耐高温聚合物基复合材料滑动轴承

摘要

本发明属于聚合物基滑动轴承的技术领域。本发明公开了一种耐高温聚合物基复合材料滑动轴承，是用耐高温聚合物基体树脂与功能添加剂、增强纤维及助剂复合而成的复合材料，按常规的成型方法制造而成。上述的基体树脂与聚四氟乙烯和/或聚酰胺进行共混改性而成。上述的功能添加剂为纳米级或微米级的无机非金属填料，其中至少一种为纳米级粒子。本发明提供一种摩擦系数低、耐磨损性能好、使用寿命长、PV值较高的耐腐蚀、自润滑的复合材料滑动轴承。

说明书

(一)所述技术领域

本发明属于聚合物基滑动轴承的技术领域，特别涉及一种以耐高温聚合物为基体、纤维增强并含有减摩抗磨微粉功能填料的自润滑复合材料滑动轴承。

(二)背景技术

聚合物基复合材料轴承由于具有自润滑性能好、耐腐蚀、减震降噪、抗异物侵入损伤、成本低、省能源资源等优点，一直是新型轴承研究开发的重点方向之一。但由于受基体材料高分子聚合物对温度敏感性大、耐热性差、导热系数低、尺寸稳定性差、易蠕变等的影响，一直制约着复合材料轴承的技术性能及其应用范围。通常仅适用于＜80℃低常温、低速轻载、低速重载、间歇运行的工况条件。

(三)发明内容

本发明的目的是选用耐高温聚合物为基体材料，进行合理的材料配方设计，以最大限度地提高复合材料滑动轴承的综合技术性能，提供一种使用温度达200℃以上的摩擦系数低、耐磨损性能好、使用寿命长、PV值较高的耐腐蚀、自润滑耐高温聚合物基复合材料滑动轴承。

本发明的目的是这样实现的：

本发明公开了一种耐高温聚合物基复合材料滑动轴承，是用耐高温聚合物基体树脂与功能添加剂、增强纤维及助剂复合而成的复合材料，按常规的成型方法制造而成。上述的基体树脂为聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚苯酯、聚苯并咪脞、聚芳烃、元素有机聚合物等耐高温树脂中的一种或其共混高分子合金，并与占基体树脂0-10％(W)聚四氟乙烯和/或聚酰胺进行共混改性而成。上述的功能添加剂为纳米级或微米级的无机非金属填料，占基体树脂的比例为5-25％(W)，其中至少一种为纳米级粒子。

本发明所述的纳米级无机非金属填料为＜100nm的纳米粒子或一维尺度＜100nm的鳞片状物质，微米级无机非金属填料为＜100um的微粉。

本发明所述的功能填料用钛酸酯或硅烷偶联剂处理，以促进功能填料与基体树脂的有机结合。

本发明所述无机非金属材料包括减磨功能填料和增强功能填料两类，减磨功能填料为石墨、膨胀石墨、MoS₂、碳黑中的至少一种，具有减摩耐磨、自润滑、导热性的功能。增强功能填料为氧化铝、云母、氧化铅、碳化硅、硫化铅、砷化钨、滑石微粉、蒙脱土、硅藻土中的至少一种，具有增强、增韧、增容的功能。

本发明所述的增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、复合晶纤中的一种或一种以上，占基体材料的5-15％(W)，直径＜20um，长度＜1mm，以发挥其在导热、导电、减摩、减磨、泣滑、尺寸稳定等方面的技术功能。

本发明所述的助剂为纤维、微粉所用的偶联剂及复合材料用的稳定剂、防老剂、增强剂、溶剂等。

本发明的滑动轴承，由上述的复合材料采用注射工艺、模压工艺、或挤出工艺制成型材，然后加工成所需的滑动轴承。

以下对具体材料的配合比例及成型工艺进行介绍：

1.注射成型聚酰亚胺基复合材料滑动轴承

以聚酰亚胺(PI)树脂用量为计量基准(重量百分比)，将称量好的PI与占其用量5-10％聚四氟乙烯和/或聚酰胺(PA)共混，再将用钛酸酯或硅烷偶联剂处理过的占PI用量10-25％的纳米/微米级功能填料中的两种或两种以上加入其中按比例混合、分散均匀；接着边搅拌边将长度＜1mm，占PI用量5-15％的一种或两种以上增强纤维和常规、常量的助剂加入其中，经强力搅拌5分钟以上后，放入挤出机料筒，进行熔融、挤出、造粒。最后将粒料放置入注塑机料筒之内，料筒温度达350℃左右，经加热、熔融、塑化，在螺杆或柱塞的强力推动下注入模具，经冷却定型后脱模便制得聚酰亚胺基复合材料滑动轴承。

