各向异性织构/金属离子注入改性聚合物表面的方法

摘要

本发明公开了一种各向异性表面织构/金属离子改性聚合物表面的方法，是利用纳米压印技术对聚合物（聚酰亚胺或聚四氟乙烯）表面进行织构处理，再进一步采用Mevva‑V•Ru真空电弧离子源离子，在聚合物注入金属离子Mg或/和Ta，获得具有各向异性的聚合物表面，在降低聚合物摩擦系数（降低至0.2~0.5之间）的同时提高了其耐磨性，可用于航空、航天、轴承、垫圈等部件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚合物表面改性方法，尤其涉及一种1、各向异性织构/金属离子注入改性聚合物表面的方法，以改善聚合物的摩擦性能和耐磨性能，属于聚合物表面改性领域。

背景技术

聚合物，成为工程机械部件轻量化的首选材料，其功能化和服役寿命成为当前的迫切要求。尤其是在摩擦学和耐磨寿命方面，有时候同时要求其具有高阻力和低阻力，如使用聚酰亚胺或聚四氟乙烯作为轴套材料，就要求在运动方向向低阻力，但是在非运动方向上是高阻力，以保证设备运行的稳定性。表面织构是实现摩擦学各项异性的有效手段。ZL201610579008.7 公开了一种微织构化三层复合润滑薄膜的制备方法，在单晶硅表面刻蚀获得具有规则正六边形阵列形貌的微观粗糙结构，然后通过分子自组装、聚合物和离子液体技术，在微织构硅片表面依次获得（3-氨丙基）三甲氧基硅烷（APS）基底固定薄膜层、聚多巴胺（PDA）中间连接薄膜层和羧基咪唑类离子液体（IL-COOH）固定/流动两相润滑薄膜层，形成微织构化三层复合润滑薄膜。该发明所制备的微织构化三层复合润滑薄膜合理地将表面织构、自组装分子膜、聚合物薄膜和离子液体薄膜结合起来，有效改善了单晶硅表面的摩擦学性能。ZL 201911233637.4公开了一种基于表面织构的超声电机用增摩结构，包括摩擦材料基底，所述摩擦材料基底的材质为聚合物基复合材料，设置在超声电机的转子外端面，摩擦材料基底的表面设置有表面织构，表面织构的结构为微凸体或微凹坑的一种或两种，微凸体包括正六边形微凸体、方形微凸体、圆形微凸体，微凹坑包括正六边形微凹坑、方形微凹坑、圆形微凹坑。本发明在超声电机的摩擦材料进行表面织构，在干摩擦的条件下，表面织构的存在会增大摩擦系数，从而增大超声电机的输出力矩；表面织构形成的空隙能有效的捕获并容纳磨屑，减少了磨粒磨损和犁沟，提高了超声电机的使用寿命。ZL201810892248.1公开了一种具有优异力学、摩擦学表现的聚合物仿生织构薄膜及其制备方法，以美人蕉、鸢尾等植物叶片为模板，选用磺化的聚醚醚酮为基体材料，获得具有优异力学和摩擦学性能的聚醚醚酮仿生织构薄膜。该聚合物薄膜表面成功复制了植物叶片表面的微观纳米结构，增强了材料的力学和摩擦学性能。但是，如何在制备摩擦学各向异性的聚合物表面成为一项技术挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种各向异性织构/金属离子注入改性聚合物表面的方法，以获得特殊性能的聚合物表面，使聚合物具有各向异性、低摩擦、高耐磨性能。

一、各向异性表面织构/金属离子改性聚合物表面

本发明利用纳米压印技术对聚合物（聚酰亚胺或聚四氟乙烯）表面进行织构处理，再进一步采用Mevva-V·Ru真空电弧离子源离子，在聚合物注入单金属或双金属离子，进而获得的改性聚合物。

本发明各向异性的表面织构/金属离子注入改性聚合物表面的具体方法如下：

（1）将聚合物（聚酰亚胺或聚四氟乙烯）在去离子水中分别超声清洗5~10min，重复2~4次，去除表面的污染物；

（2）利用纳米压印技术对清洗后的聚合物表面进行织构处理，获得表面条状织构；在去离子水中超声清洗5~10min，重复2~4次，

（3）将压印织构处理后的聚合物放入真空腔，真空腔真空抽至1×10

（4）将织构处理后聚合物表面非刻蚀部分用不锈钢掩模版遮盖，打开电弧电源，调节电流18~38 A，占空比为62%，产生束电流密度为0.25~0.38 A/100 cm

上述真空电弧离子源采用Mevva-V.Ru真空电弧离子源。电弧电源采用直流脉冲弧电源。

通过上述表面条状织构化及单金属（Mg）或双金属离子（Mg和Ta）注入，获得的改性聚合物具有各向异性、低摩擦、高耐磨性能。

本发明对聚合物表面进行了改性处理，单金属注入时，Mg离子的注入改变聚合物表面物理化学性能，使得摩擦系数降低，聚合物表面形成如图1所示成分不同的条状区域，横向纵向摩擦时分别呈现除不同的摩擦系数。同理，对聚合物表面的条状织构化处理为其带来摩擦各向异性，双金属离子Mg、Ta的注入降低摩擦系数提高耐磨损性能。

