复合摩擦材料及其制备方法和制备装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料科学技术领域，涉及一种复合摩擦材料及其制备方法和制备装 置，具体涉及一种聚酰胺6/聚氨酯/固体润滑剂复合摩擦材料及其制备方法和制备装置。
【背景技术】
[0002] 聚合物材料的表面硬度低，承载能力差，易磨损，为了改善其摩擦学性能，需对聚 合物进行物理或化学改性，制成聚合物基复合材料，使其具有优异的摩擦学特性，广泛地应 用于需要干摩擦、重载荷、低转速等场合。聚酰胺6复合材料的摩擦特性比较突出，但其耐 磨性、自润滑性欠佳，磨损率较大，且在同时要求高冲击性和耐磨性的场合，复合材料制品 的使用常常受到限制。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有优良的摩擦磨损 性能、较高的室温及低温冲击韧性、较高的拉伸强度和弯曲强度的复合摩擦材料及其制备 方法和制备装置。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
[0005] -种复合摩擦材料，所述复合摩擦材料是先利用己内酰胺单体、聚醚多元醇和异 氰酸酯化合物制备酰基己内酰胺封端的聚氨酯预聚物，再将表面带有-0H基团的固体润滑 剂与酰基己内酰胺封端的聚氨酯预聚物反应，最后引发己内酰胺阴离子聚合得到。
[0006] 上述的复合摩擦材料中，优选的，所述复合摩擦材料在载荷为78. 5N~150N，滑行 速度为500rpm~1500rpm的条件下，摩擦系数为0. 08~0. 15,磨损率为1X10 5mm3/Nm~ 14. 5X10 5mm3/Nm;所述复合摩擦材料的邵氏硬度为78~85,拉伸强度为50MPa~68MPa; 所述复合摩擦材料与纯聚酰胺6相比，室温冲击强度提高2~6倍，-50°C时的低温冲击强 度提高1~4倍。
[0007] 作为一个总的发明构思，本发明还提供一种复合摩擦材料的制备方法，包括以下 步骤：
[0008] (1)将己内酰胺单体与催化剂加入第一反应釜中，加热至熔融，真空脱水，得到己 内酰胺阴离子，即第一反应液；
[0009] (2)先将己内酰胺单体加入第二反应釜中，加热至熔融后，真空脱水，然后将聚醚 多元醇和异氰酸酯化合物加入第二反应釜中，经第一反应后，再加入表面带有-0H基团的 固体润滑剂进行第二反应，得到第二反应液；
[0010] (3)将第一反应液和第二反应液混合，浇铸至模具中，经加热成型后，得到复合摩 擦材料。
[0011] 上述的复合摩擦材料的制备方法中，优选的，所述步骤（1)和步骤（2)中，所述己 内酰胺单体的总质量与所述催化剂的质量之比（即步骤（1)中己内酰胺单体和步骤（2)中 己内酰胺单体的总质量与步骤（1)中催化剂的质量之比）为95~99 : 1~5 ;所述步骤 (1)中的己内酰胺单体与所述步骤（2)中的己内酰胺单体的质量比为35~60 : 40~65。
[0012] 上述的复合摩擦材料的制备方法中，优选的，所述步骤（2)中，所述异氰酸酯化合 物与所述表面带有-0H基团的固体润滑剂的质量比为1~6 : 5~20,所述聚醚多元醇与 所述异氰酸酯化合物的质量比为2~6 : 1~3,所述己内酰胺单体与所述聚醚多元醇的质 量比为70~95 : 5~30。
