专利摘要

本发明公开了一种仿生微胶囊自润滑复合材料及其制备方法。包括基体材料和具有润滑性能的微胶囊结构体，微胶囊结构体均匀混合于基体材料中；其中，基体材料为超高分子量聚乙烯；微胶囊结构体由聚合物薄膜与被包络在聚合物薄膜内部的自润滑材料构成，微胶囊结构体直径为1～300μm，聚合物薄膜的厚度为0.3～50μm。本发明基体为超高分子量聚乙烯，使其在水润滑尾轴承应用中具有较好的耐磨性；微胶囊结构体中的内芯材料愈创树脂遇水形成乳液的机理保证该材料自润滑性能的实现。

说明书

技术领域

本发明属于复合高分子材料技术领域，具体设计一种一种仿生微胶囊自润滑复合材料及其制备方法。

背景技术

尾轴承是舰船推进系统的重要部件，其性能的优劣对船舶的使用性能、安全性以及舰船的生存能力有重要的影响。长期以来，船舶以及水中航行器等武器装备推进系统中的轴承等关键零部件基本上都是以金属构件组成，用矿物油作润滑介质。润滑油的泄漏易造成江河、库区及海域环境的严重污染，为了防止润滑油泄漏，必须对系统进行密封，使其组件结构复杂、装配精度要求高。金属构件组成的推进系统首先不可不避免地存在摩擦磨损、振动噪声、无功能耗、可靠性差和寿命短等问题，对舰艇以及其他水中兵器的性能影响尤其严重；其次也需要耗费大量矿物油和贵重金属材料等战略资源。目前在西方工业发达国家如美国等早已立法禁止航行于内陆流域的船舶使用油润滑艉轴承。因此，开发无污染的水润滑尾轴承系统既满足“环境友好”和“资源节约”的“两型社会”建设的需要，也符合我国国防建设的需求。

水润滑尾轴承用于舰船尾管轴承已有170多年，最初以黄铜、白金等金属材料制备而成，但其应用过程中磨损量非常大且存在锈蚀的问题。之后以铁犁木取代金属材料应用于船舶尾管轴承，很大程度上缓解了锈蚀、高磨损等问题，但由于铁犁木材质原因导致其抗泥沙性能较弱，并且铁犁木资源越来越匮乏。在19世纪初美国工程师首次将橡胶材料应用于船舶尾轴承，初步解决了其抗泥沙能力，同时摩擦磨损量相对较小。与此同时，其他各类如塑料、陶瓷等材料也在船舶尾管轴承上做了相应的应用，各有其优缺点。目前在船舶水润滑尾轴承应用领域，橡塑等多种材料共混轴承因其高比压、低噪声以及抗腐蚀等优点，逐渐成为当今研究热点。国内对水润滑尾轴承材料的研究也非常丰富，先后展开了石墨层压板、高分子石墨、布质层压板、丁晴橡胶、橡胶合金、橡胶-高分子材料共混等材料的摩擦磨损性能特性，并比较分析了其不同工况下的速度、比压、水膜等特性，对水润滑尾轴承自润滑性能的研究还未曾见报道。

水润滑尾轴承的工作条件十分恶劣，既要承受螺旋桨回转时的不均匀悬臂负荷及螺旋桨偶然碰到障碍物时的动力负荷，又要承受艉轴和螺旋桨重量及运转过程中可能发生的附加振动力等。特别是低速重载下轴与轴承之间不能形成有效的水膜，水润滑轴承往往处于混合润滑甚至干摩擦状态，在船舶启停状态下尤为严重，导致承载能力下降、局部温升等现象，发生严重摩擦磨损、轴瓦烧焦和异常噪声等问题。与此同时，水润滑尾轴承还要承受水域质量(泥沙含量、颗粒大小等)、水域温度、天气变化等众多环境因素的影响。因此对水润滑尾轴承材料在特殊苛刻运行环境中自润滑性能的研究有助于缓解其干摩擦状态，从而提高船舶整机的效率、寿命与安全性能。

