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CN116082839B - 一种适用于苛刻油润滑工况的高韧性聚苯硫醚基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种适用于苛刻油润滑工况的高韧性聚苯硫醚基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于苛刻油润滑工况的高韧性聚苯硫醚基复合材料及其制备方法。该复合材料是指用熔点和热变形温度相近的聚芳醚腈树脂来增韧聚苯硫醚树脂，改善纯聚苯硫醚树脂韧性差、性脆的不足；再通过合理的配方设计，添加相应的增强纤维，固体润滑剂以及功能性纳米填料，通过模压工艺或挤出注射工艺制备而得。制备的改性聚苯硫醚基复合材料在苛刻油润滑条件下表现出较低的摩擦系数和磨损率以及较高的冲击强度。本发明对于聚苯硫醚树脂在油润滑工况的传动部件中应用提供了新思路。

Description

一种适用于苛刻油润滑工况的高韧性聚苯硫醚基复合材料及 其制备方法
技术领域
本发明涉及工程材料领域，尤其涉及一种适用于苛刻油润滑工况的高韧性聚苯硫醚基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着工业技术不断发展，传动部件服役寿命不断延长，对于机械耐磨零部件的力学和摩擦学性能提出更高要求，设计开发具有优异自润滑性能、耐磨可靠的材料逐渐成为各国研究热点。聚合物复合材料由于其质量轻、化学稳定性高、可设计性强等优势，广泛应用于各种诸如汽车、风电、军事等领域。
聚苯硫醚(PPS)是由苯环和硫构成的具有简单化学结构的结晶性耐热高分子材料。该树脂具有约280℃的熔点，长期使用温度高达220℃～240℃，作为特种工程塑料之一，广泛地应用在电子、电器、汽车、航空航天等领域。此外，相较于聚醚醚酮(PEEK)，聚酰亚胺(PI)等特种塑料，其低的成本优势吸引广泛关注。然而，纯PPS制品的脆性高、韧性差、刚性和强度不足，本身的耐磨性能较差，这限制了其在高端装备润滑材料中的应用。有研究表明，PPS可以用来增韧增塑聚芳醚腈(PEN)，PPS作为填料，质量分数达15％时，PEN/PPS表现出良好加工流动性以及耐热性能[工程塑料应用，2009，37(12):4-7]。不过，鲜有关于PEN增韧PPS的公开报道(PPS作为基体材料，PEN作为填料)，来探究复合材料的力学性能和在苛刻油润滑工况下的摩擦学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于苛刻油润滑工况的高韧性聚苯硫醚基复合材料及其制备方法。
本发明所述的一种适用于苛刻油润滑工况的高韧性聚苯硫醚基复合材料，其特征在于：该复合材料按照质量份数包括：聚苯硫醚树脂和聚芳醚腈树脂为基体材料100份(两者质量比1.5～9)，增强纤维12-55份，固体润滑剂6-18份以及功能性纳米填料1-9份等。
所述聚苯硫醚树脂为粉体或粒料，粉体用于模压成型，粒料用于挤出注塑成型。
所述聚芳醚腈树脂为粉体或粒料，粉体用于模压成型，粒料用于挤出注塑成型。
所述增强纤维为碳纤维，芳纶纤维，玻璃纤维，钛酸晶须纤维中的任意一种，模压工艺用研磨粉体，挤出注塑工艺用短切纤维。
所述固体润滑剂为聚四氟乙烯，平均粒径在50μm～200μm。
所述功能性纳米填料为纳米氧化铝，纳米二氧化钛，纳米二氧化锆中的任意一种，平均粒径在10nm～100nm。