[0013] 上述的复合摩擦材料的制备方法中，优选的，所述步骤（1)中，所述己内酰胺单体 的加热温度为120°C~160°C，所述真空脱水的时间为5min~20min;所述步骤（2)中，所 述己内酰胺单体的加热温度为120°C~160°C，所述真空脱水的时间为5min~20min，所述 第一反应的反应时间为0. 5h~1. 5h，所述第二反应的反应时间为0. 5h~1. 5h;所述步骤 (3)中，所述加热成型的温度为150°C~180°C，所述加热成型的时间为30min~60min。
[0014] 上述的复合摩擦材料的制备方法中，优选的，所述步骤（2)中，所述聚醚多元醇 包括聚醚二元醇和聚醚三元醇中的一种或两种；所述异氰酸酯化合物包括己二异氰酸酯 (HDI)、二苯甲烷二异氰酸酯（MDI)和三苯甲烷三异氰酸酯（JQ-1胶）中的一种或多种；所 述表面带有-0H基团的固体润滑剂包括表面带有-0H基团的胶体石墨、表面带有-0H基团 的二硫化钼和表面带有-0H基团的聚四氟乙烯中的一种或多种；所述步骤（1)中，所述催化 剂包括金属钠、钠的氢化物、醇钠、氢氧化钠、碳酸钠、金属钾、钾的氢化物、氢氧化钾和有机 金属化合物中的一种或多种。
[0015] 作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的复合摩擦材料或者上述的制备 方法制得的复合摩擦材料的制备装置，所述制备装置包括第一反应釜、第二反应釜、真空 栗、模具和加热炉；所述第一反应釜通过第一缓冲管路与所述真空栗连通，所述第二反应釜 通过第二缓冲管路与所述真空栗连通，所述第一缓冲管路、第二缓冲管路上均设有缓冲釜； 所述模具上设有一混合入料管，所述第一反应釜通过第一出料管与所述混合入料管连通， 所述第二反应釜通过第二出料管与所述混合入料管连通，所述模具通过运输部件输送至所 述加热炉。
[0016] 上述的复合摩擦材料的制备装置中，优选的，所述第一反应釜、第二反应釜上均设 有温度控制仪，所述温度控制仪的控温范围为30°c~300°C;所述第一缓冲管路、第二缓冲 管路上均设有真空表；所述第一缓冲管路、第二缓冲管路上的缓冲釜均设为两个。
[0017] 上述的复合摩擦材料的制备装置中，优选的，所述第一反应釜与所述第一缓冲管 路上的缓冲釜之间采用不锈钢管，所述不锈钢管的长度为2m~4m;所述第二反应釜与所述 第二缓冲管路上的缓冲釜之间采用不锈钢管，所述不锈钢管的长度为2m~4m。
[0018] 本发明是通过己内酰胺阴离子聚合的方法制备聚酰胺6/聚氨酯嵌段共聚物，大 幅度提高其室温和低温的冲击性能，并采用表面带有-0H基团的固体润滑剂改性该嵌段共 聚物的摩擦磨损性能，最终获得一种聚酰胺6/聚氨酯/固体润滑剂复合摩擦材料。本发明 提供了该复合摩擦材料的制备方法，在适当的配方下，保证材料拉伸强度和弯曲强度性能 的同时，室温及低温冲击韧性与摩擦磨损性能得到大幅度的改善。
[0019] 本发明的聚酰胺6/聚氨酯/固体润滑剂复合摩擦材料的制备方法中，所包含的反 应方程式举例如下：
[0020] 第一步：以催化剂氢氧化钠为例，真空脱水过程中发生如下反应：
[0021]
[0022] 第二步：以聚醚二元醇和MDI(4, 4'-二苯基甲烷二异氰酸酯）为例，按合成聚氨酯 预聚物与己内酰胺单体的重量比5-50 : 100的比例计算聚醚二元醇和MDI的用量。
[0023] 聚醚二元醇与MDI反应，再与己内酰胺单体反应，最后得到酰基己内酰胺封端的 聚氨酯预聚物，其方程式如下：
[0025] 固体润滑剂与酰基己内酰胺封端的聚氨酯预聚物之间的反应方程式如下：
[0027] 第三步：将第一反应釜和B中的反应液迅速混合后，经加热成型，得本发明的复合 摩擦材料。