2.模压成型聚苯硫醚基复合材料滑动轴承

以聚苯硫醚(PPS)树脂用量为计量基准，将称量好的PPS加入占其用量5-10％的聚四氟乙烯或/和聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)，再加入用钛酸酯或硅烷偶联剂处理过的占PPS用量5-15％的纳米/微米级功能填料中的两种或两种以上；边搅拌边加入5-15％的长度＜2mm一种或两种以上增强纤维和常规常量助剂，高速强力搅拌5分钟以上之后，再将其放入瓷缸球磨机中匀化约1小时。最后将匀化后的物料称量装入模具，加温至350℃-370℃，加压7-8MPa，保压8-12分钟，自然冷却至室温，脱模便制得聚苯硫醚基复合材料滑动轴承。

3.挤出成型耐高温聚合物基复合材料滑动轴承

先参照实例1工艺过程前半段，将耐高温聚合物树脂与高分子润滑剂、纳米/微米功能填料、短切增强纤维、助剂等混合均匀，挤出造粒，最后将粒料置入挤出机料筒之内，加热使之熔融、塑化，在螺杆的强力推动下通过模具挤出成管状或柱状棒材，待冷却定型之后，按设计图经车、磨加工成所需耐高温聚合物基复合材料滑动轴承。

本发明耐高温聚合物基复合材料滑动轴承由于能综合发挥基体树脂的耐高温性能，功能填料纳米石墨、MoS₂的减摩耐磨自润滑性和良好的导热性能，纳米氧化铝、云母、碳化硅、蒙脱土等的增强增韧作用，以及增强材料碳纤维导热、自润滑增强性能，从而使本发明的滑动轴承明显优于通用聚合物基复合材料滑动轴承，在PV值相同的前提下可在200℃温度下长期工作，适用于中/低速、轻/载下连续运行，具有广阔的推广应用前景。

本发明的复合材料作成的滑动轴承，由于加入了纳米粒子进行增强、增韧改性，试验表明其最高极限载荷在原来的基础上提高25％以上，最高失效温度提高20℃以上。纳米复合材料滑动轴承的pv值提高20％以上。

本发明的纳米复合材料轴承，由于能充分发挥纳米粒子在较低用量下便可显著减小轴承材料的摩擦系数，降低磨损量，提高其抗疲劳耐冲击、自润滑、减震、降噪等功能，从而使本发明的滑动轴承性能明显优于现有的聚合物基复合材料滑动轴承和金属基滑动轴承，特别适用于腐蚀环境中存有粉尘、冲击、低温潮湿，不能保证润滑等复杂工况条件的低速重载，低速轻载传动，具有广阔的推广应用前景。

因此，本发明由于选用合适的纳米功能组分材料，用较低的添加剂用量便能最大限度地提高复合材料的减摩耐磨技术性能，提供一种摩擦系数低、耐磨损性能好、使用寿命长、PV值较高的耐腐蚀、自润滑的复合材料滑动轴承。

(四)具体实施方式

1.实施例1.注射成型聚酰亚胺基复合材料滑动轴承

以聚酰亚胺(PI)树脂用量为计量基准(重量百分比，以下相同)，将称量好的PI与占其重量8％的聚四氟乙烯进行共混。

再取以PI重量计，用钛酸酯处理过的，5％的微米级(直径范围为10-50um)的膨胀石墨，5％的纳米级(直径范围为10-50nm)的二硫化钼，8％的纳米级(直径范围为8-30nm)的碳化硅，与以上基体树脂分散均匀。接着边搅拌边将长度＜1mm，占PI用量10％的短切碳纤维及常量的助剂加入其中，经强力搅拌5分钟以上后，放入挤出机料筒，进行熔融、挤出、造粒。最后将粒料放置入注塑机料筒之内，料筒温度达350℃左右，经加热、熔融、塑化，在螺杆或柱塞的强力推动下注入模具，经冷却定型后脱模便制得聚酰亚胺基复合材料，按常规的生产方法可制成所需的滑动轴承。