所述一种适用于苛刻油润滑工况的高韧性聚苯硫醚基复合材料的制备方法，其特征在于：
(1)模压工艺，按照不同配比称取原料，用鼓风干燥箱充分烘干；将充分干燥的聚苯硫醚粉体，聚芳醚腈粉体，增强纤维研磨粉体，固体润滑剂，功能性纳米填料采用高速搅拌机进行混合，保证材料混合均匀；放入模具中，转移至平板硫化机，温度设置300℃，保温1h，压力设置15MPa。
(2)挤出注塑工艺，按照不同配比称取原料，用鼓风干燥箱充分烘干；将充分干燥的聚苯硫醚粒料和聚芳醚腈粒料通过主喂料口，增强纤维通过侧喂料口，固体润滑剂和功能性功能纳米填料通过粉体喂料口。采用双螺杆挤出机/注塑机1～4区温度为290～300～320～330℃，挤出机螺杆转速350rpm，注塑机注射压力90MPa，背压3MPa，模具温度150℃。
本发明具有的优点在于：
本发明改良纯聚苯硫醚实际应用工况中韧性差，性脆等不足，在提高材料韧性基础上，通过配方优化，设计制备适合在苛刻油润滑工况使用的高韧性聚苯硫醚基自润滑耐磨材料；此外，诸如乙烯丙烯酸甲酯共聚物，马来酸酐接枝苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚弹性体等增韧剂，会损失聚苯硫醚复合材料本身的热稳定性，而通过加入热变形温度、熔点相近的聚芳醚腈树脂，复合材料表现出较好的耐热性能，使得制备的材料更好的运用在高温环境中，提高配副使用寿命和可靠性。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步说明本发明，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
实施例1一种适用于苛刻油润滑工况的高韧性聚苯硫醚基复合材料
按照质量配比，称取一定量的聚苯硫醚树脂和聚芳醚腈树脂粉体为基体材料100份(聚苯硫醚60份，聚芳醚腈40份)，碳纤维粉末55份，聚四氟乙烯18份(平均粒径50μm)以及纳米氧化铝9份(平均粒径10nm)。用鼓风干燥箱充分烘干后，采用高速搅拌机进行混合，保证材料混合均匀；放入模具中，转移至平板硫化机，温度设置300℃，保温1h，压力设置15MPa。冷却至室温得到块体材料，随后考察其摩擦学性能。
实施例2一种适用于苛刻油润滑工况的高韧性聚苯硫醚基复合材料
按照质量配比，称取一定量的聚苯硫醚树脂和聚芳醚腈树脂粒料为基体材料100份(聚苯硫醚60份，聚芳醚腈40份)，短切碳纤维55份，聚四氟乙烯18份(平均粒径50μm)以及纳米氧化铝9份(平均粒径10nm)。用鼓风干燥箱充分烘干；将充分干燥的聚苯硫醚粒料和聚芳醚腈粒料通过主喂料口，碳纤维通过侧喂料口，聚四氟乙烯和纳米氧化铝通过粉体喂料口。采用双螺杆挤出机/注塑机1～4区温度为290～300～320～330℃，挤出机螺杆转速350rpm，注塑机注射压力90MPa，背压3MPa，模具温度150℃。注塑得到样品，随后考察其力学性能和摩擦学性能。
实施例3一种适用于苛刻油润滑工况的高韧性聚苯硫醚基复合材料
按照质量配比，称取一定量的聚苯硫醚树脂和聚芳醚腈树脂粉体为基体材料100份(聚苯硫醚80份，聚芳醚腈20份)，碳纤维粉末29份，聚四氟乙烯12份(平均粒径100μm)以及纳米二氧化钛4份(平均粒径50nm)。用鼓风干燥箱充分烘干后，采用高速搅拌机进行混合，保证材料混合均匀；放入模具中，转移至平板硫化机，温度设置300℃，保温1h，压力设置15MPa。冷却至室温得到块体材料，随后考察其摩擦学性能。
