本發(fā)明涉及復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其涉及一種聚四氟乙烯纖維編制自潤滑材料制備方法。

背景技術(shù)：

聚四氟乙烯(PTFE)是現(xiàn)有材料中摩擦系數(shù)最低的材料之一，并且具有自潤滑性能，作為自潤滑關(guān)節(jié)軸承潤滑層材料而廣泛應(yīng)用于機械制造，航天航空等領(lǐng)域。但是聚四氟乙烯的力學性能較差，機械強度低，磨損率高，所以需要與其他材料進行復(fù)合，一般通過向聚四氟乙烯基體內(nèi)填充纖維、無機粉末和有機高分子填料提高了復(fù)合材料耐磨性、硬度和剛度，使其具有良好的抗蠕變性和尺寸穩(wěn)定性，但磨損量降低的同時，摩擦系數(shù)也有所升高。隨著自潤滑關(guān)節(jié)軸承的迅速發(fā)展，一種具有特殊潤滑功能的材料的需求性越來越急迫，傳統(tǒng)PTFE自潤滑襯墊已經(jīng)滿足不了高溫低速重載的工況要求。并且PTFE的表面能低，化學穩(wěn)定性好，不溶解或溶脹于任何已知溶劑中，潤濕性能差，幾乎與所有的物質(zhì)都不能粘結(jié)。聚四氟乙烯襯墊同樣存在表面活性低，表面光滑，與黏合劑的浸潤性不好的問題，所以要進行表面處理來提高粘結(jié)度，進而提高襯墊材料的耐磨性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種聚四氟乙烯纖維編制自潤滑材料制備方法:以PTFE纖維為主要原料，采用編織固化的方法制備而成的織物型自潤滑復(fù)合材料，由具有低摩擦系數(shù)的聚四氟乙烯纖維和粘接性能較好的功能纖維構(gòu)成的，并用具有抗變形的性能的熱塑型酚醛樹脂作為基體把編織材料固化而成為一體。這種編織方式，使得多數(shù)減摩纖維(聚四氟乙烯纖維)處在工作面的同時黏結(jié)性較好的纖維(芳綸纖維)處于黏結(jié)面，這樣這種潤滑材料可同時具有很好的減摩性和保持性。這種織物無論自潤滑性能還是耐磨損性能都很好，同時力學性能也十分優(yōu)異，耐腐蝕，置室外15年無老化現(xiàn)象。在重載荷摩擦磨損過程中，PTFE纖維織物中的PTFE材料在軸承內(nèi)、外圈之間形成聚四氟乙烯的轉(zhuǎn)移膜，轉(zhuǎn)移膜使內(nèi)圈外球面之間的摩擦得到明顯減輕，顯著降低軸承內(nèi)、外圈之間的摩擦系數(shù)。

鈉萘絡(luò)合液表面處理法：鈉與萘在四氫呋喃中溶解絡(luò)合而形成鈉-萘處理液對聚四氟乙烯表面進行改性。由于鈉的最外層3s軌道只有一個電子，容易失去形成Na+穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在溶解過程中萘的電子空軌道接受鈉失去的最外層電子，成為陰離子自由基，再與帶正電荷的Na+結(jié)合形成離子對。聚四氟乙烯表面層分子失去氟離子與萘基陰離子生成一個中性基團，也可能形成C＝C雙鍵。所以，聚四氟乙烯表層分子中的C-F鍵被處理液中的鈉所破壞，使表面丟失氟離子并形成碳化層，進而改善其粘結(jié)性能。經(jīng)此方法改性的PTFE表面存在著大量的羧基、羰基和羥基等活性基團，從而大大的改善了PTFE表面的粘接性能。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

(1)原料編織：PTFE長絲纖維與芳綸纖維混合編織，織法采用平紋，編制方法為手工編織。緯絲芳綸纖維選用進口杜邦凱夫拉纖維3000D，經(jīng)紗聚四氟乙烯纖維選用山東森榮國產(chǎn)聚四氟乙烯長絲纖維200D。聚四氟乙烯纖維含量為30％-80％(質(zhì)量百分比)。

