一種橋梁支座用滑板及其製備方法與流程
2023-12-02 19:18:16 1
本發明屬於橋梁支座用高分子材料開發領域，尤其涉及一種橋梁支座用高分子滑板及其製備方法。
背景技術：
橋梁作為鐵路、公路等線路的必要組成部分，尤其是高速鐵路中，橋梁所佔比例越來越大。橋梁支座作為連接橋梁與橋墩的「關節」部位，其用量也與日俱增。隨著技術的進步，高速鐵路列車速度越來越快，重載鐵路列車載重量成倍增長，同時高強混凝土的應用逐漸推廣，這些都要求支座具有高的承載能力。支座承載能力主要是由摩擦副中非金屬滑板的承載能力決定的。目前支座摩擦副的非金屬滑板主要有聚四氟乙烯和改性超高分子量聚乙烯，這兩種材料的自潤滑性好、摩擦係數小和耐磨性好等優點，但是承壓能力不高，決定了目前支座的最大豎向設計壓應力不能高於45mpa。但是隨著支座承載能力要求的提高，支座的豎向設計應力將極大提高，聚四氟乙烯和改性超高分子量聚乙烯遠不能滿足支座高承載的要求；因此有必要開發一種承載能力高、自潤滑性能好、耐磨性能優異的橋梁支座用非金屬滑板。
技術實現要素：
為解決上述技術問題，本發明提供一種橋梁支座用滑板及其製備方法，通過對特種工程塑料進行改性，使得該改性的材料具有承壓能力強、摩擦係數小、耐磨性能優異的特點。該方法製備的非金屬滑板其摩擦性能與現有的聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯基本一致，但耐磨性能和承載性能將有極大的提高。
為實現上述技術問題，所採用的技術方案是：一種橋梁支座用滑板，滑板原料包括聚苯硫醚樹脂基體、摩擦性能調節劑、以及增強體系；
以重量百分含量計，聚苯硫醚樹脂基體為40%~85%、摩擦性能調節劑為5%~20%、增強體系為10%~40%；
所述的聚苯硫醚樹脂基體為注塑級線型高分子量的聚合物樹脂；
所述的摩擦性能調節劑由主調節劑和輔助調節劑構成，主調節劑和輔調節劑的重量比為4:1。
本發明所述的主調節劑為聚四氟乙烯微粉，其粒徑為25微米~100微米；其中粒徑優選25微米~50微米；
本發明所述的輔助調節劑為二硫化鉬，二硫化鉬的表面經活化處理。
本發明所述的增強體系為混合增強體系，其由增強纖維和納米顆粒混合而成，其中增強纖維和納米顆粒的重量比為9:1，增強纖維進行表面活化處理。
本發明所述的增強纖維是玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維中的一種或多種混合。
本發明所述的納米顆粒是石墨烯。
本發明所述的二硫化鉬和增強纖維表面活化處理劑為偶聯劑。
本發明所用的偶聯劑為矽烷偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑或鋁酸化合物中的一種；所用偶聯劑的量為活化物料量的0.5%~2%；
一種橋梁支座用滑板的製備方法，主要包含以下步驟：
（1）原料準備：以重量百分含量計，取40%~85%聚苯硫醚樹脂基體、5%~20%摩擦性能調節劑、10%~40%增強體系在110-130℃下乾燥2小時，備用；
（2）活化處理：將增強纖維、二硫化鉬活化處理，110-130℃乾燥2h，然後粉碎備用；
（3）製備混合料：將步驟（1）製成的聚苯硫醚樹脂基體、摩擦性能調節劑、增強體系按照質量配比放入高混機中進行高速混合，得到混合料；
（4）擠出造粒：將步驟（3）所製得的混合料加入雙螺杆擠出機內進行擠出造粒；擠出機各段加熱溫度設定範圍為270℃~310℃，從料鬥到口模方向溫度逐漸升高；並將擠出機口模基礎的料條冷卻、切粒；
（5）注塑成型：將步驟（4）所造粒子放入乾燥箱中110-130℃乾燥2小時，倒入注塑機料鬥中，根據需要的滑板尺寸，採用相應的模具進行注塑成型，得到所需要的支座滑板。
本發明所述的滑板的厚度為4~12mm。
本發明採用聚合物共混改性的方法製備的改性聚苯硫醚支座非金屬滑板，具有以下優點：
