一种耐磨聚苯醚自润滑复合材料及其制备方法与应用

1.本发明涉及复合材料制备技术领域，尤其涉及一种耐磨聚苯醚自润滑复合材料及其制备方法与应用。


背景技术：

2.聚苯醚(ppo)是一种在20世纪60年代发展起来的、综合性能良好、用途广泛的工程塑料。具有突出的电绝缘性和耐水性，同时具有较好的耐磨性、尺寸稳定性等，但是聚苯醚在受到应力时有开裂的倾向，而且熔体黏度高，加工成型困难，很大程度上限制了聚苯醚材料的应用。
3.通过添加纤维对聚苯醚进行改性可提高起耐应力开裂性，使得聚苯醚复合材料在各个领域得以发展，如齿轮、轴承、水泵等零部件。但是在使用过程中，这些零部件除了对起耐应力开裂性具有一定要求外，还需要具有较高的力学性能、尺寸稳定性以及自润滑性能。
4.玄武岩纤维的添加虽然在一定程度上改善了聚苯醚的力学性能，但与聚苯醚的结合不好，在摩擦过程中更容易脱落，磨损率和摩擦系数都会提高。
5.因此，如何公开一种耐磨聚苯醚自润滑复合材料及其制备方法与应用，提高聚苯醚复合材料的耐应力开裂性、力学性能、尺寸稳定性以及自润滑性能是本领域亟待解决的难题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种耐磨聚苯醚自润滑复合材料及其制备方法与应用，本发明解决了现有的聚苯醚复合材料力学性能差、尺寸稳定性低以及自润滑性差的问题。
7.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种耐磨聚苯醚自润滑复合材料，包括如下质量份数的原料：聚苯醚70-90份、四水合钼酸铵0.179-0.926份、硫脲0.208-1.074份、玄武岩纤维10-11.613份。
9.优选的，所述玄武岩纤维的长径比为280-320：1。
10.本发明的另一目的是提供一种耐磨聚苯醚自润滑复合材料的制备方法，包括如下步骤:
11.1)将玄武岩纤维进行除油处理，然后与四水合钼酸铵、硫脲和水混合，进行反应，得到二硫化钼@玄武岩纤维；
12.2)将聚苯醚和二硫化钼@玄武岩纤维混合，进行烧结得到耐磨聚苯醚自润滑复合材料。
13.优选的，所述玄武岩纤维除油处理为先采用用石油醚浸泡2.5-3.5h，再用无水乙醇抽滤。
14.优选的，所述玄武岩纤维、石油醚和无水乙醇的添加比为40-60g：100ml：100ml。
15.优选的，所述步骤1)中反应的温度为200-240℃，反应时间为22-26h。
16.优选的，所述步骤2)中的混合操作为先在500rpm下搅拌5-10min，然后加入乙醇，
同时进行500rpm搅拌和480w超声分散1-2h，烘干后，再在3000rpm下搅拌5-10min；
17.所述聚苯醚和二硫化钼@玄武岩纤维的总量与乙醇的质量体积比为46g：400ml。
18.优选的，所述步骤2)中烧结的温度为250℃，烧结时间为2h。
19.优选的，所述聚苯醚在混合前还需要进行干燥，干燥温度为90-110℃，干燥时间为10-14h。
20.本发明的再一目的是提供一种耐磨聚苯醚自润滑复合材料制备方法制备得到的耐磨聚苯醚自润滑复合材料在机械部件中的应用。
21.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
22.本发明公开的自润滑聚苯醚复合材料的原料成本低，制备过程简便，适于大规模推广，易于大批量工业生产；
23.本发明的自润滑聚苯醚复合材料具有自润滑耐磨功效，而且具有较高的机械性能，力学性能。适宜制备自润滑的机械零件时，具有普适性强，应用广泛的优点。
附图说明
24.图1为二硫化钼与玄武岩纤维质量比为1:5的二硫化钼@玄武岩纤维的sem图像；
25.图2为二硫化钼与玄武岩纤维质量比为1:10的二硫化钼@玄武岩纤维的sem图像；
26.图3为二硫化钼与玄武岩纤维质量比为1:30的二硫化钼@玄武岩纤维的sem图像；
27.图4为纯玄武岩纤维的sem图像；
28.图5为二硫化钼与玄武岩纤维质量比为1:5的二硫化钼@玄武岩纤维/聚苯醚复合材料摩擦后垫片的光学显微镜图像；
29.图6为二硫化钼与玄武岩纤维质量比为1:5的二硫化钼@玄武岩纤维/聚苯醚复合材料摩擦后材料摩损表面的光学显微镜图像；
30.图7为二硫化钼与玄武岩纤维质量比为1:10的二硫化钼@玄武岩纤维/聚苯醚复合材料摩擦后垫片的光学显微镜图像；
31.图8为二硫化钼与玄武岩纤维质量比为1:10的二硫化钼@玄武岩纤维/聚苯醚复合材料摩擦后材料摩损表面的光学显微镜图像；
