醚多元醇的官能度为2，分子量为400～6000。

7、优选的，当聚醚多元醇为聚氧化丙烯多元醇时，tdi型预聚体中异氰酸根的百分含量为4.0％～8.5％；当聚醚多元醇为聚四氢呋喃多元醇时，tdi型预聚体中异氰酸根的百分含量为3.0％～10.0％。

8、优选的，二胺型扩链剂为3,3’-二氯-4,4’-二氨基二苯甲烷、3,5-二氨基对氯苯甲酸异丁酯、二乙基甲苯二胺中的一种或几种。

9、本发明还提供一种上述用于水润滑轴承的热固性聚氨酯材料的制备方法，包括以下步骤：

10、(1)材料预处理：将预聚体加热至90℃～95℃，然后抽真空至负压，再通入惰性气体使体系压力升至正压，得到a组分；将扩链剂加热熔融，得到b组分；

11、(2)材料固化成型：将a组分和b组分混合进行扩链反应，反应结束后快速浇入模具中进行初次固化，脱模后在100℃～120℃的温度下进行二次固化，得到用于水润滑轴承的热固性聚氨酯材料。

12、优选的，步骤(1)中，将预聚体加热至90℃～95℃，然后抽真空至压力≤-0.1mpa，再通入惰性气体使体系压力升至≥0.05mpa，得到a组分。

13、优选的，步骤(2)中，扩链反应的反应温度为120℃～130℃。

14、优选的，步骤(2)中，初次固化的温度为100℃～120℃，时间为2～10min。

15、本发明的有益效果是：

16、1、本发明通过控制预聚体和扩链剂的用量，改变聚氨酯材料分子组成和分子链的交联程度，提高了聚氨酯复合材料的承载能力。将本发明制备的聚氨酯材料用于水润滑轴承材料，摩擦磨损时产生的磨屑较少，表面较为光滑，有利于润滑水膜形成，改善润滑条件，同时避免了使用油脂润滑出现泄露导致环境污染等问题。

17、2、本发明提供的方法具有普适性，大多数通过预聚体和交联扩链剂浇注合成的热固性聚氨酯都可以通过选择适合的配比，将扩链剂的氨基和预聚体的异氰酸根摩尔比控制在0.90～0.95之间，便可获得具有低摩擦系数、适用于水润滑轴承的聚氨酯材料，且制备工艺简单、易于推广实施、可实现规模化生产。

技术特征：

1.一种用于水润滑轴承的热固性聚氨酯材料，其特征在于，包括tdi型预聚体和二胺型扩链剂；其中，所述扩链剂的氨基和所述预聚体的异氰酸根摩尔比为0.90～0.95。

2.根据权利要求1所述的用于水润滑轴承的热固性聚氨酯材料，其特征在于，所述tdi型预聚体由聚醚多元醇和甲苯二异氰酸酯反应得到。

3.根据权利要求2所述的用于水润滑轴承的热固性聚氨酯材料，其特征在于，所述聚醚多元醇为聚氧化丙烯多元醇、聚四氢呋喃多元醇中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的用于水润滑轴承的热固性聚氨酯材料，其特征在于，所述聚醚多元醇的官能度为2，分子量为400～6000。

5.根据权利要求3所述的用于水润滑轴承的热固性聚氨酯材料，其特征在于，当所述聚醚多元醇为聚氧化丙烯多元醇时，所述tdi型预聚体中异氰酸根的百分含量为4.0％～8.5％；当所述聚醚多元醇为聚四氢呋喃多元醇时，所述tdi型预聚体中异氰酸根的百分含量为3.0％～10.0％。

6.根据权利要求1所述的用于水润滑轴承的热固性聚氨酯材料，其特征在于，所述二胺型扩链剂为3,3’-二氯-4,4’-二氨基二苯甲烷、3,5-二氨基对氯苯甲酸异丁酯、二乙基甲苯二胺中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的用于水润滑轴承的热固性聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的用于水润滑轴承的热固性聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，将预聚体加热至90℃～95℃，然后抽真空至压力≤-0.1mpa，再通入惰性气体使体系压力升至≥0.05mpa，得到a组分。

9.根据权利要求7所述的用于水润滑轴承的热固性聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述扩链反应的反应温度为120℃～130℃。

10.根据权利要求7所述的用于水润滑轴承的热固性聚氨酯材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述初次固化的温度为100℃～120℃，时间为2～10min。

技术总结
本发明公开了一种用于水润滑轴承的热固性聚氨酯材料及其制备方法，该聚氨酯材料包括TDI型预聚体和二胺型扩链剂；其中，所述扩链剂的氨基和预聚体的异氰酸根摩尔比为0.90～0.95。本发明通过控制预聚体和扩链剂的用量，改变聚氨酯材料分子组成和分子链的交联程度，提高了聚氨酯复合材料的承载能力，不但具有良好的力学性能，而且将本发明制备的聚氨酯材料用于水润滑轴承材料，摩擦磨损时产生的磨屑较少，表面较为光滑，有利于润滑水膜形成，改善润滑条件，避免了使用油脂润滑出现泄露导致环境污染等问题。

技术研发人员：郭智威,许琪然,袁成清
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14