一种聚四氟乙烯纤维编制自润滑材料制备方法与流程

本发明涉及复合材料领域，尤其涉及一种聚四氟乙烯纤维编制自润滑材料制备方法。

背景技术：

聚四氟乙烯(PTFE)是现有材料中摩擦系数最低的材料之一，并且具有自润滑性能，作为自润滑关节轴承润滑层材料而广泛应用于机械制造，航天航空等领域。但是聚四氟乙烯的力学性能较差，机械强度低，磨损率高，所以需要与其他材料进行复合，一般通过向聚四氟乙烯基体内填充纤维、无机粉末和有机高分子填料提高了复合材料耐磨性、硬度和刚度，使其具有良好的抗蠕变性和尺寸稳定性，但磨损量降低的同时，摩擦系数也有所升高。随着自润滑关节轴承的迅速发展，一种具有特殊润滑功能的材料的需求性越来越急迫，传统PTFE自润滑衬垫已经满足不了高温低速重载的工况要求。并且PTFE的表面能低，化学稳定性好，不溶解或溶胀于任何已知溶剂中，润湿性能差，几乎与所有的物质都不能粘结。聚四氟乙烯衬垫同样存在表面活性低，表面光滑，与黏合剂的浸润性不好的问题，所以要进行表面处理来提高粘结度，进而提高衬垫材料的耐磨性。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种聚四氟乙烯纤维编制自润滑材料制备方法:以PTFE纤维为主要原料，采用编织固化的方法制备而成的织物型自润滑复合材料，由具有低摩擦系数的聚四氟乙烯纤维和粘接性能较好的功能纤维构成的，并用具有抗变形的性能的热塑型酚醛树脂作为基体把编织材料固化而成为一体。这种编织方式，使得多数减摩纤维(聚四氟乙烯纤维)处在工作面的同时黏结性较好的纤维(芳纶纤维)处于黏结面，这样这种润滑材料可同时具有很好的减摩性和保持性。这种织物无论自润滑性能还是耐磨损性能都很好，同时力学性能也十分优异，耐腐蚀，置室外15年无老化现象。在重载荷摩擦磨损过程中，PTFE纤维织物中的PTFE材料在轴承内、外圈之间形成聚四氟乙烯的转移膜，转移膜使内圈外球面之间的摩擦得到明显减轻，显著降低轴承内、外圈之间的摩擦系数。

钠萘络合液表面处理法：钠与萘在四氢呋喃中溶解络合而形成钠-萘处理液对聚四氟乙烯表面进行改性。由于钠的最外层3s轨道只有一个电子，容易失去形成Na+稳定结构，在溶解过程中萘的电子空轨道接受钠失去的最外层电子，成为阴离子自由基，再与带正电荷的Na+结合形成离子对。聚四氟乙烯表面层分子失去氟离子与萘基阴离子生成一个中性基团，也可能形成C＝C双键。所以，聚四氟乙烯表层分子中的C-F键被处理液中的钠所破坏，使表面丢失氟离子并形成碳化层，进而改善其粘结性能。经此方法改性的PTFE表面存在着大量的羧基、羰基和羟基等活性基团，从而大大的改善了PTFE表面的粘接性能。

本发明提供的技术方案为：

(1)原料编织：PTFE长丝纤维与芳纶纤维混合编织，织法采用平纹，编制方法为手工编织。纬丝芳纶纤维选用进口杜邦凯夫拉纤维3000D，经纱聚四氟乙烯纤维选用山东森荣国产聚四氟乙烯长丝纤维200D。聚四氟乙烯纤维含量为30％-80％(质量百分比)。

(2)钠萘络合液的配制：将每250ml的四氢呋喃加入装有搅拌装置的三口烧瓶中，加入32g萘，待萘完全溶于四氢呋喃后，将2-3g的钠小心逐步投入到此溶液中，搅拌3-4个小时，溶液慢慢变为深蓝色，最终络合液呈黑色。将制备得到得处理液至于暗处保存备用。

