專利名稱：多級孔聚醚醚酮自潤滑耐磨復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新型的聚醚醚酮復合材料，同時還涉及該材料的制備方法。
技術背景
隨著航空航天、電子電氣、機械制造、交通運輸等工業(yè)部門對高性能塑料的耐磨性，耐溫性等提出了越來越苛刻的要求。聚醚醚酮(PEEK)是一種新型的半晶態(tài)芳香族塑性特種工程塑料，具有高耐熱性、高強度、高模量、高韌性、機械強度高等優(yōu)異的綜合性能。然而，純PEEK存在摩擦系數高、熱變形溫度偏低的缺陷，較高的摩擦系數導致摩擦過程中生熱很快，導熱困難，聚熱嚴重。為了降低材料的摩擦系數，從而解決摩擦過程中生熱快、聚熱嚴重等問題，國內外研究者利用固體潤滑劑、纖維、微米顆粒等對其進行共混、填充等增強改性處理；也有研究者用納米粉末對聚醚醚酮進行共混、增強改性處理，一定程度上降低了材料的摩擦系數，增加了材料的耐磨性。但是，仍然難以滿足高溫、高載荷、耐腐蝕、耐磨損的要求。
中國專利(公開號CN1952092A)涉及了一種聚酰亞胺多孔材料，并采用潤滑脂作為潤滑劑制備了聚酰亞胺潤滑材料；中國專利(公開號CN101580753A)涉及了一種聚醚醚酮多孔材料，并采用潤滑油脂作為潤滑劑制備了聚醚醚酮自潤滑材料。但是它們只使用了單一尺度的造孔劑，且造孔方式簡單，導致孔道結構過于單一，造孔劑含量較低時，復合材料內部會存在不連通的封閉孔，孔隙率低，影響注油效果，得到的含油脂復合材料的含脂率較低，同時也會影響油脂輸送；而造孔劑含量高時，大量微米級孔連通導致漏油、甩油嚴重，難以保證長時間供油，使得復合材料的磨損率偏高，不能滿足高載、高速下減摩耐磨應用。發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種自潤滑耐磨聚醚醚酮復合材料，該材料內部的孔道能形成三維連通的網絡空間，在壓力和溫度作用下，基體內充填的潤滑油脂可通過連通的微米及納米孔道均勻連續(xù)的滲出，具有摩擦系數小、磨損率低和自潤滑耐磨性能優(yōu)越等特點。
本發(fā)明的另一個目的是提供本申請多級孔聚醚醚酮自潤滑耐磨復合材料的制備方法。
為實現上述發(fā)明目的，本申請采用的技術方案是多級孔聚醚醚酮自潤滑耐磨復合材料，所述復合材料是在聚醚醚酮內添加微米造孔劑后燒結成型作為基體，然后向基體內部的孔中充填潤滑油或脂制成，其特征是組成基體的材料內還含有納米造孔劑，所述納米造孔劑是比表面> 50 m2/g的介孔氧化鈦晶須、分子篩或碳納米管中的一種或者幾種的混合物，混合物的混合比例任意。
上述分子篩納米造孔劑，優(yōu)選其型號為MCM-41、SBA-15或β沸石。
優(yōu)選上述復合材料，組成基體的材料內納米造孔劑的量，按照質量百分比為 0. 1 10wt%。
優(yōu)選上述復合材料，組成基體的材料內還添加有聚四氟乙烯固體潤滑劑?！?010〕 進一步優(yōu)選上述復合材料，其基體材料按照質量百分比由以下組分組成 聚醚醚酮50 89界七0/0
聚四氟乙烯0 30界伐
納米造孔劑0丨1 10界伐
微米造孔劑10 40界伐
所述微米造孔劑至少包括氯化鈉、聚乙二醇、尿素、甲基纖維素、檸檬酸中的一種或幾 種的混合物，混合物的混合比例任意。
〔0011〕 本發(fā)明的多級孔聚醚醚酮自潤滑耐磨復合材料的制備方法是
八、根據基體材料組成，將所需要的原料機械混勻后1201下干燥2-4小時； 8、將經步驟八處理的復合物料進行熱壓或冷壓燒結成型，制成復合材料的基體； (、清洗基體內的微米孔； 0、向基體中充填潤滑油或脂。 〔0012〕 上述制備方法中步驟8中的燒結成型工藝，其中熱壓燒結成型工藝為熱壓溫 度3701，壓力10-301？^下保溫化5-2小時，冷卻至1101后脫模；冷壓燒結成型工藝為冷 壓壓力大小為40-1201？^ 343-3751下燒結2-6小時，自然降溫；熱壓或冷壓燒結成型工藝 中升降溫的速率為2-51加化。
