一种碳纤维复合轴瓦材料的制备及应用研究.pdf

第 36 卷 第 4 期2023 年 8 月Vol.36No.4Aug.2023投稿网址：http:/石油化工高等学校学报JOURNAL OF PETROCHEMICAL UNIVERSITIES一种碳纤维复合轴瓦材料的制备及应用研究孙中梁，张钰婷，袁瑞泽，战思琪，张栋秀，王世伟，张明耀（长春工业大学 化学工程学院，吉林 长春 130012）摘要：高强度的聚合物材料具有优异的力学性能和耐磨特性，作为新一代轴瓦材料，其广泛应用于水泵、水电发电机组等领域。通过短切碳纤维（CF）与聚氨酯弹性体（PUE）复合，制备了一种高性能聚氨酯弹性体/碳纤维（PUE/CF）复合材料，探究了 CF质量分数对复合材料的力学性能和摩擦学性能的影响。结果表明，该复合材料的硬度可达到 6068 HD,拉伸强度和断裂伸长率分别为 54 MPa和 298%，干摩擦条件下摩擦系数和磨损率分别为 0.16 和 0.570%，水润滑条件下摩擦系数和磨损率分别为 0.02 和 0.129%。因此，该材料可以满足聚合物轴瓦材料的应用需求，在汽车、船舶等领域具有广阔的应用前景。关键词：碳纤维；聚氨酯；复合材料；力学性能；摩擦学性能中图分类号：TQ334.1 文献标志码：A doi：10.12422/j.issn.1006396X.2023.04.009Preparation and Application Research of a Carbon Fiber Composite Bearing Bush MaterialSun Zhongliang，Zhang Yuting，Yuan Ruize，Zhan Siqi，Zhang Dongxiu，Wang Shiwei，Zhang Mingyao（College of Chemical Engineering，Changchun University of Technology，Changchun Jilin 130012，China）Abstract:Highstrength polymer materials with excellent mechanical properties and wearresistance have been widely used in water pumps,electric generator and other fields as a new generation of bearing materials.A high performance polyurethane/carbon fiber composite（PUE/CF）was prepared by combining chopped carbon fiber(CF)with polyurethane elastomer(PUE),and the effects of carbon fiber content on the mechanical and tribological properties of the composites were investigated.The results show that the hardness of the composite can reach 60 68 HD,the tensile strength and elongation at break can reach 54 MPa and 298%respectively.Under dry friction condition,0.16 of friction coefficient and 0.570%of wear rate can be obtained.Under water friction condition,0.02 of friction coefficient and 0.129%of wear rate can be obtained.In summary,the composite prepared in this paper can meet the application requirements of polymer bearing bush and have broad application prospects in the field of automobile and ship.Keywords:Carbon fiber；Polyurethane；Composite material；Mechanical property；Tribological properties普通轴瓦加工难度较大、成本较高，在高强度工作环境下需要高品质的润滑油来保护瓦面，而聚合物轴瓦具有弹性大、寿命长、噪音小、摩擦特性优异等优点1。