实施例4一种适用于苛刻油润滑工况的高韧性聚苯硫醚基复合材料
按照质量配比，称取一定量的聚苯硫醚树脂和聚芳醚腈树脂粒料为基体材料100份(聚苯硫醚80份，聚芳醚腈20份)，短切碳纤维29份，聚四氟乙烯12份(平均粒径100μm)以及纳米二氧化钛4份(平均粒径50nm)。用鼓风干燥箱充分烘干；将充分干燥的聚苯硫醚粒料和聚芳醚腈粒料通过主喂料口，碳纤维通过侧喂料口，聚四氟乙烯和纳米二氧化钛通过粉体喂料口。采用双螺杆挤出机/注塑机1～4区温度为290～300～320～330℃，挤出机螺杆转速350rpm，注塑机注射压力90MPa，背压3MPa，模具温度150℃。注塑得到样品，随后考察其力学性能和摩擦学性能。
实施例5一种适用于苛刻油润滑工况的高韧性聚苯硫醚基复合材料
按照质量配比，称取一定量的聚苯硫醚树脂和聚芳醚腈树脂粉体为基体材料100份(聚苯硫醚90份，聚芳醚腈10份)，碳纤维粉末12份，聚四氟乙烯6份(平均粒径200μm)以及纳米二氧化锆1份(平均粒径100nm)。用鼓风干燥箱充分烘干后，采用高速搅拌机进行混合，保证材料混合均匀；放入模具中，转移至平板硫化机，温度设置300℃，保温1h，压力设置15MPa。冷却至室温得到块体材料，随后考察其摩擦学性能。
实施例6一种适用于苛刻油润滑工况的高韧性聚苯硫醚基复合材料
按照质量配比，称取一定量的聚苯硫醚树脂和聚芳醚腈树脂粒料为基体材料100份(聚苯硫醚90份，聚芳醚腈10份)，短切碳纤维12份，聚四氟乙烯6份(平均粒径200μm)以及纳米二氧化锆1份(平均粒径100nm)。用鼓风干燥箱充分烘干；将充分干燥的聚苯硫醚粒料和聚芳醚腈粒料通过主喂料口，碳纤维通过侧喂料口，聚四氟乙烯和纳米二氧化锆通过粉体喂料口。采用双螺杆挤出机/注塑机1～4区温度为290～300～320～330℃，挤出机螺杆转速350rpm，注塑机注射压力90MPa，背压3MPa，模具温度150℃。注塑得到样品，随后考察其力学性能和摩擦学性能。
对比例1一种聚苯硫醚材料
按照质量配比，称取一定量的聚苯硫醚树脂粉体100份，用鼓风干燥箱充分烘干后，采用高速搅拌机进行混合，保证材料混合均匀；放入模具中，转移至平板硫化机，温度设置300℃，保温1h，压力设置15MPa。冷却至室温得到块体材料，随后考察其摩擦学性能。
对比例2一种聚苯硫醚基复合材料
按照质量配比，称取一定量的聚苯硫醚树脂粒料为基体材料100份，短切碳纤维55份，聚四氟乙烯18份(平均粒径50μm)以及纳米氧化铝9份(平均粒径10nm)。用鼓风干燥箱充分烘干；将充分干燥的聚苯硫醚粒料通过主喂料口，碳纤维通过侧喂料口，聚四氟乙烯和纳米氧化铝通过粉体喂料口。采用双螺杆挤出机/注塑机1～4区温度为290～300～320～330℃，挤出机螺杆转速350rpm，注塑机注射压力90MPa，背压3MPa，模具温度150℃。注塑得到样品，随后考察其力学性能和摩擦学性能。
本发明对以上实施例1，2，3，4，5，6以及对比例1，2进行摩擦实验，选用高速环-块试验机进行测试。将模压或挤出注塑样品材料机械加工为25×10×4mm3，对偶件是GCr15轴承钢，测试条件为：载荷100N，速度0.1m/s，持续时间2h，配副浸泡在装满PAO油的腔体中。摩擦实验结束后，利用光学显微镜测量磨痕宽度，运用公式计算其磨损率。
磨损率的计算公式：
其中，L′为试样的宽度(mm)，R为对偶钢环的直径(mm)，W为磨痕的宽度(mm)，F为法向施加的力(N)，L为滑动距离(m)。
