CN110128597B

CN110128597B - 一种低温成型自润滑材料及其制备方法

Info

Publication number: CN110128597B
Application number: CN201910422441.3A
Authority: CN
Inventors: 张琳; 彭世广; 解国新; 雒建斌
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2019-05-21
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2020-08-04
Anticipated expiration: 2039-05-21
Also published as: CN110128597A

Abstract

本发明提供一种低温成型自润滑复合材料及其制备方法，由核壳结构微/纳米粒子组成，其中，核材由固体自润滑材料组成，壳材由可溶胀聚合物组成。所述复合材料机械强度可调适，加工性及耐久性强；直接低温成型，节省加工成本；应用扩充性广泛；兼具优异的润滑性能及机械性能。

Description

一种低温成型自润滑材料及其制备方法

技术领域

本发明属于自润滑复合材料技术领域，尤其涉及低温成型自润滑材料及其制备方法。

背景技术

复合材料是指由两种或两种以上的材料进行加工合成后产生的新型材料，它与陶瓷、金属、高聚物被人们称之为四大材料。相比单一材料，复合材料具有热性能优越、耐疲劳、可设计性和比模量高等优良特性，在航空航天、交通运输、机械化工等领域得到广泛应用。近年来，复合材料被广泛用作自润滑材料。而传统的自润滑复合材料常采用的成型工艺包括冷压烧结、喷射成型、注塑成型等，这些工艺往往需要较高的温度或繁琐的加工工艺，能耗大且生产效率低。因此，本领域需要一种成型温度低、加工流动性好、成型工艺简单的自润滑复合材料及其制备方法。

发明内容

发明要解决的技术问题

本发明结合传统复合材料的研究进展，针对固体自润滑复合材料当前存在的一些问题(成型能耗大、成型工艺复杂等)，提出了一种低温成型的固体自润滑材料及制备方法。

用于解决技术问题的方法

根据本发明的一个实施方案，提供一种低温成型的固体自润滑材料，其由核壳结构微/纳米粒子组成，核材由固体自润滑材料组成，壳材由可溶胀聚合物组成。

优选的，固体自润滑材料为如下材料中的一种或多种：聚四氟乙烯，尼龙，聚甲醛，聚酰亚胺，聚对羟基苯甲酸酯，石墨烯，二硫化钼，六方氮化硼，二硫化钨、二硫化钛、二硒化钼、软金属等。

优选的，软金属为金、银、锡、铅、镁、铟。

优选的，可溶胀聚合物为如下材料中的一种或多种：聚乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯，酚醛树脂，聚氨酯，聚酰亚胺，脲醛树脂，三聚氰胺－甲醛树脂、环氧树脂。

