特殊环境下高性能聚合物减振、润滑复合材料的制备及性能研究

Accompanied by the large-scale usage of power machinery, equipment, etc., the demand of equipment vibration control and components lubrication control are increasing. Especially, the machinery and equipment use in special circumstances, e.g. ships, submarines used in wet seawater environment and automobile, agricultural machinery used in drought and sandy area. These special circumstances put forward higher requirements for damping and tribological properties of the machinery and equipment relevant component. Only few researches have been reported about the damping and lubricating materials used in special circumstances. This project intends to study the high performance polymer composites which have high damping and lubrication capabilities. First, polyurethane (PU)-based interpenetrating polymer networks (IPNs) are prepared. Then, the damping behavior and tribological behavior of the PU-based IPNs with various compositions are investigated under different conditions. The damping mechanism and friction mechanism and their interrelation of the PU-based IPNs are discussed. According to these researches, the project will reveal the damping mechanism and friction mechanism for the polymer composites, which provides theoretical and practical experience to explore high performance solid lubricating materials with excellent damping properties, and to expand the field of application of polymer materials.

随着动力机械、仪器设备等的大量使用，关于机械设备减振、部件润滑控制的需求日益显现。特别是用于特殊环境下的机械设备比如用于潮湿海水环境的舰船、潜艇，用于干旱多风沙地区的汽车，农业机械等，对材料的减振、润滑性能提出了更高的要求。目前针对这些特殊环境的减振、润滑材料研究缺乏，本项目拟研究用于这些特殊环境下的高性能聚合物减振、润滑复合材料。首先以制备聚氨酯基的互穿聚合物网络（IPNs）复合材料，考察其在不同振动频率、不同温度及潮湿、风沙等特殊环境下的阻尼行为和摩擦行为，考察聚合物的组成、结构、合成工艺对材料阻尼行为和摩擦学行为的影响，研究聚合物的阻尼机理和润滑机理，探索的阻尼性能与摩擦性能的影响因素和相互关系。为制备特殊环境下使用的综合性能优异的减振、润滑材料进行理论和实践探索，拓展聚合物材料的应用领域。

针对特殊环境下的动力机械、仪器等设备减振、部件润滑控制的需求，本项目进行了用于特殊环境下的高性能聚合物的制备、结构和性能研究。本项目以聚氨酯（PU）为聚合物网络1，分别以环氧树脂（EP）、聚苯乙烯（PS）以及聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为聚合物网络2，制备了PU基互穿聚合物网络（IPNs），并以其为研究对象，考察了PU基IPNs复合材料的组成成分、成分比例、合成方法（顺序型合成IPNs和同时型合成IPNs）、交联密度、固化剂体系、有机硅烷改性以及无机纳米粒子等对复合材料微观结构、阻尼性能、摩擦学性能、力学性能等的影响。研究结果表明，对于PU/EP IPNs复合材料，随着PU含量的增加，阻尼温域增宽，并且复合材料的玻璃化转变温度向低温移动，当PU含量为50 wt%时，阻尼性能最佳。在摩擦学性能方面，PU/EP IPNs复合材料的耐磨性能较差，但是在加入端羟基有机硅改性剂以后，显著提高了复合材料的摩擦系数和耐磨性能。对于PU/PS IPNs复合材料，IPN结构的形成首先改善了PS的韧性和阻尼性能，当PTMG-PU含量为60 wt%时，在海水下的摩擦系数低至0.18，磨损量低至0.04 wt%；基于PCL的PU/EP IPNs复合材料摩擦学性能略低于基于PTMG的PU/EP IPNs。对于PU/PMMA IPNs复合材料，材料具有良好力的学性能和阻尼性能，当PTMG-PU含量为60 wt%时，摩擦系数为0.15，磨损量为0.10 wt%，摩擦学性能最佳；在此基础上改变固化剂种类，加入交联剂，改变IPN合成顺序等，均对复合材料的性能产生了重要影响。复合材料中加入纳米二氧化硅进行改性后，玻璃化温度向高温方向移动，且复阻尼温域增加。基于PCL的PU/PMMA IPNs复合材料综合性能低于基于PTMG的PU/EP IPNs。本项目的实施为制备特殊环境下使用的综合性能优异的减振、润滑材料进行了理论和实践探索，研制的材料有望解决特殊环境下的机械减振和润滑难题，拓展了聚合物材料的应用领域。