PTFE/芳纶织物表面处理：PTFE/芳纶纤维织物用酒精清洗及干燥后，浸入到此络合液中分别30秒-5分钟，取出浸入丙酮，然后再水洗，在80～120℃条件下烘干30分钟。

(3)成型：环氧树脂与酚醛树脂比例为60:40加热到60℃后混合均匀，PTFE/芳纶纤维织物在此混合胶液中浸渍，取出后在150～160℃下加压烘干成型4小时以上。

性能检测：

粘结：

1.胶黏剂配制：将7.5g环氧树脂与6.0g酚醛树脂混合加热到60℃，加入2.5g邻苯二甲酸二丁酯，充分搅拌使其混合均匀。待冷至室温后加入1g乙二胺并搅拌均匀。

2.金属基体表面(45钢块)处理：钢块试样得尺寸为25mm×125mm×13mm；用600#水砂纸打磨，乙醇清洗，放入恒温干燥箱中，在恒温185℃保温1.5h。

3.粘结工艺：将45钢块试样预热到50～60℃，在其表面均匀涂一层胶黏剂，待气泡消失胶黏剂在金属表面上充分扩散渗透，将PTFE/芳纶纤维织物粘贴其上，加压1公斤/cm2，常温固化8小时以上。

摩擦磨损实验：测试设备为MWW-1万能摩擦磨损试验机，试验参数为：试验压力50N，摩擦转速100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min；经试验试样的摩擦系数随时间变化趋势为：起始阶段时摩擦系数逐渐增大，增大到一定值时摩擦系数开始降低并最终保持稳定，最终稳定摩擦系数可低至0.14。

本发明采用一定比例的聚四氟乙烯与芳纶纤维进行编织，钠萘络合液进行表面处理，特定胶液浸渍热压成型，最终制备出减磨耐磨性能优异，粘接性能好的织物型自润滑复合材料。

附图说明

图1样品30％-cl0在不同转速下的摩擦系数；

图2样品80％-cl0在不同转速下的摩擦系数；

图3样品30％-cl0和80％-cl0摩擦系数稳定平均值对比；

图4样品30％-cl1在不同转速下的摩擦系数；

图5样品80％-cl1在不同转速下的摩擦系数；

图6样品30％-cl0、80％-cl0、30％-cl1和80％-cl1摩擦系数稳定平均值对比；

图7样品30％-cl2在不同转速下的摩擦系数；

图8样品80％-cl2在不同转速下的摩擦系数；

图9自编织织物在不同转速下摩擦系数稳定平均值对比；

图10织物在不同转速下的质量磨损量。

具体实施方式

实施例1

(1)原料编织：PTFE长丝纤维与芳纶纤维混合编织，织法采用平纹，编制方法为手工编织。纬丝芳纶纤维选用进口杜邦凯夫拉纤维3000D，经纱聚四氟乙烯纤维选用山东森荣国产聚四氟乙烯长丝纤维200D。聚四氟乙烯纤维含量为30％(质量百分比)。

(2)成型：环氧树脂与酚醛树脂比例为60:40加热到60℃后混合均匀，PTFE/芳纶纤维织物在此混合胶液中浸渍，取出后在150℃下加压烘干成型4小时。

得到样品编号为30％-cl0。

实施例2

与实施例1的区别在于：聚四氟乙烯纤维含量为80％(质量百分比)。得到样品编号为80％-cl0。

实施例3

(1)原料编织：PTFE长丝纤维与芳纶纤维混合编织，织法采用平纹，编制方法为手工编织。纬丝芳纶纤维选用进口杜邦凯夫拉纤维3000D，经纱聚四氟乙烯纤维选用山东森荣国产聚四氟乙烯长丝纤维200D。聚四氟乙烯纤维含量为30％(质量百分比)。

(2)钠萘络合液的配制：将每250ml的四氢呋喃加入装有搅拌装置的三口烧瓶中，加入32g萘，待萘完全溶于四氢呋喃后，将2g的钠小心逐步投入到此溶液中，搅拌3个小时，溶液慢慢变为深蓝色，最终络合液呈黑色。将制备得到得处理液至于暗处保存备用。