优选的，核壳结构微/纳米粒子中，核壳质量比为0.1-10。

根据本发明的一个实施方案，提供一种上述固体自润滑材料的制备方法，其包括以下步骤：

(1)制备核壳结构微/纳米粒子；

(2)溶胀核壳结构微/纳米粒子；

(3)低温成型。

优选的，步骤(1)中采用种子乳液聚合法制备以固体自润滑材料为核的核壳结构纳米粒子，具体包括：

1)将一种或多种核材固体自润滑微/纳米粒子配制一定浓度的分散液a，

2)机械搅拌下向分散液a中加入一定量壳原料单体或预聚物、引发剂和/或交联剂，

3)交联聚合后，分离干燥，得到核壳结构微/纳米粒子。

优选的，步骤(2)中将核壳结构微/纳米粒子与一定量壳材的不良溶剂混合进行溶胀，得到混合物b。

优选的，步骤(3)中低温成型步骤具体包括：

1)将混合物b倒入模具，抽真空去除混合物中气泡；

2)低温成型制备固体自润滑材料。

优选的，成型温度为50-120℃。

发明效果

本发明的有益效果在于：使固体润滑材料复合材料在低温下即可成型，大大降低了产品加工能耗。

附图说明

图1是PTFE@PMMA核壳结构纳米粒子SEM和TEM图

图2是PTFE@PMMA核壳结构纳米粒子与溶剂机械搅拌后图片

图3是PTFE@PMMA自润滑复合材料实物图

图4是PTFE@PMMA自润滑复合材料摩擦系数

图5是PTFE@PS核壳结构纳米粒子SEM和TEM图

具体实施方式

从以下示例性实施方案的描述中，本发明的进一步特征将变得显而易见。

本发明的固体自润滑微/纳米粒子是由聚四氟乙烯，尼龙，聚甲醛，聚酰亚胺，聚对羟基苯甲酸酯，石墨烯，二硫化钼，六方氮化硼，二硫化钨、二硫化钛、二硒化钼、金、银、锡、铅、镁、铟等软金属等中的一种或者多种组成。更优选地，固体自润滑微/纳米粒子由聚四氟乙烯、石墨烯、二硫化钼中的一种或多种组成。固体自润滑微/纳米粒子的粒径为20nm-100μm。更优选地，固体自润滑微/纳米粒子的粒径为100nm-20μm。

本发明的可溶胀聚合物为如下材料中的一种或多种：聚乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯，酚醛树脂，聚氨酯，聚酰亚胺，脲醛树脂，三聚氰胺－甲醛树脂、环氧树脂。

本发明首先制备以固体自润滑材料为核、以可溶胀聚合物为壳的核壳结构微/纳米粒子，然后按照一定配比加入壳材的不良溶剂充分搅拌混合，倒入模具低温成型，制备方法如下：

第一步，制备核壳结构微/纳米粒子

2)机械搅拌作用下向分散液a中滴加一定量壳原料单体或预聚物，缓慢升温至聚合温度，之后加入一定量引发剂和/或交联剂，

3)进行聚合反应，结束后反复离心、洗涤、干燥，得到核壳结构微/纳米粒子。

优选地，步骤2)中，机械搅拌速率为100-2000rpm。更优选地，机械搅拌速率为400-1200rpm。

优选地，步骤2)中，核壳结构粒子中的核壳质量比为0.1-10。更优选地，核壳质量比为0.3-1.5。

优选地，步骤2)中，聚合温度为50-120℃。更优选地，聚合温度为60-100℃。

优选地，步骤2)中，引发剂与壳材单体的加入质量比为0.001-0.01。

优选地，步骤3)中，聚合反应的时间为3-48h。更优选地，聚合时间为5-12h。

优选地，步骤3)中，干燥时间为2-18h，干燥温度为60-90℃。

第二步，溶胀核壳结构微/纳米粒子

1)将核壳结构微/纳米粒子与壳材的不良溶剂按照一定质量比混合，

2)机械搅拌下混合均匀，形成稳定的混合物b

优选地，步骤1)中，核壳结构微/纳米粒子与不良溶剂的质量比为1:1-1:8。更优选地，核壳结构微/纳米粒子与不良溶剂的质量比为1:3-1:5。

优选地，步骤2)中，机械搅拌速率为200-800rpm。

第三步，低温成型制备固体自润滑材料

1)将搅拌后混合物b倒入模具，抽真空去除混合物中气泡，

2)低温成型制备固体自润滑材料。

优选地，步骤2)中，成型温度为50-120℃，成型时间为1-24h。

实施例

实施例1

(1)核壳结构纳米粒子制备(种子乳液聚合法)

在300rmp搅拌下将500mL聚四氟乙烯分散液加入五口烧瓶中,加热到80℃后加入70mL甲基丙烯酸甲酯单体。稳定15min后加入10mL过硫酸钾水溶液(0.07mmol/mL)，氮气氛围下反应10h，离心收集产物，85℃下干燥5h得到聚甲基丙烯酸甲酯包覆聚四氟乙烯的核壳结构纳米粒子。采用扫描电镜对样品进行表征，结果如图1左所示。为了进一步分析产物的结构，我们采用透射电镜对改性后样品进行表征。如图1右所示，所制备的纳米粒子呈核壳结构。

(2)核壳结构纳米粒子溶胀

分别称取3g聚甲基丙烯酸甲酯包覆聚四氟乙烯的核壳结构纳米粒子及6g乙醇，500rmp转速下搅拌10h混合均匀并使壳材充分被溶胀，得到粘稠状的混合物，如图2所示。

(3)低温成型制备固体自润滑材料

将粘稠状混合物倒入模具，并抽真空去除气泡，之后70℃处理5h得到样品，如图3所示。

(4)复合材料摩擦及自修复性能测试

将低温成型复合材料、纯PTFE及纯PMMA在UMT-5摩擦磨损试验机上进行测试，摩擦系数变化情况如图4所示，由结果可知，低温成型复合材料摩擦系数低于纯PTFE及纯PMMA。