二、各向异性表面织构/金属离子注入改性聚合物的摩擦性能

测试方法：在往复摩擦试验机上检测表面改性聚合物的摩擦系数。选择直径为ø6mm 的GCr15钢球作为对偶球。具体参数如下：摩擦载荷为5 N，频率为5 Hz，振幅为5 mm，湿度28 %，测试时间为50 min。

测试结果：聚合物摩擦系数从0.64降低至0.2~0.5之间，摩擦后聚合物表面几乎无磨损痕迹。

综上所述，本发明先利同纳米压印技术对聚合物表面进行条状织构化处理，再在聚合物表面注入金属离子Mg 或/和Ta，获得具有各向异性的聚合物表面，在降低聚合物摩擦系数的同时提高了其耐磨性，可用于航空、航天、轴承、垫圈等部件。

附图说明

图1为实施例1、3中制备的改性聚合物的微观形貌，其中1为条状刻蚀织构区域，2为聚合物表面条状刻蚀织构区外区域。

图2为实施例2、4中制备的改性聚合物的微观形貌，其中1为条状刻蚀织构区域，2为聚合物表面条状织构刻蚀区外区域。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明各向异性表面织构/金属离子注入改性聚合物表面的方法及摩擦性能作进一步说明。

实施例1

（1）将聚酰亚胺在去离子水中分别超声清洗8 min，重复3次，去除表面的污染物；

（2）对清洗后的聚酰亚胺采用纳米压印技术进行条状织构化处理，获得表面条状织构；在去离子水中超声清洗5 min，重复3次；

（3）将处理后的聚酰亚胺放入真空腔，对表面非刻蚀部分用不锈钢掩模版进行遮盖，并将真空腔真空抽至1×10

（4）打开电弧电源，调节Mg靶电流为18 A，占空比为62%，产生束电流密度为0.25A/100 cm

（5）在往复摩擦试验机上检测改性聚酰亚胺的摩擦性能。选择直径为ø6 mm 的GCr15钢球作为对偶球。具体参数如下：摩擦载荷为5N，频率为5Hz，振幅为5 mm，湿度28 %，测试时间为50 min。横向摩擦系数为：0.36，纵向摩擦系数为：0.43，具有摩擦系数各向异性，几乎看不到磨损痕迹，具有良好的耐磨损性能。

实施例2

（1）将聚酰亚胺在去离子水中分别超声清洗8 min，重复3次，去除表面的污染物；

（2）对清洗后的聚酰亚胺采用纳米压印技术进行条状织构化处理，获得表面条状织构；在去离子水中超声清洗5 min，重复3次；

（3）将处理后的聚酰亚胺放入真空腔，并将真空腔真空抽至1×10

（4）打开电弧电源，调节Mg和Ta的靶电流均为31 A，占空比为62%，产生束电流密度为0.31A/100 cm

（5）在往复摩擦试验机上检测表面改性处理后的聚合物，选择直径为ø6 mm 的GCr15钢球作为对偶球。具体参数如下：摩擦载荷为5 N，频率为5 Hz，振幅为5 mm，湿度28%，测试时间为50 min。横向摩擦系数为：0.26，纵向摩擦系数为：0.36，具有摩擦系数各向异性，几乎看不到磨损痕迹，具有良好的耐磨损性能。

实施例3

（1）将聚四氟乙烯在去离子水中分别超声清洗8 min，重复3次，去除表面的污染物；

（2）对清洗后的聚四氟乙烯采用纳米压印技术进行条状织构化处理，获得表面条状织构；在去离子水中超声清洗5 min，重复3次；

（3）将处理后的聚四氟乙烯放入真空腔，对表面非刻蚀部分用不锈钢掩模版进行遮盖，并将真空腔真空抽至1×10

（4）打开电弧电源，调节Mg靶电流为38 A，占空比为62%，产生束电流密度为0.38A/100 cm

（5）在往复摩擦试验机上检测表面改性聚四氟乙烯的摩擦性能。选择直径为ø6 mm的GCr15钢球作为对偶球。具体参数如下：摩擦载荷为5 N，频率为5 Hz，振幅为5 mm，湿度28%，测试时间为50 min。横向摩擦系数为：0.32，纵向摩擦系数为：0.40，具有摩擦系数各向异性，几乎看不到磨损痕迹，具有良好的耐磨损性能。

实施例4

（1）将聚四氟乙烯在去离子水中分别超声清洗8 min，重复3次，去除表面的污染物；

（2）对清洗后的聚四氟乙烯采用纳米压印技术进行条状织构化处理，获得表面条状织构；再在去离子水中超声清洗5 min，重复3次；

（3）将处理后的聚四氟乙烯放入真空腔，并将真空腔真空抽至1×10

（4）打开电弧电源，调节Mg和Ta的靶电流为26 A，占空比为62%，产生束电流密度为0.29 A/100 cm

（5）在往复摩擦试验机上检测改性聚四氟乙烯的摩擦性能。选择直径为ø6 mm 的GCr15钢球作为对偶球。具体参数如下：摩擦载荷为5 N，频率为5 Hz，振幅为5mm，湿度28 %，测试时间为50 min。横向摩擦系数为：0.21，纵向摩擦系数为：0.32，具有摩擦系数各向异性，几乎看不到磨损痕迹，具有良好的耐磨损性能。