[发明专利]一种含纳米胶囊的聚合物自润滑复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种含纳米胶囊的聚合物基自润滑复合材料的制备方法。所述方法以聚合物为基体材料，以碳纳米管、镓基液态金属为改性材料，首先对碳纳米管进行提纯和开口处理，然后将镓基液态金属填充到碳纳米管内部，得到纳米胶囊；再将纳米胶囊均匀的分散在聚合物基体中，通过聚合物成型加工技术制成镓基液态金属/碳纳米管/聚合物复合材料。本发明具有工序简单、操作简便、成本低廉的优点。应用本发明制得的镓基液态金属/碳纳米管/聚合物复合材料具有自润滑性能、耐磨性能、力学性能、导热性能和耐高温性能优良的优点，在摩擦、磨损、润滑领域有较好的工程应用前景。

技术领域

本发明涉及一种自润滑性能优良的含纳米胶囊的聚合物复合材料制备方法，特别是涉及一种镓基液态金属/碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法。

背景技术

世界上每年至少有三分之一的能量损失于相对运动中的摩擦，而磨损会造成机械设备的零件失效，与零件寿命和机械工作效率直接相关。鉴于摩擦磨损消耗的巨大成本，需要在摩擦界面引入润滑来减少摩擦副的摩擦磨损。在需要润滑的传统机械中，流体润滑和脂润滑占主导地位，然而随着科技的发展，迫切需要在极端条件下也能有效润滑的新材料、新技术。在航空、航天、医疗器械和精密仪器等领域，由于轻质性、免维护、低排放、高温、高真空等特殊要求，无法应用流体润滑和脂润滑，只能采用固体自润滑材料，自润滑材料的性能对自润滑零件的性能和寿命起着决定性的作用。因此，研制一种自润滑性能优良的新型自润滑复合材料，对高端回转零件和装备的研发有着重要的现实意义。

聚合物是一种常用的自润滑基体材料，具有摩擦系数低、耐腐蚀性好、吸震降噪、轻量性好、价格低、无毒的优点，在自润滑领域得到了广泛的研究和应用，聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯、聚酰亚胺、聚甲醛、聚酰胺等都是常用的自润滑聚合物基体材料。但目前聚合物自润滑材料具有服役工况PV值低、耐温性差的缺点，特别是摩擦界面温度接近聚合物的玻璃化温度或熔点时，聚合物的减摩耐磨性能和强度急剧下降，进而失效。镓基液态金属是一种熔点较低的液态合金，在室温时即为液态，具有黏度低、易剪切、无毒的优点，十分适用于高PV值工况的界面润滑；再者，镓基液态金属的蒸汽压极低、气化温度高，满足自润滑免维护的特殊要求。但由于镓基液态金属在常温下即为液态，无法也不必要直接对聚合物基体进行填充。若将镓基液态金属作为囊芯材料制备成纳米胶囊，进而复合至聚合物基体中，在高PV值时纳米胶囊和镓基液态金属会持续释放到摩擦界面，发挥润滑和界面散热作用，有效避免聚合物基体的润滑失效。

碳纳米管是一种理想的纳米胶囊囊壁材料，它具有管状一维纳米结构，其径向为纳米级尺寸，轴向为微米级尺寸。碳纳米管的强度高、模量高、长径比大，韧性、结构稳定性、轴向传热性能、自润滑性能优良，同时，碳纳米管的轻质性好，密度只有钢的1/6。碳纳米管本身就非常适合作为聚合物的纳米增强材料，它可以增强聚合物的强度、硬度、自润滑性能、力学性能、抗疲劳性能和导热性能。因而，若利用镓基液态金属填充碳纳米管制成纳米胶囊，并利用纳米胶囊对聚合物基体进行增强改性，制备一种自润滑性能、耐磨性能、力学性能、导热性能和耐高温性能优异的新型聚合物基复合材料，并将其应用到摩擦、磨损、润滑领域，将是促进高端回转零件和装备研发的重要举措。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种性能优良的含纳米胶囊聚合物基自润滑复合材料的制备方法。采用本发明制备的镓基液态金属/碳纳米管/聚合物复合材料的自润滑性能和耐磨性能优良，同时具有较好的力学性能、导热性能和耐高温性能。该发明还具有制备工艺简单、操作简便、制备成本低廉的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种含纳米胶囊的聚合物自润滑复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)所用原料：

碳纳米管、浓硫酸、浓硝酸、无水乙醇，其中碳纳米管的直径和长度分别为1～100nm和5～50μm，浓硫酸的浓度为96％，浓硝酸的浓度为70％；

(2)碳纳米管的预处理：