(2)鈉萘絡(luò)合液的配制：將每250ml的四氫呋喃加入裝有攪拌裝置的三口燒瓶中，加入32g萘，待萘完全溶于四氫呋喃后，將2-3g的鈉小心逐步投入到此溶液中，攪拌3-4個小時，溶液慢慢變?yōu)樯钏{色，最終絡(luò)合液呈黑色。將制備得到得處理液至于暗處保存?zhèn)溆谩?/p>

PTFE/芳綸織物表面處理：PTFE/芳綸纖維織物用酒精清洗及干燥后，浸入到此絡(luò)合液中分別30秒-5分鐘，取出浸入丙酮，然后再水洗，在80～120℃條件下烘干30分鐘。

(3)成型：環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂比例為60:40加熱到60℃后混合均勻，PTFE/芳綸纖維織物在此混合膠液中浸漬，取出后在150～160℃下加壓烘干成型4小時以上。

性能檢測：

粘結(jié)：

1.膠黏劑配制：將7.5g環(huán)氧樹脂與6.0g酚醛樹脂混合加熱到60℃，加入2.5g鄰苯二甲酸二丁酯，充分攪拌使其混合均勻。待冷至室溫后加入1g乙二胺并攪拌均勻。

2.金屬基體表面(45鋼塊)處理：鋼塊試樣得尺寸為25mm×125mm×13mm；用600#水砂紙打磨，乙醇清洗，放入恒溫干燥箱中，在恒溫185℃保溫1.5h。

3.粘結(jié)工藝：將45鋼塊試樣預(yù)熱到50～60℃，在其表面均勻涂一層膠黏劑，待氣泡消失膠黏劑在金屬表面上充分擴散滲透，將PTFE/芳綸纖維織物粘貼其上，加壓1公斤/cm2，常溫固化8小時以上。

摩擦磨損實驗：測試設(shè)備為MWW-1萬能摩擦磨損試驗機，試驗參數(shù)為：試驗壓力50N，摩擦轉(zhuǎn)速100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min；經(jīng)試驗試樣的摩擦系數(shù)隨時間變化趨勢為：起始階段時摩擦系數(shù)逐漸增大，增大到一定值時摩擦系數(shù)開始降低并最終保持穩(wěn)定，最終穩(wěn)定摩擦系數(shù)可低至0.14。

本發(fā)明采用一定比例的聚四氟乙烯與芳綸纖維進行編織，鈉萘絡(luò)合液進行表面處理，特定膠液浸漬熱壓成型，最終制備出減磨耐磨性能優(yōu)異，粘接性能好的織物型自潤滑復(fù)合材料。

附圖說明

圖1樣品30％-cl0在不同轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)；

圖2樣品80％-cl0在不同轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)；

圖3樣品30％-cl0和80％-cl0摩擦系數(shù)穩(wěn)定平均值對比；

圖4樣品30％-cl1在不同轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)；

圖5樣品80％-cl1在不同轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)；

圖6樣品30％-cl0、80％-cl0、30％-cl1和80％-cl1摩擦系數(shù)穩(wěn)定平均值對比；

圖7樣品30％-cl2在不同轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)；

圖8樣品80％-cl2在不同轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)；

圖9自編織織物在不同轉(zhuǎn)速下摩擦系數(shù)穩(wěn)定平均值對比；

圖10織物在不同轉(zhuǎn)速下的質(zhì)量磨損量。

具體實施方式

實施例1

(1)原料編織：PTFE長絲纖維與芳綸纖維混合編織，織法采用平紋，編制方法為手工編織。緯絲芳綸纖維選用進口杜邦凱夫拉纖維3000D，經(jīng)紗聚四氟乙烯纖維選用山東森榮國產(chǎn)聚四氟乙烯長絲纖維200D。聚四氟乙烯纖維含量為30％(質(zhì)量百分比)。