本发明对以上实施例2，4，6以及对比例2进行力学性能测试，按照GB/T1043-2018塑料简支梁冲击性能的测定，将实施例和对比例样品加工成80×10×4mm3，采用CJJX智能数显控制简悬组合冲击试验机对实施例和对比例进行力学冲击性能的测定。
本发明实施例及对比例制备材料的平均摩擦系数和磨损率测定计算结果如表1所示。本发明实施例以及对比例制备材料的冲击强度测量结果如表2所示。
表1.实施例及对比例制备材料的平均摩擦系数和磨损率测定计算结果
摩擦系数 磨损率(10-6mm3/Nm)
实施例1 0.11 3.21
实施例2 0.12 3.32
实施例3 0.15 4.51
实施例4 0.14 5.60
实施例5 0.14 4.64
实施例6 0.13 4.89
对比例1 0.30 40
对比例2 0.20 6.53
表2.实施例及对比例制备材料的无缺口冲击强度
无缺口冲击强度(kJ/m2)
实施例2 35.8
实施例4 23.4
实施例6 20.7
对比例2 9.6
从表1可以看出，本发明得到的一种适用于苛刻油润滑工况的高韧性聚苯硫醚基复合材料(实施例1、2、3、4、5、6)与纯聚苯硫醚树脂和聚苯硫醚常规耐磨改性复合材料(对比例1、2)相比具有显著的减摩抗磨特性，磨损率较纯树脂极大降低。从表2可以看出，经过聚芳醚腈改性的聚苯硫醚复合材料，韧性较没有PEN增韧的无缺口冲击强度大幅提高。通过合理的配方设计，可以制备出在苛刻油润滑条件下具有高韧性且摩擦学性能优异的摩擦配副材料。

Claims (2)

1.一种适用于苛刻油润滑工况的高韧性聚苯硫醚基复合材料，其特征在于，该复合材料按照质量份数包括：聚苯硫醚树脂和聚芳醚腈树脂为基体材料100份，增强纤维12-55份，固体润滑剂6-18份以及功能性纳米填料1-9份，其中，聚苯硫醚树脂和聚芳醚腈树脂两者的质量比为1.5～9；所述聚芳醚腈树脂的热变形温度、熔点与聚苯硫醚树脂相近；
所述聚苯硫醚树脂为粉体或粒料，粉体用于模压成型，粒料用于挤出注塑成型；
所述聚芳醚腈树脂为粉体或粒料，粉体用于模压成型，粒料用于挤出注塑成型；
所述增强纤维为碳纤维，芳纶纤维，玻璃纤维，钛酸晶须纤维中的任意一种，模压工艺用研磨粉体，挤出注塑工艺用短切纤维；
所述固体润滑剂为聚四氟乙烯，平均粒径在50μm～200μm；
所述功能性纳米填料为纳米氧化铝，纳米二氧化钛，纳米二氧化锆中的任意一种，平均粒径在10 nm～100 nm。
2.权利要求1所述的适用于苛刻油润滑工况的高韧性聚苯硫醚基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
模压工艺，按照不同配比称取原料，用鼓风干燥箱充分烘干；将充分干燥的聚苯硫醚粉体，聚芳醚腈粉体，增强纤维研磨粉体，固体润滑剂，功能性纳米填料采用高速搅拌机进行混合，保证材料混合均匀；放入模具中，转移至平板硫化机，温度设置300℃，保温1 h，压力设置15 MPa；
或：挤出注塑工艺，按照不同配比称取原料，用鼓风干燥箱充分烘干；将充分干燥的聚苯硫醚粒料和聚芳醚腈粒料通过主喂料口，增强纤维通过侧喂料口，固体润滑剂和功能性纳米填料通过粉体喂料口，采用双螺杆挤出机/注塑机1～4区温度为290～300～320～330℃，挤出机螺杆转速350 rpm，注塑机注射压力90 MPa，背压3 MPa，模具温度150℃。
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