32.图9为二硫化钼与玄武岩纤维质量比为1:30的二硫化钼@玄武岩纤维/聚苯醚复合材料摩擦后垫片的光学显微镜图像；
33.图10为二硫化钼与玄武岩纤维质量比为1:30的二硫化钼@玄武岩纤维/聚苯醚复合材料摩擦后材料摩损表面的光学显微镜图像；
34.图11为玄武岩纤维/聚苯醚复合材料摩擦后垫片的光学显微镜图像；
35.图12为玄武岩纤维/聚苯醚复合材料摩擦后材料磨损表面的光学显微镜图像；
36.图13为聚苯醚摩擦后垫片的光学显微镜图像；
37.图14为聚苯醚摩擦后材料磨损表面的光学显微镜图像。
具体实施方式
38.一种耐磨聚苯醚自润滑复合材料，包括如下质量份数的原料：聚苯醚70-90份、四水合钼酸铵0.179-0.926份、硫脲0.208-1.074份、玄武岩纤维10-11.613份；优选为聚苯醚73-88份、四水合钼酸铵0.3-0.8份、硫脲0.4-0.8份、玄武岩纤维10.5-11份；进一步优选为
聚苯醚80份、四水合钼酸铵0.5份、硫脲0.5份、玄武岩纤维10.8份。
39.在本发明中，所述玄武岩纤维的长径比为280-320：1；优选为290-310：1，进一步优选为300：1。
40.本发明还提供了一种耐磨聚苯醚自润滑复合材料的制备方法，包括如下步骤:
41.1)将玄武岩纤维进行除油处理，然后与四水合钼酸铵、硫脲和水混合，进行反应，得到二硫化钼@玄武岩纤维；
42.2)将聚苯醚和二硫化钼@玄武岩纤维混合，进行烧结得到耐磨聚苯醚自润滑复合材料。
43.在本发明中，所述玄武岩纤维除油处理为先采用用石油醚浸泡2.5-3.5h，优选为3h；再用无水乙醇抽滤。
44.在本发明中，所述玄武岩纤维、石油醚和无水乙醇的添加比为40-60g：100ml：100ml，优选为50g：100ml：100ml。
45.在本发明中，所述步骤1)中反应的温度为200-240℃，优选为210-230℃，进一步优选为220℃；反应时间为22-26h，优选为23-25h，进一步优选为24h。
46.在本发明中，所述步骤1)中水的添加量优选为能够溶解四水合钼酸铵、硫脲以及使玄武岩纤维分散。
47.在本发明中，所述步骤2)中的混合操作为先在300rpm下搅拌5-10min，优选为在300rpm下搅拌8min；然后加入乙醇，同时进行500rpm搅拌和480w超声分散1-2h，烘干后，再在3000rpm下搅拌5-10min。
48.所述聚苯醚和二硫化钼@玄武岩纤维的总量与乙醇的质量体积比为46g：400ml。
49.在本发明中，得到的二硫化钼的粒径小于1μm，优选为0.3-0.8μm，进一步优选为0.5μm。
50.在本发明中，所述步骤2)中烧结的温度为250℃，烧结时间为2h。
51.在本发明中，所述聚苯醚在混合前还需要进行干燥，干燥温度为90-110℃，优选为100℃；干燥时间为10-14h，优选为12h。
52.本发明还提供了一种耐磨聚苯醚自润滑复合材料制备方法制备得到的耐磨聚苯醚自润滑复合材料在机械部件中的应用。
53.在本发明中，所述机械部件优选为自润滑的轴承、齿轮。
54.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
55.实施例1
56.步骤1、取80份聚苯醚在100℃下干燥12h，备用。
57.步骤2、将10份玄武岩纤维用石油醚浸泡3h，再用无水乙醇抽滤冲洗，烘干备用(玄武岩纤维、石油醚和无水乙醇的添加比为50g：100ml：100ml)。
58.步骤3、将0.926份四水合钼酸铵和1.074份硫脲分散在水中，加入除油处理后的玄武岩纤维，搅拌超声，置于反应釜中，在220℃下水热反应24h。对水热反应产物采用去离子水和无水乙醇进行抽滤洗涤，烘干得到二硫化钼@玄武岩纤维。
59.步骤4、将烘干后的聚苯醚和二硫化钼@玄武岩纤维先在高速混料机(3000rpm)中搅拌8min使原料混合均匀；然后再将聚苯醚和二硫化钼@玄武岩纤维放入装有乙醇的玻璃容器中，在500rpm下进行机械搅拌以及在480w下进行超声分散，两者同时进行，1.5h后，进行抽滤，烘干，再用高速混料机(3000rpm)搅拌5min，得到混合粉体。
60.步骤5、将混合粉体在250℃下，烧结2h得到耐磨聚苯醚自润滑复合材料。
61.实施例2
62.步骤1、取90份聚苯醚在90℃下干燥14h，备用。
63.步骤2、将10.91份玄武岩纤维用石油醚浸泡2.5h，再用无水乙醇抽滤冲洗，烘干备用(玄武岩纤维、石油醚和无水乙醇的添加比为50g：100ml：100ml)。