现有技术中涉及到仿生微胶囊结构的有很多，但大多用于护肤产品、食品与医疗药物领域，由于应用对象的不同，其各自的形成机理以及微胶囊结构在材料中的作用等均有一定的差异，因此对于其在水润滑尾轴承上的应用不具有借鉴的作用。现有文献与专利中涉及到水润滑尾轴承材料的自润滑性能研究的也很少，并且大多集中在不同材料的简单共混。

发明内容

本发明目的在于提供一种水润滑尾轴承材料，其分泌的愈创树脂与水能形成乳液并覆于尾轴承的磨损表面以达到自润滑的效果，提高尾轴承在极端工况下的应用，降低其摩擦磨损；同时提供其制备方法。

一种仿生微胶囊自润滑复合材料，包括基体材料和具有润滑性能的微胶囊结构体，微胶囊结构体均匀混合于基体材料中；其中，基体材料为超高分子量聚乙烯；微胶囊结构体由聚合物薄膜与被包络在聚合物薄膜内部的自润滑材料构成，微胶囊结构体直径为1～300μm，聚合物薄膜的厚度为0.3～50μm。

按上述方案，基体材料与微胶囊结构体按重量份数计为：

基体材料90-99.5份，微胶囊结构体0.5-10份。

按上述方案，所述自润滑材料为铁犁木内含的愈创树脂，通过提炼得到。

按上述方案，所述愈创树脂包含旷愈创木脂酸、β-愈创木脂酸、愈创木酸以及胶质、精油；由愈创树芯材经粉碎后加热提取而得。

按上述方案，所述聚合物薄膜由渗透性能优越的酚醛树脂或丙烯酰胺聚合物制成。

上述仿生微胶囊自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)微胶囊结构体的制备，用自润滑材料作为微胶囊结构体的内芯材料，聚合物薄膜为微胶囊结构体的外膜，通过相分离法制备微胶囊结构体；

2)上述所制备的微胶囊结构体与超高分子量聚乙烯经过混合、挤出、水冷、风干和切粒，形成仿生微胶囊自润滑复合材料。

铁犁木是最早广泛应用的船舶尾管轴承材料，它含有26wt％的树脂、28wt％的树脂精汁、1wt％的硬树脂和0.8wt％的苦性精汗，精汗遇水能形成乳状液体覆在铁犁木表面具有较好的自润滑作用，由于乳状液体的形成增加了水膜的承载能力，因此尾轴承系统的运行比较平稳。但铁犁木材料较软，耐磨性不高，抗泥沙冲击性差，在比压和使用温度上也有较大限制。现通过X荧光光谱仪对浸泡前后铁犁木进行组成元素分析，通过对比浸泡前后铁犁木成分的变化确定其具有自润滑性能的材料(愈创树脂)及其含量，后续以该自润滑材料作为微胶囊结构的内芯材料。

通过超景深三维显微系统等测试仪器对浸泡前后的铁犁木微观结构进行分析，比较浸泡前后铁犁木的微观组织结构发现，浸泡后的铁犁木表面有许多半球状微凸结构，其形成原理为铁犁木内部自润滑材料遇水形成的微胞体结构在铁犁木表面组织的显示，以此为依据制备微胶囊结构。

微胶囊结构由芯材和聚合物薄膜组成，形状为近球状结构，微胶囊直径为1～300μm。聚合物材料选用酚醛树脂或丙烯酰胺，用以包覆愈创树脂芯材，并在遇水条件下发生分解或对水具有渗透作用，以保证芯材与在遇水环境下自润滑性能的实现。

通过上述对铁犁木材料及微结构的分析，提出了仿生微胶囊自润滑性能与结构的设计思想。另外铁犁木材料较软、耐磨性不高、抗泥沙冲击性差等材料性能以及资源获取困难的缺陷阻碍了其广泛的应用。近些年来橡胶和高聚物的船舶尾轴承得到了很大发展，并取得了重要应用。橡胶和高聚物轴承虽然具有较好的耐磨性，在中、高速下，可以形成较好的水膜，但不像铁犁木会有乳状液体形成，因此水膜的承载能力相对较弱，特别是在低速下，自润滑性能较差。本发明综合铁犁木以及高聚物材料在水润滑尾轴承上应用的优点，从仿生学的角度提出以超高分子量聚乙烯为基体并加入仿生微胶囊自润滑结构，从而实现新型自润滑尾轴承材料的设计。

