基本信息
- 项目名称：
- 新型聚苯硫醚/聚醚砜基耐磨复合材料的研制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目以摩擦学性能和力学性能为指标，研制新型聚苯硫醚/聚醚砜基耐磨复合材料。
- 详细介绍：
- 聚苯硫醚(PPS)是一种性能较为优良的结晶型耐高温热塑性树脂，其结构单元简单，有较强的结晶趋势和较大的结晶度，在高温下具有很高的强度和刚度保留率，然而由于其主链上存在大量苯环，结晶度很高，使其断裂伸长率很低，韧性较差，这一定程度限制了其应用。为了解决这一问题，我们采用在性能方面具有互补作用的热塑性特种高分子聚醚砜(PES)对PPS进行共混改性。通过熔融共混-传递模压成型制备了不同比例的PPS/PES共混材料，并运用热重分析和示差扫描量热分析对其力学性能和热力学行为进行了研究。 结果表明：PES能有效改善PPS的拉伸和弯曲性能，提高其抗冲击性能；PPS/PES共混体系是具有部分相容性的多相共混体系，且其相容性的好坏与PES含量密切相关；PES的加入提高了PPS的玻璃化温度和熔点，从而有利于提高合金材料的使用温度。实验结果发现：当PES含量为40wt%时复合材料具有良好的综合性能。晶须改性聚合物已经成为当前聚合物基复合材料研究的热点之一。钛酸钾晶须（PTW）因具有优良的隔热、耐磨和抗冲击性能以及合适的价格而得到较广泛的应用。 为了进一步提高材料的力学性能和摩擦学性能，本文采用六钛酸钾晶须(PTW)作为增强体对PPS(60％)/PES(40%)进行进一步改性。在本实验条件下，PTW含量取15%-20%，PPS:PES=60：40时，复合材料显示良好的摩擦性能、机械性能和耐高温性能，其摩擦系数仅为0.21，拉伸强度100MPa，长期使用温度达250℃。此外，我们将本复合材料配方试样与锡青铜、聚苯醚（PPO)复合材料、聚甲醛（POM）复合材料、聚醚醚酮（PEEK）复合材料综合性能进行比较，发现本项目复合材料熔点在320℃左右，熔体粘度小，可通过模压、注塑等成型方法制备耐磨件，价格适中，性价比高。 本作品已经申请国家发明专利，并且与长沙倍特材料有限公司签订技术转让合同，确认了本作品的科学性、创新新和实用性。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1、目的 摩擦磨损是材料使用过程中普遍存在的现象，是造成巨大经济损失的主要来源。高分子复合材料材质轻、耐腐蚀、自润滑，应用广泛，发展势头好。对聚苯硫醚/聚醚砜复合材料进行改性，研制新型耐磨复合材料，可作为该领域的重要研究方向。 2、基本思路 运用现代材料理论进行配方设计，并以摩擦学和力学性能为指标，通过正交试验和极差或方差分析方法及单因子变量法优化材料配方成分和加工工艺参数，进行样品试制、外观质量检测、性能检测以调整实验进展，从而研制出高性能的聚苯硫醚/聚醚砜基耐磨复合材料。 3、创新点 （1）聚苯硫醚性能较为优良，其韧性较差，利用材料复配技术进行配方设计制备PPS/PES合金，综合性能得到提高。 （2）在此基础上采用钛酸钾晶须改性，其耐磨性能提高，并且力学性能提高。 （3）本复合材料高温下熔体粘度小，可通过模压、注塑等成型方法制备耐磨件，价格适中，性价比高。 4、技术关键 （1）材料配方：同时具有良好力学性能、摩擦学性能和成型加工性能； （2）模压成型：寻找最佳加工工艺参数，同时保证其性能要求和外观质量。 5、主要技术指标 拉伸强度70MPa；压缩强度120MPa；弯曲强度90MPa；冲击强度（缺口）10KJ/m2；长期使用温度200℃；PV极限值2MPa·m/s；摩擦系数：0.2-0.4；耐磨性（磨损失重）：20mg（200N，2h）。
科学性、先进性
- 1、科学性 本作品运用现代材料理论进行配方设计，并以摩擦学和力学性能为指标，通过正交试验和极差或方差分析方法及单因子变量法优化材料配方成分和加工工艺参数，研制高性能的聚苯硫醚/聚醚砜基耐磨复合材料。 2、先进性 复合材料体系为PPS/PES/PTW/PTFE，在所查国内外文献中，本作品耐磨性佳、机械性能佳和长期使用温度高。典型实例：PPS/PES=60:40，PTW：15%-20%，PTFE：10%，其它助剂；按相关国家标准检测数据：摩擦系数0.21，磨耗22mg，拉伸强度102.7MPa，弯曲强度132.3MPa，抗冲击强度9.12MPa，长期使用温度为250℃。
