CN105924965B - 一种减摩耐磨聚合物基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种减摩耐磨聚合物基复合材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1、制备碳纤维‑二氧化硅杂化材料；步骤2、制备聚酰亚胺前驱体溶液；步骤3、聚酰亚胺前驱体溶液与碳纤维—二氧化硅杂化材料复合，制备相应复合材料。本发明的制备方法新颖，首次通过构筑微纳米杂化材料增强体来改善聚合物的摩擦学性能。该制备工艺操作简单、成本低廉，且将该复合材料具有高的柔韧性、突出的耐磨性以及低的摩擦系数，是一种优异的聚合物基自润滑复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚合物基自润滑复合材料，具体地说，本发明涉及一种减摩耐磨聚合物基复合材料的制备方法。
背景技术
摩擦磨损是发生在材料相对运动接触表面的一种非常普遍的现象。航空航天、汽车、轮船、机械制造等工业飞速发展对高性能润滑材料提出了更多的需求和更高的品质要求。因此，高强、高耐磨润滑材料的研制成为了摩擦学领域的研究热点。
聚酰亚胺(PI)具有突出的热稳定性、良好的抗冲击、抗辐射和耐溶剂性能，以及高温、高低压和高速等极端环境下保持良好的性能，在摩擦学领域有着广泛应用。但是，纯PI因较低的抗拉、抗压强度，不适宜单独作为摩擦材料使用，因此，必须对其改性。目前，科研工作者尝试引入各种填料来改善聚酰亚胺的摩擦学性能的方法已有很多报道，一般采用引入微米纤维，如：碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、陶瓷以及金属纤维和纳米颗粒，如纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米三氧化二铝、碳纳米管等。但是单一的微米纤维对聚酰亚胺减摩性的改善效果略显不足，而纳米颗粒的难分散问题使其对复合材料摩擦学性能的改善程度有限。为此采用微米、纳米填料协同复合改性，实现复合材料性能增强的最大化。但至今尚未有微纳米杂化材料作为增强体来改善聚酰亚胺摩擦学性能的研究报道。基于此，提出一种新型的微纳米杂化材料增强的聚酰亚胺自润滑复合材料的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减摩耐磨聚合物基复合材料的制备方法，方法简单易行，成本低廉，减摩耐磨性良好。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种减摩耐磨聚合物基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、制备碳纤维-二氧化硅杂化材料CF-SiO2：向烧杯中依次加入无水乙醇、蒸馏水、氨水和碳纤维(CF)，搅拌均匀，得到混合液A；在搅拌条件下，向混合液A中逐滴滴加正硅酸乙酯(TEOS)，得到混合液B；将混合液B密封搅拌；反应完成后，离心，用去离子水和乙醇清洗产物，烘干，得到碳纤维-二氧化硅杂化材料CF-SiO2；
步骤2、制备聚酰亚胺前驱体溶液：在冰水浴中，且在搅拌条件下，先将溶质4,4’-二氨基二苯醚加入到溶剂二甲基乙酰胺中，再加入均苯四甲酸酐，得到混合液C，对混合液C继续在搅拌下反应，反应完成后得到聚酰亚胺前驱体溶液，在0℃以下保存待用；
步骤3、制备聚酰亚胺前驱体溶液：向聚酰亚胺前驱体溶液中加入步骤1得到的碳纤维-二氧化硅杂化材料，分散均匀，得到混合液D；将混合液D采用流延法在玻璃上流动成膜；然后在烘箱中60℃保温，保温完成后，自60～200℃进行梯度升温；最后自然冷却至室温，得到减摩耐磨聚合物基复合材料。
步骤1中，制备混合液A时，所使用的无水乙醇、蒸馏水、氨水和碳纤维的用量比为75mL：3mL：82mL：5g。
步骤1中，制备混合液B时，所使用的正硅酸乙酯与混合液A中所使用的蒸馏水的体积比为7:3。
步骤1中，所使用的氨水的质量分数为25％～28％。
步骤2中，制备混合液C时，所使用的溶质4,4’-二氨基二苯醚、均苯四甲酸酐与二甲基乙酰胺的用量比为0.025mol：0.025mol：70mL。
步骤2中，加入均苯四甲酸酐的方法为：在搅拌条件下分三次加入均苯四甲酸酐，每两次之间间隔15～20min。
步骤3中，制备混合液D时，所使用的碳纤维-二氧化硅杂化材料与步骤2制备的聚酰亚胺前驱体溶液的质量比为0.028～0.1：6。