PTFE/芳纶织物表面处理：PTFE/芳纶纤维织物用酒精清洗及干燥后，浸入到此络合液中5min，取出浸入丙酮，然后再水洗，在80℃条件下烘干30分钟。

(3)成型：环氧树脂与酚醛树脂比例为60:40加热到60℃后混合均匀，PTFE/芳纶纤维织物在此混合胶液中浸渍，取出后在150℃下加压烘干成型4小时以上。

得到样品编号为30％-cl1。

实施例4

与实施例3的区别在于：聚四氟乙烯纤维含量为80％(质量百分比)。得到样品编号为80％-cl1。

实施例5

与实施例3的区别在于：浸入钠萘络合液的时间为30s。得到样品编号为30％-cl2。

实施例6

与实施例5的区别在于：聚四氟乙烯纤维含量为80％(质量百分比)。得到样品编号为80％-cl2。

实施例7性能研究

准备：

1.胶黏剂配制：将7.5g环氧树脂与6.0g酚醛树脂混合加热到60℃，加入2.5g邻苯二甲酸二丁酯，充分搅拌使其混合均匀。待冷至室温后加入1g乙二胺并搅拌均匀。

2.金属基体表面(45钢块)处理：钢块试样得尺寸为25mm×125mm×13mm；用600#水砂纸打磨，乙醇清洗，放入恒温干燥箱中，在恒温185℃保温1.5h。

3.粘结工艺：将45钢块试样预热到50～60℃，在其表面均匀涂一层胶黏剂，待气泡消失胶黏剂在金属表面上充分扩散渗透，将实施例1-6制备的样品分别粘贴其上，加压1公斤/cm²，常温固化8小时以上。

检测：

1)对编织的PTFE纤维含量为30％和80％两种PTFE纤维织物复合材料分别进行摩擦磨损试验，记录其摩擦过程中摩擦系数的变化，结果如下：

图1为样品30％-cl0在50N载荷下摩擦1小时，转速分别为100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min，观察并记录其摩擦系数的变化情况。可以清晰的看出在试验开始阶段，由于需要缓慢地提高转速，所以摩擦系数并不稳定。待转速达到要求且稳定下来，摩擦系数也逐渐趋于平稳。可以观察到随着转速的增加，摩擦系数逐渐增大。每条系数曲线上下波动较大，方差较大。摩擦系数在0.2-0.45之间。

图2为样品80％-cl0在50N载荷下摩擦1小时，转速分别为100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min，记录其摩擦系数的变化情况。在试验开始阶段，由于需要缓慢地提高转速，所以摩擦系数并不稳定。待转速达到要求且稳定下来，摩擦系数也逐渐趋于平稳。不同转速下摩擦系数的变化有明显的规律：转速越高，摩擦系数越低。并且在高速下(400r/min、500r/min)摩擦系数相差不大，几乎相同。而且高转速下摩擦系数明显低于PTFE纤维含量为30％的样品，在0.15-0.25之间，并且数值波动不大，方差较小。

以上两图对比发现PTFE纤维含量越高摩擦系数越低，两种含量的样品在不同转速下稳定后的平均摩擦系数的变化如图3。分析认为如果起润滑作用的PTFE的含量降低，单位面积内的Kevlar的比例就增大了，因此摩擦系数会有很大的增高。而PTFE的含量增大后，磨头与复合材料摩擦形成的PTFE转移膜可以较为容易的到达临近的材料上，进而使复合材料形成一个连续的润滑面，使得摩擦系数进一步减小。

2)为了讨论钠萘络合液表面处理对PTFE纤维织物摩擦表面的影响，对PTFE含量为30％和80％的两种纤维织物分别进行表面处理5min和30s，对四个样品经过摩擦磨损试验，记录其摩擦系数的变化并进行分析，结果如下：