近年来，聚合物轴瓦材料的研究越来越受到研究者的关注，被广泛应用于水泵、水电发电机组等领域。常见的聚合物轴瓦材料有碳石墨材料、工程塑料、木材、橡胶等23。聚氨基甲酸酯又称为聚氨酯，它的分子主链上除含有氨基甲酸酯基团（-NHCOO-）外，还存在酯基、醚基、脲基、脲基甲酸酯基、缩二脲基等极性基团，是一种新型的人工合成高分子材料，被誉为“第五大塑料”47。聚氨酯弹性体（PUE）独特的硬软段结构使其具有力学性能好、耐候性佳、耐老化性能强、耐高低温性能优异、抗摩擦性好的优势，满足聚合物轴瓦材料的基本使用需求，但是它存在内生热大而导致干摩擦性能差等问题。研究者通过文章编号：1006396X（2023）04006306收稿日期：20230412 修回日期：20230625基金项目：吉林省科技发展计划项目(YDZJ202201ZYTS557、20220508154RC、YDZJ202301ZYTS542)；吉林省省级财政预算项目（2023C0443）。作者简介：孙中梁（1997），女，硕士研究生，从事聚氨酯弹性体方面的研究；Email：。通信联系人：王世伟（1980），男，博士，教授，博士生导师，从事高分子复合材料方面的研究；Email：。石油化工高等学校学报第 36 卷多种手段解决上述问题，包括化学接枝、嵌段共聚、分子交联、填料增强改性等813。利用改性碳纤维共混技术，制备了聚氨酯弹性体/碳纤维（PUE/CF）复合材料，详细研究了 CF 质量分数及共混方式对复合材料性能的影响。1 实验部分 1.1 实验材料聚四氢呋喃二元醇(PTMG)，工业级，日本三菱化学有限公司；甲苯2，4二异氰酸酯(TDI)，工业级，上海三友化学试剂公司；3，3二氯4，4二氨基二苯甲烷(MOCA)，工业级，苏州湘园精细化工有限公司；硅烷偶联剂（KH550），上海皓鸿生物医药科技有限公司；碳纤维(CF)，上海国药试剂有限公司；无水乙醇，AR，天津市富宇精细化工有限公司；助剂，实验室自制。1.2 实验仪器JSM5600 LV 型扫描电子显微镜（SEM），日本JEOL 公司；IS10 型红外光谱（FTIR）分析仪，美国Thermo Scientific 公司；LXD 型邵氏硬度计，温州韦度电子有限公司；M200型摩擦磨损试验机，北京冠测精电仪器设备有限公司。1.3 实验方法CF的预处理：将一定量的 CF、部分助剂和无水乙醇在烧杯中搅拌 0.5 h，再进行真空超声波处理0.5 h，重复处理 3 次，随后用布氏漏斗抽滤，将抽滤后的 CF放入 60 烘箱烘干 24 h，取出备用。PUE 预聚体的制备：称取 76.72 g 的 PTMG 置于三口烧瓶中，升温至 110，真空脱水 2 h，降温至50；在快速搅拌的条件下加入 23.26 g 的 TDI，8085 的条件下机械搅拌并反应 2 h，取样分析异氰酸酯基质量分数，当其达到设计值时，PUE 预聚体制备完毕，进行氮气密封保存待用。PUE/CF 复合材料的制备：首先，称取一定量处理后的 CF，置于 250 mL 三口烧瓶中，加入 50.00 g的 PUE 预聚体，机械搅拌 1 h，升温至 110，真空脱水 2 h，加入 13.55 g的扩链剂 MOCA，快速搅拌 1 min左右进行脱泡，随后将其倒入预热好的模具中，放 入 温 度 为 105 的 平 板 硫 化 机 中 加 压 硫 化 40 min，脱模后将试样放入 100 烘箱中熟化 18 h，取出试样，在室温条件下放置 7 d 后进行相关性能测试。1.4 分析与测试采用 SEM 分析样品磨损后的表面形貌；采用FTIR分析仪对材料进行分析测定，通过 ATR薄膜法对样品进行测试，在波数为 4004 000 cm-1中分析确认样品中所含基团。力学性能测试：按照 GB/T 528-1998 拉伸应力应变性能测定方法 对试样进行拉伸性能测试，拉伸样条为哑铃型，拉伸速度为 100 mm/min；采用邵氏硬度计，依据 GB/T 531-1999 硬度测试性能测试方法 对试样进行硬度测试，硬度样条试样厚度大于 6 mm，每个样条压针 5次，结果取平均值。摩擦学性能测试：采用摩擦磨损试验机，依据GB/T 3960-1983 摩擦磨损性能测定方法 对样品进 行 摩 擦 性 能 测 试，摩 擦 样 条 大 小 为 30 mm7 mm6 mm。测试条件：室温，转速为 200 r/min，载荷为 100 N。测试干摩擦性能时，样品在无水状态下测试 2 h；测试水润滑摩擦性能时，样品在水润滑状态下测试 2 h。2 结果与讨论 2.1 PUE/CF 复合材料的力学性能CF 质量分数对 PUE/CF 复合材料力学性能的影响见图 1。