64.步骤3、将0.50467份四水合钼酸铵和0.58533份硫脲分散在水中，加入除油处理后的玄武岩纤维，搅拌超声，置于反应釜中，在220℃下水热反应24h。对水热反应产物采用去离子水和无水乙醇进行抽滤洗涤，烘干得到二硫化钼@玄武岩纤维。
65.步骤4、将烘干后的聚苯醚和二硫化钼@玄武岩纤维先在高速混料机(3000rpm)中搅拌5min使原料混合均匀；然后再将聚苯醚和二硫化钼@玄武岩纤维放入装有乙醇的玻璃容器中，在500rpm下进行机械搅拌以及在480w下进行超声分散，两者同时进行，1.5h后，进行抽滤，烘干，再用高速混料机(3000rpm)搅拌10min，得到混合粉体。
66.步骤5、将混合粉体在250℃下，烧结2h得到耐磨聚苯醚自润滑复合材料。
67.实施例3
68.步骤1、取70份聚苯醚在110℃下干燥10h，备用。
69.步骤2、将11.613份玄武岩纤维用石油醚浸泡3.5h，再用无水乙醇抽滤冲洗，烘干备用(玄武岩纤维、石油醚和无水乙醇的添加比为50g：100ml：100ml)。
70.步骤3、将0.179份四水合钼酸铵和0.208份硫脲分散在水中，加入除油处理后的玄武岩纤维，搅拌超声，置于反应釜中，在220℃下水热反应24h。对水热反应产物采用去离子水和无水乙醇进行抽滤洗涤，烘干得到二硫化钼@玄武岩纤维。
71.步骤4、将烘干后的聚苯醚和二硫化钼@玄武岩纤维先在高速混料机(3000rpm)中搅拌8min使原料混合均匀；然后再将聚苯醚和二硫化钼@玄武岩纤维放入装有乙醇的玻璃容器中，在500rpm下进行机械搅拌以及在480w下进行超声分散，两者同时进行，1h后，进行抽滤，烘干，再用高速混料机(3000rpm)搅拌8min，得到混合粉体。
72.步骤5、将混合粉体在250℃下，烧结2h得到耐磨聚苯醚自润滑复合材料。
73.对比例1
74.取玄武岩纤维12份，不添加四水合钼酸铵和硫脲，其余操作同实施例1。
75.对比例2
76.取烘干后的聚苯醚92份，直接烧结。
77.对实施例1-3和对比例1-2制备的产品进行性能测试，其中，摩擦系数根据gb/t 10006-1988标准测定，测定结果如表1所示。
78.表1自润滑聚苯醚复合材料的性能测试
[0079][0080][0081]
由表1的实验结果可知，对比例1中不添加玄武岩纤维和二硫化钼，制品的摩擦系数大于添加玄武岩纤维或者明显大于添加玄武岩纤维和二硫化钼的；对比例2中不添加二硫化钼和玄武岩，制品的摩擦系数大于添加二硫化钼的。同时添加玄武岩纤维和二硫化钼的实施例1-3摩擦系数显著下降，综上所述，本发明制作方法简单，操作简便，具有自润滑耐磨性能。
[0082]
分别调整二硫化钼与玄武岩纤维的质量比为1:5、1:10、1:30，所得sem图依次对应图1-3，纯玄武岩纤维的sem图像如图4所示，对比可以看二硫化钼与玄武岩纤维的质量比为1:5和1:30的包覆情况良好，但相对比这两种比例，在二硫化钼与玄武岩纤维的质量比为1:30sem图中，在玄武岩纤维上生长的二硫化钼形貌更加均匀，而二硫化钼与玄武岩纤维的质量比为1:10的sem形貌，不如前两者的形貌，包覆情况也较差。
[0083]
二硫化钼与玄武岩纤维的质量比为1:5、1:10、1:30的耐磨聚苯醚自润滑复合材料摩擦后垫片的光学显微镜图像依次如图5、图7、图9所示，玄武岩纤维/聚苯醚复合材料摩擦后垫片的光学显微镜图像如图11所示，聚苯醚材料摩擦后垫片的光学显微镜图像如图13所示，对比可以看出：仅有聚苯醚材料的对偶磨损表面最为严重，二硫化钼与玄武岩纤维的质量比为1:5的材料磨损转移膜较为完整，1:10的材料钢环有少量磨损，转移膜也不连续，而1:30的材料只有少量转移膜存在的痕迹。
[0084]
二硫化钼与玄武岩纤维的质量比为1:5、1:10、1:30的耐磨聚苯醚自润滑复合材料摩擦后材料摩损表面的光学显微镜图像依次如图6、图8、图10所示，玄武岩纤维/聚苯醚复合材料摩擦后材料磨损表面的光学显微镜图像如图12所示，聚苯醚材料摩擦后材料磨损表面的光学显微镜图像如图14所示，对比可以看出：聚苯醚材料摩擦后，表面有大量凹槽，二硫化钼与玄武岩纤维的质量比为1:5的材料磨损较少，而在另外两种比例的材料均有较大磨损，出现部分的凹槽。
[0085]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0086]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。