本发明仿生微胶囊自润滑材料的工作原理是：基体为超高分子量聚乙烯，使其在水润滑尾轴承应用中具有较好的耐磨性；微胶囊结构体中的内芯材料愈创树脂遇水形成乳液的机理保证该材料自润滑性能的实现。因此在船舶低速、高比压、局部高温等苛刻工况下水润滑尾轴承与轴之间难以形成稳定水膜时，该仿生微胶囊结构体所分泌的愈创树脂与水能形成乳液并覆于尾轴承的磨损表面以达到自润滑的效果，提高尾轴承在极端工况下的应用，降低其摩擦磨损。

本发明的有益效果在于：

综合铁犁木以及高聚物材料在水润滑尾轴承上应用的优点，从仿生学的角度提出以超高分子量聚乙烯为基体材料并加入仿生微胶囊自润滑结构，

基体为超高分子量聚乙烯，使其在水润滑尾轴承应用中具有较好的耐磨性；微胶囊结构体中的内芯材料愈创树脂遇水形成乳液的机理保证该材料自润滑性能的实现。

附图说明

图1：微胶囊结构体示意图；

其中：1-基体材料；2-聚合物薄膜；3-自润滑材料；

图2：不同微胶囊结构体质量含量材料的平均摩擦系数；

图3：不同微胶囊结构体质量含量材料的平均磨损量。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

仿生微胶囊自润滑复合材料，如图1所示，包括基体材料1和具有润滑性能的微胶囊结构体，微胶囊结构体均匀混合于基体材料中；其中，基体材料为超高分子量聚乙烯；微胶囊结构体由聚合物薄膜2与被包络在聚合物薄膜内部的自润滑材料3构成，微胶囊结构体直径为1～300μm，聚合物薄膜的厚度为0.3～50μm。

本发明仿生微胶囊自润滑复合材料制备步骤为：

1)微胶囊结构体的制备，用愈创树脂自润滑材料作为微胶囊结构体的内芯材料，渗透性能优越的聚合物薄膜为微胶囊结构体的外膜，通过相分离法制备微胶囊结构体，其中微胶囊结构直径为1～300μm，微胶囊壁的厚度为0.3～50μm，；

2)基于上述所制备的微胶囊结构体，与超高分子量聚乙烯等高分子材料经过混合、挤出、水冷、风干和切粒，形成仿生微胶囊自润滑结构的复合高分子材料颗粒；

3)通过注塑来获取微胶囊自润滑材料板材；通过机械加工等制备符合要求形状的仿生微胶囊自润滑材料。

按上述步骤，分别制备微胶囊结构体质量比分别为0％、0.5％、1％和3％的板材。其各材料力学性能如下表1所示。

表1

通过对比分析表中合成材料的力学性能可知，不同质量比微胶囊结构体的加入对材料的力学性能有一定的影响，但依据美国军标(MIL-DTL-17901C(SH))的设计要求，其力学性能参数均符合其对应的设计标准，可以作为船舶水润滑尾轴承材料来应用。

同时在载荷196N，转速200r/min，运行时间为2h，对磨件材料为304不锈钢进行干摩擦试验。试验依据国标GB/T 3960-1983设计，每组试验重复3次并取平均值，结果见图2和图3所示。对比分析不同质量比微胶囊结构含量材料的摩擦系数与磨损量可知，微胶囊结构体质量比为3％的材料的摩擦学性能最优。对于微胶囊结构体质量比为0.5％和1％的材料在摩擦学性能上有一定的变动，其原因是微胶囊结构对材料力学性能的改变以及其愈创树脂的含量对材料的润滑性能的改善情况。

一种仿生微胶囊自润滑复合材料及其制备方法专利购买费用说明

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