[发明专利]一种适用于水润滑的超高分子量聚乙烯多元纳米复合材料

说明书

本发明公开了一种适用于水润滑条件下使用的超高分子量聚乙烯多元纳米复合材料。本发明通过在超高分子量聚乙烯材料中加入增强纤维的同时，添加表面进行改性的可摩擦水解的纳米颗粒。本发明的复合材料在水润滑工况下具有良好的耐磨性能，复合材料在海水介质中使用时，摩擦界面的边界膜在降低聚合物复合材料磨损的同时可有效保护金属对偶表面，降低金属的腐蚀磨损。

技术领域

本发明涉及一种适用于水润滑条件下使用的超高分子量聚乙烯多元纳米复合材料，属于润滑技术领域。

背景技术

随着人们对生态环境保护意识的提高，利用水代替矿物油或合成油作为润滑剂是一种减少泄油对水体污染行之有效的方案。然而，由于水的粘度低，水膜承载能力差，水润滑摩擦副并非一直处于理想的流体润滑状态。在启停状态和低速、重载工况下，摩擦副常常处于混合润滑甚至边界润滑状态，固-固接触承担主要甚至大部分载荷，因此对材料的摩擦学性能也提出了挑战。聚合物复合材料由于其自润滑，性能可设计性和减震降噪等优异的性能，正在越来越多的应用于水利，水电和航运等装备中。聚合物与金属配副使用，对水润滑条件下运动机构的摩擦学设计具有巨大的应用潜力。深入研究水润滑条件下的聚合物复合材料的摩擦磨损特性对高性能水润滑摩擦副的设计和制备具有重要意义。

常见的用于水润滑工况的聚合物基体材料包括聚四氟乙烯、聚甲醛、聚酰亚胺、聚醚醚酮和环氧树脂等。纯聚合物的力学强度相对较低，限制了其在苛刻环境的应用。为了提高聚合物的自润滑和耐磨性能，通常将增强填料、固体润滑剂以及无机纳米陶瓷颗粒加入到聚合物树脂中。增强填料被证明能够显著提高聚合物基体的抗压强度和耐磨性。然而，水分子在界面的存在极大地限制了固体润滑剂在摩擦过程中向金属对偶表面的转移。因此，传统配方的聚合物复合材料在水润滑条件下难以在对偶表面形成高承载能力的转移膜，大大限制了系统的边界润滑和界面保护能力。尤其在海水介质中，高硬度的增强填料在提高聚合物材料耐磨性能的同时，当其与金属对偶刮擦时，可造成金属表面腐蚀钝化膜的破坏，导致金属腐蚀-磨损的互相促进，对长期服役于海水条件的摩擦副的配合工差要求和系统的可靠性提出挑战。因此，通过在聚合物复合材料中添加功能性填料，调控水润滑界面摩擦化学反应，促进高承载能力反应边界膜在水润滑界面形成，可能是提高系统边界润滑与界面保护效果，同时提高海水润滑条件下金属表面覆盖钝化能力的有效手段。

超高分子量聚乙烯是一种线性结构的热塑性工程塑料，具有优异的耐摩擦磨损、耐冲击、耐腐蚀、耐低温、耐压、耐应力开裂、耐溶胀、抗结垢和自润滑等性能。因此，在工业和民用领域得到了广泛而又重要的应用。然而，文献报导的超高分子量聚乙烯自润滑材料包括纤维增强[Wear，2017，380-381，42-51]或包含氧化物纳米颗粒[Wear，2013，297，1120-1127]。化学稳定性较高的常规陶瓷颗粒不能促进高承载能力和钝化能力的反应边界膜在摩擦界面形成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于水润滑的超高分子量聚乙烯多元纳米复合材料。

本发明通过在超高分子量聚乙烯材料中加入增强纤维的同时，添加表面进行改性的可摩擦水解的纳米颗粒。增强纤维提高聚合物材料的耐磨性能，功能性纳米颗粒在摩擦过程中释放到摩擦界面，并在水润滑界面上发生摩擦化学反应，促进高承载能力与覆盖钝化性好的边界膜的形成，因此，显著降低复合材料的磨损速度，同时对金属对偶起到覆盖保护作用，减缓金属的磨损腐蚀。此外，通过在功能性纳米颗粒的表面接枝离子液体，促进纳米颗粒在金属对偶表面的吸附，可提高边界膜的形成速度和金属对偶表面的覆盖率，进一步提高摩擦副在水润滑条件下的性能。

一种适用于水润滑的超高分子量聚乙烯多元纳米复合材料，其特征在于该材料通过以下步骤来制备：