(2)成型：環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂比例為60:40加熱到60℃后混合均勻，PTFE/芳綸纖維織物在此混合膠液中浸漬，取出后在150℃下加壓烘干成型4小時。

得到樣品編號為30％-cl0。

實施例2

與實施例1的區(qū)別在于：聚四氟乙烯纖維含量為80％(質(zhì)量百分比)。得到樣品編號為80％-cl0。

實施例3

(1)原料編織：PTFE長絲纖維與芳綸纖維混合編織，織法采用平紋，編制方法為手工編織。緯絲芳綸纖維選用進口杜邦凱夫拉纖維3000D，經(jīng)紗聚四氟乙烯纖維選用山東森榮國產(chǎn)聚四氟乙烯長絲纖維200D。聚四氟乙烯纖維含量為30％(質(zhì)量百分比)。

(2)鈉萘絡(luò)合液的配制：將每250ml的四氫呋喃加入裝有攪拌裝置的三口燒瓶中，加入32g萘，待萘完全溶于四氫呋喃后，將2g的鈉小心逐步投入到此溶液中，攪拌3個小時，溶液慢慢變?yōu)樯钏{色，最終絡(luò)合液呈黑色。將制備得到得處理液至于暗處保存?zhèn)溆谩?/p>

PTFE/芳綸織物表面處理：PTFE/芳綸纖維織物用酒精清洗及干燥后，浸入到此絡(luò)合液中5min，取出浸入丙酮，然后再水洗，在80℃條件下烘干30分鐘。

(3)成型：環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂比例為60:40加熱到60℃后混合均勻，PTFE/芳綸纖維織物在此混合膠液中浸漬，取出后在150℃下加壓烘干成型4小時以上。

得到樣品編號為30％-cl1。

實施例4

與實施例3的區(qū)別在于：聚四氟乙烯纖維含量為80％(質(zhì)量百分比)。得到樣品編號為80％-cl1。

實施例5

與實施例3的區(qū)別在于：浸入鈉萘絡(luò)合液的時間為30s。得到樣品編號為30％-cl2。

實施例6

與實施例5的區(qū)別在于：聚四氟乙烯纖維含量為80％(質(zhì)量百分比)。得到樣品編號為80％-cl2。

實施例7性能研究

準備：

1.膠黏劑配制：將7.5g環(huán)氧樹脂與6.0g酚醛樹脂混合加熱到60℃，加入2.5g鄰苯二甲酸二丁酯，充分攪拌使其混合均勻。待冷至室溫后加入1g乙二胺并攪拌均勻。

2.金屬基體表面(45鋼塊)處理：鋼塊試樣得尺寸為25mm×125mm×13mm；用600#水砂紙打磨，乙醇清洗，放入恒溫干燥箱中，在恒溫185℃保溫1.5h。

3.粘結(jié)工藝：將45鋼塊試樣預(yù)熱到50～60℃，在其表面均勻涂一層膠黏劑，待氣泡消失膠黏劑在金屬表面上充分擴散滲透，將實施例1-6制備的樣品分別粘貼其上，加壓1公斤/cm²，常溫固化8小時以上。

檢測：

1)對編織的PTFE纖維含量為30％和80％兩種PTFE纖維織物復(fù)合材料分別進行摩擦磨損試驗，記錄其摩擦過程中摩擦系數(shù)的變化，結(jié)果如下：

圖1為樣品30％-cl0在50N載荷下摩擦1小時，轉(zhuǎn)速分別為100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min，觀察并記錄其摩擦系數(shù)的變化情況?？梢郧逦目闯鲈谠囼為_始階段，由于需要緩慢地提高轉(zhuǎn)速，所以摩擦系數(shù)并不穩(wěn)定。待轉(zhuǎn)速達到要求且穩(wěn)定下來，摩擦系數(shù)也逐漸趨于平穩(wěn)?？梢杂^察到隨著轉(zhuǎn)速的增加，摩擦系數(shù)逐漸增大。每條系數(shù)曲線上下波動較大，方差較大。摩擦系數(shù)在0.2-0.45之間。