由图 1可知，复合材料中 CF质量分数对材料的力学性能有显著影响，当 CF 质量分数为 7%时，PUE/CF 复合材料力学性能最佳（拉伸强度为 54 MPa，断裂伸长率为 298%），说明适量的 CF在 PUE基体中能够分散均匀，从而提高 PUE/CF 复合材料的力学性能1417。表 1 为 CF 质量分数对 PUE/CF 复合材料拉伸模量的影响。由表 1 可知，随着 CF 质量分数的增加，复合材料的拉伸模量逐渐降低。图 2为 CF质量分数对 PUE/CF 复合材料硬度的影响。由图 2 可知，随着 CF 质量分数的增大，复合材料的刚性增加，硬度也随之升高，当 CF 质量分数增大到一定程度（13%）时，PUE/CF 复合材料的硬度增加趋势基本稳定。图 3 为 PUE/CF 复 合 材 料 和 PUE 的 红 外图 1CF质量分数对PUE/CF复合材料力学性能的影响Fig.1Effect of CF mass fraction on mechanical properties of PUE/CF composites64第 4 期孙中梁等.一种碳纤维复合轴瓦材料的制备及应用研究光谱。由图 3 可知，3 300 cm-1处为-NH 基团伸缩振动产生的特征峰；2 900、2 800 cm-1处为甲基和亚甲基中 C-H 基团伸缩振动产生的特征峰；1 700 cm-1处为氨基甲酸酯基中 CO 基团伸缩振动产生的特征峰；1 500 cm-1处为 N-H 的变形振动峰；1 100 cm-1处为 PTMG 中 C-O 基团伸缩振动产生的特征峰；2 270 cm-1处-NCO 基团的特征吸收峰基本消 失，说 明 体 系 中-NCO 的 反 应 基 本 完 全1821；PUE/CF 复合材料中各官能团的谱带与纯 PUE 谱带几乎相同，说明 CF 的存在并不影响 PUE 的化学结构。2.2 PUE/CF 复合材料的摩擦学性能2.2.1干摩擦性能 PUE/CF 复合材料摩擦示意图见图 4。干摩擦条件下不同质量分数 CF 的PUE/CF复合材料的摩擦系数和磨损率见图 5。图 4PUE/CF复合材料摩擦示意图Fig.4Schematic diagram of PUE/CF composite friction由图 5 可知，当 CF 质量分数为 7%时，PUE/CF 复合材料的摩擦系数和磨损率最低，其值分别为 0.12 和 0.570%。这是因为 CF 加入量较佳时，填（a）摩擦系数（b）磨损率图 5干摩擦条件下不同质量分数 CF的 PUE/CF复合材料的摩擦系数和磨损率Fig.5Friction coefficient and wear rate of PUE/CF composites with different CF mass fraction under dry friction conditions表 1 CF 质量分数对 PUE/CF 复合材料拉伸模量的影响Table 1Effect of CF mass fraction on tensile modulus of PUE/CF compositesw（CF）/%0579111315拉伸模量/MPa0.019 30.016 50.018 20.016 50.016 40.009 80.006 6图 3PUE/CF复合材料和 PUE的红外光谱Fig.3Infrared spectroscopy of PUE/CF composites and PUE图 2CF质量分数对 PUE/CF复合材料硬度的影响Fig.2Effect of CF mass fraction on hardness of PUE/CF composites65石油化工高等学校学报第 36 卷料与基体可以充分接触，从而提高复合材料内部结构稳定性能2223。干摩擦条件下 CF 质量分数为 7%的 PUE/CF复合材料的摩擦系数如图 6 所示。由图 6 可知，CF的加入提高了复合材料的承载能力，显著降低了摩擦系数，也提高了复合材料的抗磨性能。2.2.2水润滑摩擦性能 水润滑条件下不同质量分数 CF 的 PUE/CF 复合材料的摩擦系数和磨损率如图 7所示。由图 7 可知，当 CF 质量分数为 7%时，水润滑摩 擦 系 数 最 小，为 0.02，水 润 滑 磨 损 率 最 小，为0.129%。这是因为在水润滑条件下，水作为载体不仅降低表面摩擦作用，而且还降低摩擦表面温度，减少摩擦表面的软化程度，从而降低表面摩擦系数2428。水润滑条件下 CF 质量分数为 7%的 PUE/CF复合材料的摩擦系数如图 8 所示。由图 8 可以看出，在水润滑状况下，CF 的加入增强了基体表面的自润滑性能，摩擦系数稳定在 0.02。