图4为样品30％-cl1：PTFE纤维含量为30％，经过钠萘络合液表面处理5min，在50N载荷下摩擦1小时，转速分别为100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min，记录其摩擦系数的变化情况。在试验开始阶段，由于需要缓慢地提高转速，所以摩擦系数并不稳定。待转速达到要求且稳定下来，摩擦系数也逐渐趋于平稳。随着转动速度加大，摩擦系数也逐渐增加，且低速(100r/min、200r/min)摩擦系数曲线波动较大，高速下(400r/min)波动较小。摩擦系数在0.3-0.7之间，明显大于未经过表面处理的样品。

图5为样品80％-cl1：PTFE纤维含量为80％，经过钠萘络合液表面处理5min，在50N载荷下摩擦1小时，转速分别为100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min，记录其摩擦系数的变化情况。在试验开始阶段，由于需要缓慢地提高转速，所以摩擦系数并不稳定。待转速达到要求且稳定下来，摩擦系数也逐渐趋于平稳。从摩擦曲线之间可以观察到随着转速的增加，摩擦系数逐渐增大。而且摩擦系数在0.2-0.6之间，并且数值波动不大，方差较小。

以上对比发现经过钠萘络合液处理液表面处理后的PTFE纤维织物，摩擦系数有一定程度的升高。PTFE纤维含量越高摩擦系数越低，两种含量的样品在不同转速下稳定后的平均摩擦系数的变化图6。

3)由于经过表面处理液处理5min后的织物与树脂结合能力大大加强，导致涂覆树脂过于厚重，摩擦磨损试验过程中实际摩擦对象为表面树脂，摩擦系数一定程度的增加，影响了对纤维织物摩擦性能的分析，所以缩短表面处理的时间为30s。

图7为样品30％-cl2：PTFE纤维含量为30％，经过钠萘络合液表面处理30S，在50N载荷下摩擦1小时，转速分别为100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min，记录其摩擦系数的变化情况如。在试验开始阶段，由于需要缓慢地提高转速，所以摩擦系数并不稳定。待转速达到要求且稳定下来，摩擦系数也逐渐趋于平稳。随着转速的增加，摩擦系数逐渐加大。且低速(100r/min、200r/min、300r/min)摩擦系数曲线波动较小，高速下(400r/min、500r/min)波动较大。摩擦系数在0.25-0.6之间。

图8为样品80％-cl2：PTFE纤维含量为80％，经过钠萘络合液表面处理30s，在50N载荷下摩擦1小时，转速分别为100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min，记录其摩擦系数的变化情况如。在试验开始阶段，由于需要缓慢地提高转速，所以摩擦系数并不稳定。待转速达到要求且稳定下来，摩擦系数也逐渐趋于平稳。从摩擦曲线之间可以观察到随着转速的增加，摩擦系数逐渐减小。而且摩擦系数在0.15-0.4之间，并且数值波动不大，方差较小。

4)图9两种含量的6个样品在不同转速下稳定后的平均摩擦系数的变化，对比发现经过钠萘络合液处理液表面处理30s后的PTFE纤维织物，摩擦系数有一定程度的升高，但与表面处理时间为5min的样品相比，摩擦系数升高幅度不大。并且经过表面处理后的样品织物仍然保持着PTFE纤维含量越高摩擦系数越低的规律。

纤维织物各样品在不同转速下的磨损量见图10。经过表面处理，磨损量大幅增大，认为是由于表面处理过的聚四氟乙烯纤维布上粘附的树脂较多，在摩擦中这些树脂磨损较为严重。聚四氟乙烯纤维含量为30％未经过表面处理的纤维织物磨损量最小，且随着转速的增加，磨损量先有所增加后又稍减少。聚四氟乙烯纤维含量为80％未经过表面处理的纤维布磨损量次小，且随着转速的增加，磨损持续增加。聚四氟乙烯纤维含量为30％和80％经过表面处理5min的样品磨损量最大、次大，且二者磨损量都随转速的增加而增大。而表面处理时间缩短为30s的样品的磨损量明显小于表面处理5min的样品的磨损量，与未经表面处理的样品相比较也略有增加。所有样品的磨损量总体趋势均为随着摩擦转速的增加而增加。