〔0013〕 上述制備方法中步驟0充填充填潤滑油或脂采用高溫真空浸漬或壓鑄工藝，其中 采用高溫浸漬工藝時真空度為0丨01-0. ；采用壓鑄工藝時油脂滲透時間為2-24小時。 〔0014〕 所述制備方法中步驟0充填的潤滑油脂為通用鋰基潤滑脂、！I？高溫潤滑脂、二甲 基硅油、羥基硅油中的一種或者幾種的混合物，混合物的混合比例任意，其中潤滑油分解溫 度大于140。0，潤滑脂的滴點范圍為150-3501。
〔0015〕 本發(fā)明的設計思想本申請的復合材料，組成其基體的材料中另外含有的納米 造孔劑，是具有孔道及空腔結構特征的含納米孔材料，如介孔氧化鈦晶須為纖維形貌的氧 化鈦，且晶須自身含2-50！^范圍的孔；分子篩是由硅氧四面體或鋁氧四面體通過氧橋鍵相 連而形成的孔道和空腔體系〔孔徑為0丨3飛0丨0 ?。?！!!)；碳納米管是一種具有特殊結構〔徑向尺 寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級)的一維材料〔管的內徑為廣50.0 ?。。?!)。因為納米造孔 劑具有上述結構特征，使得該納米造孔劑在復合材料內具有多重作用。首先它可以連通復 合材料內部尺寸較大的微孔、封閉孔，構筑連通的三維空間網絡結構，起到更好的輸送油脂 的作用；其次，與碳纖維增強改性？朋X相比，由于碳纖維尺寸粗大、硬度高，磨粒磨損明顯， 而含納米孔道的納米造孔劑能起到微區(qū)增強的作用，孔道可以收集儲存部分磨屑、減少磨 粒磨損。此外，有利于在摩擦面上形成薄層油膜潤滑，且隨著表層的油膜的消耗，在載荷和 摩擦熱耦合的作用下，納米及微米多級復合孔可以更好的輸送潤滑油脂，控制油脂釋放速 度，解決長時間的潤滑耐磨問題。
〔0016〕 本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的多級孔聚醚醚酮自潤滑耐磨復合材料，因為其內部 有大的微米孔道能儲存潤滑油脂，而納米造孔劑通過自身納米孔將大的微孔連通起來，在 復合材料內部構成三維連通的網絡空間。在摩擦過程中，潤滑油脂可以在載荷和摩擦熱的 耦合作用下通過連通的納米孔道均勻連續(xù)的滲出，在摩擦面上形成穩(wěn)定的潤滑油膜，最終 起到穩(wěn)定良好的潤滑作用，解決了實際應用中聚醚醚酮聚熱嚴重、散熱難等問題。所以本發(fā) 明的多級孔聚醚醚酮自潤滑耐磨復合材料，適用于高溫、真空、腐蝕、輻射等特殊環(huán)境下減摩耐磨應用，如用于制造高溫高壓壓縮機的活塞環(huán)、滑片、軸承、導軌、填料環(huán)等，可以明顯降低摩擦、大幅度提高器件的使用壽命。
具體實施方式
實施例1:基體材料選用50g的聚醚醚酮粉末，30gNaCl，15g聚四氟乙烯，5g介孔氧化鈦晶須機械混勻后，干燥3小時。將干燥的混合粉末裝入模具，在壓力為IOMI5a熱壓成型。370°C下保溫2小時。用蒸餾水超聲洗滌孔道。在150°C，0. Ibar下采用真空浸漬通用鋰基脂12小時， 得到含脂率27. 2%聚醚醚酮復合材料。將該材料在MPX-2000摩擦磨損試驗機上測試摩擦磨損性能，測試條件200N、1. 4m/s，測試時間2小時。
比較例1 基體材料選用50g聚醚醚酮，30gNaCl，15g聚四氟乙烯，5g無孔氧化鈦晶須，燒結條件同實施例1，然后清洗孔道及真空浸漬，制得含脂率20. 7%聚醚醚酮復合材料。摩擦磨損試驗條件同實施例1。
比較例2:基體材料選用70g聚醚醚酮，30gNaCl，經熱壓燒結、孔道清洗及真空浸漬處理，制得含脂率1%聚醚醚酮復合材料，熱壓燒結條件同實施例1。摩擦磨損試驗條件同實施例1。
比較例3 基體材料選用85g聚醚醚酮，15g碳纖維，熱壓燒結制得聚醚醚酮復合材料。熱壓燒結條件同實施例1。摩擦磨損實驗條件同實施例1。
將實施例1和比較例1、比較例2、比較例3的摩擦磨損測試結果作比較列于表1 表1摩擦磨損性能比較復合材料磨損率m3/(N · m)摩擦系數實施例11.07E-160. 019比較例115.8E-160. 027比較例219.5E-160. 0278比較例387.6E-160. 186實施例2 基體材料選用65g聚醚醚酮粉末，30g聚乙二醇(純度99.5%)，5g β沸石混勻，干燥 3小時。lOOMI^a冷壓成型，370°C下燒結6小時自然降溫。用乙醇、蒸餾水洗滌孔道。在 150°C，0. 07bar下采用真空浸漬通用鋰基脂，得到含脂率18.洲聚醚醚酮復合材料。測試條件150N、1. 4m/s，2小時測試摩擦磨損性能。