2.3 PUE/CF 复合材料的 SEM图 9 为不同质量分数 CF 的 PUE/CF 复合材料磨损表面 SEM 图像。由图 9可知，材料表面经过摩擦会清晰地出现磨轮行驶过的痕迹，具有一定的方向性。CF 分散于基体中，具有一定的润滑作用，同时其良好的导热性使基体表面形成一层碳化膜，碳化膜具有一定的耐磨保护作用2930。但是，当 CF 质量分数增大时，CF在 PUE中不能均匀分散，一部分发生“团聚”现象，导致 CF 与 PUE 产生明显的相分离，被包裹的 CF 经过摩擦后有些会裸露出来，从而影响 CF/PUE复合材料的性能。3 结论和展望（1）随着 CF 质量分数的增加，PUE/CF 复合材料的拉伸强度和硬度增大，断裂伸长率先增大后减小，当 CF 质量分数为 7%时，复合材料的物理机械性能最佳。图 6干摩擦条件下 CF质量分数为 7%的 PUE/CF复合材料的摩擦系数Fig.6The coefficient of friction of PUE/CF composites with 7%CF mass fraction under dry friction（a）摩擦系数（b）磨损率图 7水润滑条件下不同质量分数 CF的 PUE/CF复合材料的摩擦系数和磨损率Fig.7Friction coefficient and wear rate of PUE/CF composites with different CF mass fraction under waterlubricated friction conditions图 8水润滑条件下 CF质量分数为 7%的 PUE/CF复合材料的摩擦系数Fig.8The friction coefficient of PUE/CF composites with 7%CF mass fraction under waterlubricated friction66第 4 期孙中梁等.一种碳纤维复合轴瓦材料的制备及应用研究（2）在干摩擦条件下，当 CF质量分数为 7%时，PUE/CF 复合材料的摩擦系数和磨损率最低，其值分别为 0.12 和 0.570%。这是因为 CF 加入量较佳时，填料与基体充分接触，提高了复合材料内部结构稳定性能。（3）在载荷为 100 N、转速为 200 r/min 的水润滑条件下，PUE/CF 复合材料的摩擦系数明显低于干摩擦条件下的摩擦系数。（4）当 CF 质量分数为 7%时，PUE/CF 复合材料具有较佳的物理机械性能与摩擦学性能。根据聚合物轴瓦的使用工况和条件的不同，对复合材料的特性要求也有区别。但是，高的抗摩擦磨损、抗承载能力、耐水性和弹性等综合性能指标一直是该行业追求的目标，尤其在军工国防等领域，更有不同的需求。因此，通过分子结构设计和共混改性制备的高性能复合轴瓦材料将有广阔的应用空间。参 考 文 献1杨丽洁.浅谈轴瓦材料的性能与使用 J.科技创新导报，2012（4）：64.Yang L J.Talking about the performance and use of bearing materials J.Science and Technology Innovation Herald，2012（4）：64.2韩健伟，张爱民.发动机轴瓦聚合物涂层材料的研究 J.冶金与材料，2020，40（4）：2830.Han J W，Zhang A M.Research on polymer coating materials for engine bearings J.Metallurgy and Materials，2020，40（4）：2830.3王兵，尹晓东.大型水泵轴瓦摩擦失效原因分析与技术改造 J.水利建设与管理，2020，40（8）：6668.Wang B，Yin X D.Analysis of friction failure causes of axle bushes in large water pump and technical renovation J.Water Conservancy Construction and Management，2020，40（8）：6668.4马昱吉，方梅，李贵勋，等.石墨增强 TPU 材料耐磨性能及热稳定性能研究 J.现代塑料加工应用，2021，33（1）：13.Ma Y J，Fang M，Li G X，et al.Study on wear resistance and thermal stability of graphite reinforced TPU materials J.Modern Plastics Processing and 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