圖2為樣品80％-cl0在50N載荷下摩擦1小時，轉(zhuǎn)速分別為100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min，記錄其摩擦系數(shù)的變化情況。在試驗開始階段，由于需要緩慢地提高轉(zhuǎn)速，所以摩擦系數(shù)并不穩(wěn)定。待轉(zhuǎn)速達到要求且穩(wěn)定下來，摩擦系數(shù)也逐漸趨于平穩(wěn)。不同轉(zhuǎn)速下摩擦系數(shù)的變化有明顯的規(guī)律：轉(zhuǎn)速越高，摩擦系數(shù)越低。并且在高速下(400r/min、500r/min)摩擦系數(shù)相差不大，幾乎相同。而且高轉(zhuǎn)速下摩擦系數(shù)明顯低于PTFE纖維含量為30％的樣品，在0.15-0.25之間，并且數(shù)值波動不大，方差較小。

以上兩圖對比發(fā)現(xiàn)PTFE纖維含量越高摩擦系數(shù)越低，兩種含量的樣品在不同轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定后的平均摩擦系數(shù)的變化如圖3。分析認為如果起潤滑作用的PTFE的含量降低，單位面積內(nèi)的Kevlar的比例就增大了，因此摩擦系數(shù)會有很大的增高。而PTFE的含量增大后，磨頭與復(fù)合材料摩擦形成的PTFE轉(zhuǎn)移膜可以較為容易的到達臨近的材料上，進而使復(fù)合材料形成一個連續(xù)的潤滑面，使得摩擦系數(shù)進一步減小。

2)為了討論鈉萘絡(luò)合液表面處理對PTFE纖維織物摩擦表面的影響，對PTFE含量為30％和80％的兩種纖維織物分別進行表面處理5min和30s，對四個樣品經(jīng)過摩擦磨損試驗，記錄其摩擦系數(shù)的變化并進行分析，結(jié)果如下：

圖4為樣品30％-cl1：PTFE纖維含量為30％，經(jīng)過鈉萘絡(luò)合液表面處理5min，在50N載荷下摩擦1小時，轉(zhuǎn)速分別為100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min，記錄其摩擦系數(shù)的變化情況。在試驗開始階段，由于需要緩慢地提高轉(zhuǎn)速，所以摩擦系數(shù)并不穩(wěn)定。待轉(zhuǎn)速達到要求且穩(wěn)定下來，摩擦系數(shù)也逐漸趨于平穩(wěn)。隨著轉(zhuǎn)動速度加大，摩擦系數(shù)也逐漸增加，且低速(100r/min、200r/min)摩擦系數(shù)曲線波動較大，高速下(400r/min)波動較小。摩擦系數(shù)在0.3-0.7之間，明顯大于未經(jīng)過表面處理的樣品。

圖5為樣品80％-cl1：PTFE纖維含量為80％，經(jīng)過鈉萘絡(luò)合液表面處理5min，在50N載荷下摩擦1小時，轉(zhuǎn)速分別為100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min，記錄其摩擦系數(shù)的變化情況。在試驗開始階段，由于需要緩慢地提高轉(zhuǎn)速，所以摩擦系數(shù)并不穩(wěn)定。待轉(zhuǎn)速達到要求且穩(wěn)定下來，摩擦系數(shù)也逐漸趨于平穩(wěn)。從摩擦曲線之間可以觀察到隨著轉(zhuǎn)速的增加，摩擦系數(shù)逐漸增大。而且摩擦系數(shù)在0.2-0.6之間，并且數(shù)值波動不大，方差較小。