步骤3中，所述自60～200℃进行梯度升温的方式为，自60℃依次升温至80℃、100℃、120℃、160℃、180℃、200℃，且在80℃、100℃、120℃、160℃、180℃、200℃任意一个温度下均保持0.5h。
步骤1中，对混合液B密封搅拌的时间为4h，所述的烘干温度为80℃；步骤2中，对混合液C继续搅拌反应的时间为8h；步骤3中，所述的在60℃保温时间为6h。
有益效果：
本发明的制备方法新颖，首次通过构筑微纳米杂化材料增强体来改善聚合物的摩擦学性能。该制备工艺操作简单、成本低廉，且将该复合材料具有高的柔韧性、突出的耐磨性以及低的摩擦系数，是一种优异的聚合物基自润滑复合材料。
附图说明
图1为本发明实施例1产物的扫描电镜形貌图；
图2为本发明实施例2产物的扫描电镜形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述：
实施例1
(1)向烧杯中依次加入75mL乙醇，3mL蒸馏水，28mL氨水，磁力搅拌2h，搅拌至均匀，其中氨水的质量分数为25％～28％。
(2)向(1)中逐滴滴加正硅酸乙酯(TEOS)2.5mL，滴加过程中保证磁力搅拌。滴加完毕后，封住杯口继续搅拌12h，封住烧杯口是为防止易挥发物质挥发。
(3)反应完成后，离心，去离子水清洗三次，乙醇清洗三次，在80℃的烘箱中干燥得到纳米二氧化硅(SiO2)。
图1是所制备的纳米SiO2的扫描电镜形貌图，从图中可看出SiO2呈现球状结构。
实施例2
(1)向烧杯中依次加入75mL无水乙醇，3mL蒸馏水，82mL氨水，5g碳纤维(CF)，磁力搅拌至均匀，其中氨水的质量分数为25％～28％。
(2)向(1)中逐滴滴加正硅酸乙酯(TEOS)7mL，滴加过程中保证磁力搅拌。滴加完毕后，封住杯口继续搅拌4h，封住烧杯口是为防止易挥发物质挥发。
(3)反应完成后，离心，去离子水清洗三次，乙醇清洗三次，在80℃的烘箱中干燥得到碳纤维-二氧化硅杂化材料CF-SiO2。
图2是所制备的CF-SiO2杂化材料的扫描电镜形貌图，从图中可看出在碳纤维表面原位合成了纳米SiO2，且二氧化硅颗粒均匀覆盖碳纤维表面。
实施例3
(1)称取均苯四甲酸酐(PMDA)、4,4’-二氨基二苯醚(ODA)，先将ODA加入二甲基乙酰胺溶剂(DMAC)中，在搅拌下使其完全溶解。PMDA、ODA和DMAC溶剂三者的用量比为0.025mol：0.025mol：70mL。其次，在搅拌下分三次加入均苯四甲酸酐(PMDA)，每两次之间间隔15～20min，均苯四甲酸酐加入后，由于反应放热，温度迅速上升至20℃左右，所以整个过程在冰水浴中进行，保证反应温度保持在4℃左右，如此在常压下继续搅拌，反应8h，最后得到淡黄色透色溶液，为聚酰亚胺前驱体溶液，在0℃以下保存待用。
(2)操作A：取6.0g聚酰亚胺前驱体溶液，采用流延法在玻璃上流动成膜，之后放入烘箱，在60℃保温6小时，之后自60℃梯度升温分别至80℃、100℃、120℃、160℃、180℃、200℃，且每个温度下保温0.5小时。自然冷却至室温，得到A材料。
实施例4
(1)称取均苯四甲酸酐(PMDA)、4,4’-二氨基二苯醚(ODA)，先将ODA加入二甲基乙酰胺溶剂(DMAC)中，在搅拌下使其完全溶解。PMDA、ODA和DMAC溶剂三者的用量比为0.025mol：0.025mol：70mL。其次，在搅拌下分三次加入均苯四甲酸酐(PMDA)，每两次之间间隔15～20min，均苯四甲酸酐加入后，由于反应放热，温度迅速上升至20℃左右，所以整个过程在冰水浴中进行，保证反应温度保持在4℃左右，如此在常压下继续搅拌，反应8h，最后得到淡黄色透色溶液，为聚酰亚胺前驱体溶液，在0℃以下保存待用。
(2)操作B：取6.0g聚酰亚胺前驱体溶液，称取0.05g CF加入到聚酰亚胺前驱体溶液中，使CF分散均匀，采用流延法在玻璃上流动成膜，之后放入烘箱，在60℃保温6小时，之后自60℃梯度升温分别至80℃、100℃、120℃、160℃、180℃、200℃，且每个温度下保温0.5小时。自然冷却至室温，得到B材料。
实施例5
(1)称取均苯四甲酸酐(PMDA)、4,4’-二氨基二苯醚(ODA)，先将ODA加入二甲基乙酰胺溶剂(DMAC)中，在搅拌下使其完全溶解。PMDA、ODA和DMAC溶剂三者的用量比为0.025mol：0.025mol：70mL。其次，在搅拌下分三次加入均苯四甲酸酐(PMDA)，每两次之间间隔15～20min，均苯四甲酸酐加入后，由于反应放热，温度迅速上升至20℃左右，所以整个过程在冰水浴中进行，保证反应温度保持在4℃左右，如此在常压下继续搅拌，反应8h，最后得到淡黄色透色溶液，为聚酰亚胺前驱体溶液，在0℃以下保存待用。