获奖情况及鉴定结果
- （1）2011年5月，本项目在湖南省第九届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛中荣获一等奖； （2）2010年10月，本作品已申请专利，申请号：201010160576.6。专利作者：龙春光，李融峰，粟洋等； （3）2011年3月， 《Mechanical and tribological properties of PTW/PTFE/PPS/PES Composites》一文被 2011年先进工程材料与技术国际学术会议（AEMT 2011）接收，稿件编号为：K4146，论文作者：龙春光，李融峰，粟洋等。 （4）2011年3月，本作品与长沙天鹅工业泵股份有限公司签订合作协议，将进一步推广本发明的实际应用。 （5）2011年4月，本作品与长沙倍特材料有限公司签订技术转让（专利实施许可）合同。
作品所处阶段
- 中试阶段。
技术转让方式
- 一次性转让。
作品可展示的形式
- ■实物、产品 ■图片 ■样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1、技术特点和优势 （1）耐磨性能、耐高温性能突出，长期使用温度达250℃。 （2）加工工艺简单，操作性强，可采用模压成型或者注塑成型方法。 （3）在对摩件表面能产生转移膜，避免或减少对摩件的磨损。 （4）具有自润滑性能，使用中不需添加润滑油，减少废油排放，降低使用成本。 （5）原料来源广泛，价格适中，性价比高。 2、适应范围 本作品既可用于制造各种以低粘度液体为润滑液的工业泵导轴承，也可用于制造无润滑、较高温度、中低载荷条件下工作的轴承、轴瓦等承载零件。 3、推广应用前景、市场分析和经济效益预测 PPS/PES基耐磨复合材料的成功研制，有望替代铜、锌等金属或合金形成耐高温耐磨高分子材料或产品产业。具有良好的综合性能和合理的价格，能够替代部分进口产品，振兴民族工业，带动相关产业的发展，并能在一定范围内解决就业问题，缓解就业压力，因而具有良好的社会效益。
同类课题研究水平概述
- 聚苯硫醚一种结晶性热塑性特种工程塑料，其综合性能优越，应用广泛。由于纯PPS制品的脆性较大、韧性较差，成型加工过程要求模具温度较高(130~150℃)，熔融过程粘度不稳定，在空气中高温易氧化交联，且价格昂贵，这样限制了纯PPS的使用。 为了改善PPS的韧性和耐应力开裂性能，本发明采用聚醚砜对其进行混配，得到综合性能优良的合金基体材料。近几年PPS合金发展迅速，其主要手段有纤维增强PPS、颗粒填充改性PPS、以及与聚合物共混等，具体如下： （1）纤维增强PPS复合材料：用纤维增强PPS复合材料，可以提高其强度、刚度和耐热性。 （2）颗粒填充改性PPS：经过几十年的发展，尤其是纳米技术产生以后，聚合物/无机填料复合材料的开发不但降低了成本，而且无机填料的加入还能够赋予复合材料其它性能，如提高刚性、耐热性、增强、增韧及导电性等等。这不仅解决了聚苯硫醚树脂价格贵的问题，还能够一定程度改善聚苯硫醚的力学性能和加工性能。当前，聚苯硫醚/无机填料复合材料主要有：PPS/CaCO3，PPS/SiO2及其它纳米复合材料。 但纳米增强复合材料制备困难，难以保证纳米粒子的均匀分散，因此增强效果大打折扣。 （3）PPS与聚合物共混改性：PPS与聚合物共混主要是改善PPS的韧性和熔融稳定性，以提高PPS的冲击强度。改性效果与添加聚合物性质相关度大，当聚合物与PPS完全相容或完全不相容时，改性效果不甚理想。 因此市场对性能更优、成本更低、制备工艺更简单的改性聚苯硫醚耐磨复合材料存在需求。本作品复合材料体系为：PPS/PES=60:40，PTW：15%~20%，PTFE：10%，其它助剂；其摩擦系数0.21，磨耗22mg，拉伸强度102.7MPa，弯曲强度132.3MPa，抗冲击强度9.12MPa，长期使用温度为250℃。我们所制备的聚苯硫醚/聚醚砜基复合材料的耐磨性能、力学性能和长期使用温度都非常优异，权威部门的科技查新报告、性能检测报告和具有代表性企业的应用报告，都充分证明了本作品有着比国内外现有技术更为突出的综合优势，体现出本作品的科学性、创新性和先进性。