比較例4 基體材料選用IOOg聚醚醚酮，經冷壓燒結制得純聚醚醚酮材料。冷壓燒結條件同實施例2。摩擦磨損試驗條件同實施例2。將實施例2和比較例4的測試結果作比較列于
權利要求
1.多級孔聚醚醚酮自潤滑耐磨復合材料，所述復合材料是在聚醚醚酮內添加微米造孔劑后燒結成型作為基體，然后向基體內部的孔中充填潤滑油或脂制成，其特征是組成基體的材料內還含有納米造孔劑，所述納米造孔劑是比表面> 50 m2/g的介孔氧化鈦晶須、分子篩或碳納米管中的一種或者幾種的混合物，混合物的混合比例任意。
2.按照權利要求1所述的多級孔聚醚醚酮自潤滑耐磨復合材料，其特征在于所述分子篩的型號為MCM-41、SBA-15或β沸石。
3.按照權利要求1所述的多級孔聚醚醚酮自潤滑耐磨復合材料，其特征在于組成基體的材料內還包括聚四氟乙烯固體潤滑劑。
4.按照權利要求1所述的多級孔聚醚醚酮自潤滑耐磨復合材料，其特征在于組成基體的材料內納米造孔劑的量，按照質量百分比為0. 1 10wt%。
5.按照權利要求1所述的多級孔聚醚醚酮自潤滑耐磨復合材料，其特征在于組成基體的材料按照質量百分比由以下組分組成聚醚醚酮50 89wt%聚四氟乙烯0 30wt%納米造孔劑0. 1 10wt%微米造孔劑10 40wt%所述微米造孔劑包括氯化鈉、聚乙二醇、尿素、甲基纖維素、檸檬酸中的一種或幾種的混合物，混合物的混合比例任意。
6.制備權利要求1所述的多級孔聚醚醚酮自潤滑耐磨復合材料，具體的制備方法是A、根據基體材料組成，將所有原料在120°C下干燥2-4小時，機械混勻；B、然后將已經混勻的復合物料采用熱壓或冷壓燒結成型，制成復合材料的基體；C、清洗基體內的微米孔；D、向基體中充填潤滑油或脂。
7.按照權利要求6所述的制備方法，其特征在于步驟B中的燒結成型工藝，其中熱壓燒結成型工藝為熱壓溫度370°C，壓力10-30ΜΙ^下保溫0. 5_2小時，冷卻至110°C后脫模； 冷壓燒結成型工藝為冷壓壓力大小為40-120MPa，343-375°C下燒結2_6小時，自然降溫； 熱壓或冷壓燒結成型工藝中升降溫的速率為2-5°C /min。
8.按照權利要求6所述的制備方法，其特征在于步驟D中充填潤滑油或脂采用的是高溫真空浸漬或壓鑄工藝，其中采用高溫浸漬工藝時真空度為0. 01-0. 2bar ；采用壓鑄工藝時滲透時間為2-M小時。
9.按照權利要求6所述的制備方法，其特征在于步驟D充填的潤滑油或脂為通用鋰基潤滑脂、HP高溫潤滑脂、二甲基硅油、羥基硅油中的一種或者幾種的混合物，混合物的混合比例任意，其中潤滑油分解溫度大于140°C，潤滑脂的滴點范圍為150-350°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多級孔聚醚醚酮自潤滑耐磨復合材料及其制備方法，解決了聚醚醚酮多孔材料造孔方式簡單，孔道結構過于單一的問題；該材料是在聚醚醚酮內添加微米及納米造孔劑后燒結成型作為基體，然后向基體內部的孔中充填潤滑油或脂制成，所述納米造孔劑是比表面≥50m2/g的介孔氧化鈦晶須、分子篩或碳納米管中的一種或者幾種的混合物。本申請復合材料在摩擦過程中，在摩擦面上形成穩(wěn)定的潤滑油膜，具有穩(wěn)定良好的潤滑作用，適用于高溫、真空、腐蝕、輻射等特殊環(huán)境下應用，可以明顯降低摩擦，大幅度提高器件的使用壽命。
文檔編號B29C51/10GK102504478SQ201110376189
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月24日 優(yōu)先權日2011年11月24日
發(fā)明者張帥, 朱艷吉, 林珊, 汪懷遠, 汪桂英 申請人:東北石油大學