(2)操作C：取6.0g聚酰亚胺前驱体溶液，称取0.09g CF-SiO2杂化材料加入到聚酰亚胺前驱体溶液中，使CF-SiO2杂化材料分散均匀；操作D：取6.0g聚酰亚胺前驱体溶液，称取0.028g CF-SiO2杂化材料加入到聚酰亚胺前驱体溶液中，使CF-SiO2杂化材料分散均匀；操作E：取6.0g聚酰亚胺前驱体溶液，称取0.05g CF-SiO2杂化材料加入到聚酰亚胺前驱体溶液中，使CF-SiO2杂化材料分散均匀；操作F：取6.0g聚酰亚胺前驱体溶液，称取0.1g CF-SiO2杂化材料加入到聚酰亚胺前驱体溶液中，使CF-SiO2杂化材料分散均匀。将操作C～F得到的混合液均采用流延法在玻璃上流动成膜，之后放入烘箱，在60℃保温6小时，之后自60℃梯度升温分别至80℃、100℃、120℃、160℃、180℃、200℃，且每个温度下保温0.5小时。自然冷却至室温，得到四种减摩耐磨聚合物基复合材料C、D、E和F。
表1是实施例3，4和5中所制备的A、B、C、D、E和F六种材料的摩擦系数和磨损率，从表中可以看出材料E的摩擦系数和磨损率最低，即材料E具有优异的减摩抗磨性能。
表1
Claims (7)
1.一种减摩耐磨聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、制备碳纤维-二氧化硅杂化材料：向烧杯中依次加入无水乙醇、蒸馏水、氨水和碳纤维，搅拌均匀，得到混合液A；在搅拌条件下，向混合液A中逐滴滴加正硅酸乙酯，得到混合液B；将混合液B密封搅拌；反应完成后，离心，用去离子水和乙醇清洗产物，烘干，得到碳纤维-二氧化硅杂化材料；
步骤2、制备聚酰亚胺前驱体溶液：在冰水浴中，且在搅拌条件下，先将溶质4,4’-二氨基二苯醚加入到溶剂二甲基乙酰胺中，再加入均苯四甲酸酐，得到混合液C，对混合液C继续在搅拌下反应，反应完成后得到聚酰亚胺前驱体溶液，在0℃以下保存待用；
步骤3、制备聚酰亚胺前驱体溶液：向聚酰亚胺前驱体溶液中加入步骤1得到的碳纤维-二氧化硅杂化材料，分散均匀，得到混合液D；将混合液D采用流延法在玻璃上流动成膜；然后在烘箱中60℃保温，保温完成后，自60~200℃进行梯度升温；最后自然冷却至室温，得到减摩耐磨聚合物基复合材料；
步骤1中，制备混合液A时，所使用的无水乙醇、蒸馏水、氨水和碳纤维的用量比为75mL：3mL：82mL：5g；
步骤1中，制备混合液B时，所使用的正硅酸乙酯与混合液A中所使用的蒸馏水的体积比为7:3。
2.根据权利要求1所述的一种减摩耐磨聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所使用的氨水的质量分数为25%~28%。
3.根据权利要求1所述的一种减摩耐磨聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，制备混合液C时，所使用的溶质4,4’-二氨基二苯醚、均苯四甲酸酐与二甲基乙酰胺的用量比为0.025mol：0.025mol：70mL。
4.根据权利要求1所述的一种减摩耐磨聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，加入均苯四甲酸酐的方法为：在搅拌条件下分三次加入均苯四甲酸酐，每两次之间间隔15~20min。
5.根据权利要求1所述的一种减摩耐磨聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，制备混合液D时，所使用的碳纤维-二氧化硅杂化材料与步骤2制备的聚酰亚胺前驱体溶液的质量比为0.028~0.1：6。
6.根据权利要求1所述的一种减摩耐磨聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述自60~200℃进行梯度升温的方式为，自60℃依次升温至80℃、100℃、120℃、160℃、180℃、200℃，且在80℃、100℃、120℃、160℃、180℃、200℃任意一个温度下均保持0.5h。
7.根据权利要求1所述的一种减摩耐磨聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，对混合液B密封搅拌的时间为4h，所述的烘干温度为80℃；步骤2中，对混合液C继续搅拌反应的时间为8h；步骤3中，所述的在60℃保温时间为6h。
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