自润滑聚氨酯材料的制备及其摩擦学性能研究

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本论文以聚氨酯材料为基体,采用不同制备路线得到含油聚氨酯自润滑材料并考察其结构对摩擦学性能的影响:非溶剂致相分离法(NIP S)制备多孔自润滑聚氨酯(PU)材料;乳液模板法制备含油自润滑聚氨酯材料;表面活性剂辅助溶胶-凝胶法制备介孔二氧化硅(MS),并将其作为具有刺激响应特性的润滑剂容器加入聚氨酯基体制备得到自润滑聚氨酯复合材料。研究材料制备工艺对材料结构的影响,考察材料的微结构对其摩擦学性能的影响,揭示材料的润滑机制及磨损机理。(1)采用非溶剂致相分离法制备了多孔聚氨酯材料,扫描电镜(SEM)及注汞/退汞曲线结果表明,材料的横截面形貌与海绵相似,相邻大孔通过互穿“瓶颈”孔连接,材料为“墨水瓶”型孔结构。通过调节PU溶液浓度控制多孔PU材料的孔隙率,15 wt%浓度PU溶液制备的多孔聚氨酯材料孔隙率达到69.93%;随着材料孔隙率的增加,多孔自润滑PU材料的含油率也随之增加。离心/加热试验结果表明:多孔自润滑PU材料具备的“墨水瓶”型孔结构使其在离心力和加热条件下仍然有良好的油保持率。多孔自润滑PU材料可以在压力和温度作用下释放出储存在孔内的润滑油,使材料表现出优异的摩擦学性能,200rpm、450N条件下摩擦系数为0.045。结合实验得到的Stribeck曲线分析得出,多孔自润滑聚氨酯材料所包含的润滑油使材料在摩擦过程中处于边界润滑状态。(2)采用乳液模板法实现了含油自润滑聚氨酯材料的“一锅法”制备,分别考察了不同HLB值的乳化剂和分散相比例对聚氨酯乳液体系稳定性的影响。实验结果表明:HLB值为8的聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇(P123)可以用于制备稳定O/O型聚氨酯乳液体系。SEM结果表明,材料微观形态呈现微米级的球形孔结构,同时随着分散相比例的提高,材料孔径也逐渐增大。摩擦学测试表明,聚氨酯内储存的液体石蜡在摩擦过程中在摩擦界面生成润滑膜起到润滑作用。同时随着自润滑聚氨酯材料液体石蜡比例的增加,材料的摩擦系数呈下降趋势。当液体石蜡比例达到3 5%时,PU-3 5自润滑材料的平均摩擦系数降低至0.05。与纯PU相比,摩擦系数降低了 93.06%。此外,形成的润滑膜隔离了摩擦界面避免了粘着磨损,使材料的磨损降低。(3)采用表面活性剂辅助溶胶-凝胶法制备得到介孔二氧化硅(MS),其具有中空结构和高BET 比表面积(1542.35m2·g-1),热重分析表明含油介孔二氧化硅(OMS)可以响应热刺激使得润滑剂释放。力学性能结果表明:与MS/PU复合材料相比较,由于甲基硅油对PU基体具有一定的增韧作用,OMS/PU复合材料的断裂伸长率较大,但材料的拉伸强度随OMS含量的增加呈下降趋势。摩擦学实验结果表明:不含油的MS的加入,可以使得PU材料的摩擦系数和磨损率下降;而对于OMS,复合材料的摩擦磨损进一步下降,这是由于摩擦过程中受到摩擦热的刺激空腔内的甲基硅油释放在摩擦界面有效地形成了润滑膜所导致的。与纯PU相比,加入10%OMS后复合材料摩擦系数和磨损率分别降低了63.29%和82.63%。因此,OMS可以作为润滑容器实现材料的减摩抗磨性能。
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