[0028] 本发明的制备方法中，固体润滑剂的表面不需要进行另外的表面修饰，在合成过 程中，直接添加到合成聚氨酯预聚物的反应釜中。
[0029] 本发明的制备装置中，第一反应釜、第二反应釜分别与一根2~4米的不锈钢管和 两个缓冲釜连接，且缓冲釜与真空栗连接，其原因是：在真空栗作用下，反应釜中反应液沸 腾的冲击力大，反应液很容易被抽入缓冲釜或真空栗，因此为使反应液在被冲上管道后能 方便的回落到反应釜中，设计反应釜与一根2~4米的不锈钢管连接；在不锈钢管后设计两 个缓冲釜，是防止反应液沸腾冲击堵住真空栗。
[0030] 本发明的制备装置中，真空栗采用工业用油真空栗，作用是使原液在真空状态下， 爆沸，混合均勾。
[0031] 本发明的制备装置中，第一反应釜和B连接一根注入模具的管道（即混合入料 管），可将第一反应釜、B的反应液混合后注入模具，然后快速运入加热炉中成型，加热炉的 温度控制范围为30~300°C。
[0032] 本发明中，将计量好的原料分别加入制备装置的第一反应釜和第二反应釜中，使 形成己内酰胺阴离子、合成PU活性预聚物、预聚物与固体润滑剂的反应等步骤在规定的时 间内完成，然后混合注入加热后的模具中成型。
[0033] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0034] 1、本发明的复合摩擦材料具有优异的室温和低温冲击韧性，并且固体润滑剂的存 在使复合材料保持韧性的基础上，其摩擦磨损性能得到改善，使该材料在同时要求摩擦磨 损性能和高低温韧性的领域中得到广泛的应用。通过调节聚氨酯预聚物以及固体润滑剂的 含量可以得到综合性能优良的复合摩擦材料以适应不同的使用环境。该复合摩擦材料可 用于提速货车用主摩擦板、心盘磨耗盘、旁承磨耗板和机车减振垫等，也可用于桥梁的缓冲 垫、减震垫板等，广泛应用于机械、化工、交通运输等领域。
[0035] 2、本发明的制备方法是通过己内酰胺阴离子聚合聚酰胺6复合摩擦材料，该方法 聚合温度低、工艺简单，制备的聚酰胺6复合材料具有结晶度高、分子量大且分布均匀、质 量轻、力学性能好，使用温度范围宽等优点。
[0036] 3、对本发明合适配方条件下制备的复合摩擦材料进行性能分析和评估，得到如下 基本性能，能满足不同使用环境的要求：
[0037] (1)与纯聚酰胺6相比，复合摩擦材料的室温冲击强度提高2~6倍，低温冲击强 度（_50°C)提高1~4倍；
[0038] (2)复合摩擦材料的邵氏硬度为78~85 ;
[0039] (3)复合摩擦材料的拉伸强度为50~68MPa;
[0040] (4)复合摩擦材料的摩擦系数为0· 08~0· 15,磨损率为1~14. 5(X10 5mm3/Nm) (载荷为78. 5~150N，滑行速度为500~1500rpm)。
[0041] 4、本发明的制备装置是自主设计的，特点在于，设计两个反应釜装置可以使一些 反应同时进行，如形成己内酰胺阴离子、合成聚氨酯预聚物、预聚物与固体润滑剂的反应等 在规定的时间内同时完成；设计缓冲管路是防止反应釜中反应液被抽入缓冲釜或真空栗， 同时保证反应液在被冲上缓冲管道后能回落至反应釜；设计两个缓冲釜也是防止反应液沸 腾冲击堵住真空栗。
【附图说明】
[0042] 图1为本发明实施例1中复合摩擦材料的制备工艺流程图。
[0043] 图2为本发明实施例1中复合摩擦材料的制备装置结构示意图。
[0044] 图3为本发明实施例1中复合摩擦材料的扫描电镜图。
[0045] 图例说明：
[0046] 1、第一反应釜；2、第二反应釜；3、真空栗；4、模具；5、加热炉；6、第一缓冲管