性能：由本发明的复合材料做成的滑动轴承，轴承型号为直径20mm，托辊型号为直径89mm，其初级载荷为24.5kg，极限载荷为142kg，失效温度为248℃，Pv值为1.49MPa.m/s。比普通聚酰亚胺(PI)Pv值提高30％。

2.实例2.模压成型聚苯硫醚基复合材料滑动轴承

以聚苯硫醚(PPS)树脂用量为计量基准，将称量好的PPS加入占其用量6％的聚酰胺(PA)，进行共混。

再加入用钛酸酯处理过的，2％的纳米级(直径范围为10-80nm)的的二硫化钼，5％的纳米级(直径范围为8-20nm)的氧化铝，与以上基体树脂分散均匀。接着边搅拌边将长度＜1mm，占聚苯酯用量15％的复合晶纤及常量的助剂加入其中，高速强力搅拌5分钟以上之后，再将其放入瓷缸球磨机中匀化约1小时。最后将匀化后的物料称量装入模具，加温至350℃-370℃，加压7-8MPa，保压8-12分钟，自然冷却至室温，脱模便制得聚苯硫醚基复合材料，用常规的生产方法制成滑动轴承。

性能：由本发明的复合材料做成的滑动轴承，轴承型号为直径20mm，托辊型号为直径89mm，其初级载荷为24.5kg，极限载荷为128.4kg，失效温度为240℃，Pv值为1.35MPa.m/s，Pv值提高25％。

3.实例3.挤出成型耐高温聚合物基复合材料滑动轴承

以聚苯酯树脂用量为计量基准(重量百分比)，将称量好的聚苯酯与占其重量5％的聚四氟乙烯和5％聚酰胺进行共混。

再取以聚苯酯重量计，再加入用硅烷偶联剂处理过的占PPS用量要12％的微米级(直径范围为20-90um)的膨胀石墨，3％的纳米级(直径范围为10-100nm)的云母，5％的微米级(直径范围为8-30um)的氧化铝，5％的微米级(直径范围为8-80um)的砷化钨。同时，边搅拌边加入占10％，长度＜2mm的玻璃纤维，和占5％，长度＜2mm的青铜纤维，经强力搅拌5分钟以上后，放入挤出机料筒，进行熔融、挤出、造粒。最后将粒料置入挤出机料筒之内，加热使之熔融、塑化，在螺杆的强力推动下通过模具挤出成管状或柱状棒材，待冷却定型之后，按设计图经车、磨加工成所需耐高温聚合物基复合材料滑动轴承。

性能：由本发明的复合材料做成的滑动轴承，轴承型号为直径20mm，托辊型号为直径89mm，其初级载荷为24.5kg，极限载荷为135.4kg，失效温度为230℃，Pv值为1.30MPa.m/s，Pv值提高30％。

4.实施例4.注射成型聚芳烃复合材料滑动轴承

以聚芳烃树脂用量为计量基准(重量百分比，以下相同)，以聚芳烃树脂重量计，用钛酸酯处理过的，5％的纳米级(直径范围为10-50nm)的石墨，6％的纳米级(直径范围为10-50nm)的砷化钨，2％的纳米级(直径范围为8-30nm)的蒙脱土，与以上基体树脂分散均匀。接着边搅拌边将长度＜1mm，占PI用量8％的短切碳纤维及常量的助剂加入其中，经强力搅拌15分钟以上后，放入挤出机料筒，进行熔融、挤出、造粒。最后将粒料放置入注塑机料筒之内，料筒温度达350℃左右，经加热、熔融、塑化，在螺杆或柱塞的强力推动下注入模具，经冷却定型后脱模便制得聚芳烃基复合材料，按常规的生产方法可制成所需的滑动轴承。

性能：由本发明的复合材料做成的滑动轴承，轴承型号为直径20mm，托辊型号为直径89mm，其初级载荷为24.5kg，极限载荷为128.4kg，失效温度为230℃，Pv值为1.36MPa.m/s，Pv值提高25％。