以上對比發(fā)現(xiàn)經(jīng)過鈉萘絡(luò)合液處理液表面處理后的PTFE纖維織物，摩擦系數(shù)有一定程度的升高。PTFE纖維含量越高摩擦系數(shù)越低，兩種含量的樣品在不同轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定后的平均摩擦系數(shù)的變化圖6。

3)由于經(jīng)過表面處理液處理5min后的織物與樹脂結(jié)合能力大大加強，導致涂覆樹脂過于厚重，摩擦磨損試驗過程中實際摩擦對象為表面樹脂，摩擦系數(shù)一定程度的增加，影響了對纖維織物摩擦性能的分析，所以縮短表面處理的時間為30s。

圖7為樣品30％-cl2：PTFE纖維含量為30％，經(jīng)過鈉萘絡(luò)合液表面處理30S，在50N載荷下摩擦1小時，轉(zhuǎn)速分別為100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min，記錄其摩擦系數(shù)的變化情況如。在試驗開始階段，由于需要緩慢地提高轉(zhuǎn)速，所以摩擦系數(shù)并不穩(wěn)定。待轉(zhuǎn)速達到要求且穩(wěn)定下來，摩擦系數(shù)也逐漸趨于平穩(wěn)。隨著轉(zhuǎn)速的增加，摩擦系數(shù)逐漸加大。且低速(100r/min、200r/min、300r/min)摩擦系數(shù)曲線波動較小，高速下(400r/min、500r/min)波動較大。摩擦系數(shù)在0.25-0.6之間。

圖8為樣品80％-cl2：PTFE纖維含量為80％，經(jīng)過鈉萘絡(luò)合液表面處理30s，在50N載荷下摩擦1小時，轉(zhuǎn)速分別為100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min，記錄其摩擦系數(shù)的變化情況如。在試驗開始階段，由于需要緩慢地提高轉(zhuǎn)速，所以摩擦系數(shù)并不穩(wěn)定。待轉(zhuǎn)速達到要求且穩(wěn)定下來，摩擦系數(shù)也逐漸趨于平穩(wěn)。從摩擦曲線之間可以觀察到隨著轉(zhuǎn)速的增加，摩擦系數(shù)逐漸減小。而且摩擦系數(shù)在0.15-0.4之間，并且數(shù)值波動不大，方差較小。

4)圖9兩種含量的6個樣品在不同轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定后的平均摩擦系數(shù)的變化，對比發(fā)現(xiàn)經(jīng)過鈉萘絡(luò)合液處理液表面處理30s后的PTFE纖維織物，摩擦系數(shù)有一定程度的升高，但與表面處理時間為5min的樣品相比，摩擦系數(shù)升高幅度不大。并且經(jīng)過表面處理后的樣品織物仍然保持著PTFE纖維含量越高摩擦系數(shù)越低的規(guī)律。

纖維織物各樣品在不同轉(zhuǎn)速下的磨損量見圖10。經(jīng)過表面處理，磨損量大幅增大，認為是由于表面處理過的聚四氟乙烯纖維布上粘附的樹脂較多，在摩擦中這些樹脂磨損較為嚴重。聚四氟乙烯纖維含量為30％未經(jīng)過表面處理的纖維織物磨損量最小，且隨著轉(zhuǎn)速的增加，磨損量先有所增加后又稍減少。聚四氟乙烯纖維含量為80％未經(jīng)過表面處理的纖維布磨損量次小，且隨著轉(zhuǎn)速的增加，磨損持續(xù)增加。聚四氟乙烯纖維含量為30％和80％經(jīng)過表面處理5min的樣品磨損量最大、次大，且二者磨損量都隨轉(zhuǎn)速的增加而增大。而表面處理時間縮短為30s的樣品的磨損量明顯小于表面處理5min的樣品的磨損量，與未經(jīng)表面處理的樣品相比較也略有增加。所有樣品的磨損量總體趨勢均為隨著摩擦轉(zhuǎn)速的增加而增加。