实施例2

(1)核壳结构纳米粒子制备(种子乳液聚合法)

在300rmp搅拌下将300mL聚四氟乙烯分散液加入五口烧瓶中,加热到80℃后加入70mL苯乙烯单体。稳定15min后加入10mL过硫酸钾水溶液(0.07mmol/mL)，氮气氛围下反应12h，离心收集产物，80℃下干燥6h得到聚苯乙烯包覆聚四氟乙烯的核壳结构纳米粒子。采用扫描电镜和透射电镜对样品进行表征，结果如图5所示，所制备的纳米粒子呈核壳结构。

(2)核壳结构纳米粒子溶胀

分别称取3g聚苯乙烯包覆石墨烯的核壳结构纳米粒子、6g乙醇及1g正己醇，300rmp转速下搅拌10h混合均匀并使壳材充分被溶胀，得到粘稠状的混合物。

(3)低温成型制备固体自润滑材料

将粘稠状混合物倒入模具，并抽真空去除气泡，之后80℃处理5h得到样品。

(4)复合材料摩擦及自修复性能测试

将复合材料在UMT-5摩擦磨损试验机上进行测试，摩擦系数约为0.06(4N，24mm/s)

实施例3

(1)核壳结构纳米粒子制备(种子乳液聚合法)

在300rmp搅拌下将500mL石墨烯分散液加入五口烧瓶中,加热到80℃后加入70mL苯乙烯单体。稳定15min后加入10mL过硫酸钾水溶液(0.07mmol/mL)，氮气氛围下反应12h，离心收集产物，80℃下干燥6h得到聚苯乙烯包覆石墨烯的核壳结构纳米粒子。

(2)核壳结构纳米粒子溶胀

分别称取3g聚苯乙烯包覆石墨烯的核壳结构纳米粒子、5g乙醇及1g正己醇，300rmp转速下搅拌10h混合均匀并使壳材充分被溶胀，得到粘稠状的混合物。

(3)低温成型制备固体自润滑材料

(4)复合材料摩擦及自修复性能测试

将复合材料在UMT-5摩擦磨损试验机上进行测试，摩擦系数约为0.05(3N，12mm/s)

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种低温成型自润滑材料的制备方法，低温成型自润滑材料由核壳结构微/纳米粒子组成，其特征在于，包括以下步骤：

（1）制备核壳结构微/纳米粒子；

（2）溶胀核壳结构微/纳米粒子；

（3）低温成型；

其中，步骤（2）中将核壳结构微/纳米粒子与一定量壳材的不良溶剂混合进行溶胀，得到混合物b；

其中，步骤（3）中低温成型步骤具体包括：

1）将混合物b倒入模具，抽真空去除混合物中气泡；

2）低温成型制备自润滑材料，成型温度为50-120 ℃；

低温成型自润滑材料中，核材由固体自润滑材料组成，壳材由可溶胀聚合物组成；固体自润滑材料为如下材料中的一种或多种：聚四氟乙烯，尼龙，聚甲醛，聚酰亚胺，聚对羟基苯甲酸酯，石墨烯，二硫化钼，六方氮化硼，二硫化钨，二硫化钛，二硒化钼，金，银，锡，铅，镁，铟；可溶胀聚合物为如下材料中的一种或多种：聚乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯，酚醛树脂，聚氨酯，聚酰亚胺，脲醛树脂，三聚氰胺－甲醛树脂，环氧树脂。

2.根据权利要求1所述制备方法，其中，步骤（1）中采用种子乳液聚合法制备以固体自润滑材料为核的核壳结构微/纳米粒子，具体包括：

1）将一种或多种核材固体自润滑微/纳米粒子配制一定浓度的分散液a，

2）机械搅拌下向分散液a中加入一定量壳原料单体或预聚物、引发剂和/或交联剂，

聚合后，分离干燥，得到核壳结构微/纳米粒子。