（1）承載能力高。聚苯硫醚剛度相比聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯大的多，具有較好的承載能力，是高承載力非金屬滑板的優選基體。碳纖維和芳綸纖維都具有高強度、高模量等特性；而石墨烯是目前世界上已知的最堅硬、力學強度最高的材料；利用兩者協同增強效應，共混改性後材料的承載能力得到了極大的提升。因此，該材料製備的非金屬滑板相比聚四氟乙烯或超高分子量聚乙烯滑板的承載能力大大提高。
（2）摩擦係數小。採用自潤滑性能優異的聚四氟乙烯作為主性能調節劑，再配以潤滑效果好二硫化鉬作為輔助潤滑劑，在摩擦過程中聚四氟乙烯可以在對摩面形成轉移膜，同時層狀的二硫化鉬在滑動過程中能夠產生完成的滑移膜，起到潤滑減摩的作用，主輔調節劑的共同作用使得改性的聚苯硫醚材料具有較小的摩擦係數。
（3）耐磨性好。材料的硬度在一定程度上反應了材料的耐磨性能；聚苯硫醚基體自身強度高、硬度大，具有較好的耐磨性；玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維高強度、高模量，也具有很強的耐磨性；石墨烯作為目前世界上最堅硬的物質，其耐磨性毋庸置疑。採用纖維和石墨烯協同增強的聚苯硫醚其硬度是聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯的4~5倍；同時在聚四氟乙烯、二硫化鉬等減摩效果優異的物質幫助下，共混改性後的聚苯硫醚的耐磨性相比聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯的耐磨性將提升2~3倍。
（4）生產工藝簡單、效率高。以往用的聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯均採用壓製成型，其中熱壓成型工序用時較長、能源利用率低，且每次成型的滑板數量少，效率低；而改性聚苯硫醚非金屬滑板採用混料—擠出造粒—注塑的成型工藝，其生產工序少，各工序的生產工藝過程簡單，同時採用注塑成型效率高、節省能源。
具體實施方式
一種橋梁支座用滑板，含有聚苯硫醚樹脂基體、摩擦性能調節劑、增強體系；
以重量百分含量計，40%~85%聚苯硫醚樹脂基體、5%~20%摩擦性能調節劑、10%~40%增強體系；
所述的聚苯硫醚樹脂基體為注塑級線型高分子量的聚合物樹脂；
所述的摩擦性能調節劑由主調節劑和輔助調節劑構成，主調節劑和輔調節劑的重量比為4:1；
進一步的，主調節劑為聚四氟乙烯微粉，其粒徑為25微米~100微米，其中粒徑優選25微米~50微米；
進一步的，輔助調節劑為二硫化鉬，其表面必須經活化處理，改善其在樹脂基體中的分散效果和提高與樹脂基體的相容性；
所述的增強體系主要是混合增強體系，由增強纖維和納米顆粒混合而成，其中增強纖維和納米顆粒的重量比為9:1；
進一步的，所述的增強纖維是玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維中的一種或多種混合，其中優選碳纖維；
進一步的，所述的納米顆粒是石墨烯；
更進一步，所述的增強纖維必須進行表面活化處理，以提升增強體系與聚苯硫醚樹脂基體的相容性；
進一步的，二硫化鉬和增強纖維表面活化處理劑為偶聯劑，所用的偶聯劑主要是矽烷偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑或鋁酸化合物中的一種；所用偶聯劑的量為活化物料量的0.5%~2%，其取量是針對不同的活化物料量單獨取量；
本發明還提供了上述改性材料的製備工藝，主要包含以下步驟：
（1）原料準備：將所用的聚苯硫醚、聚四氟乙烯等樹脂在105℃下乾燥2小時備用；
（2）活化處理：將增強纖維、二硫化鉬等用偶聯劑表面處理，110℃乾燥2h，然後粉碎備用；
（3）製備混合料：將樹脂基體、摩擦性能調節劑、增強體系按照一定的質量配比放入高混機中進行高速混合，得到混合料；
（4）擠出造粒：將步驟（3）所製得的混合料加入雙螺杆擠出機內進行擠出造粒；擠出機各段加熱溫度設定範圍為270℃~310℃，從料鬥到口模方向溫度逐漸升高；並將擠出機口模基礎的料條冷卻、切粒。
（5）注塑成型：將步驟（4）所造粒子放入乾燥箱中120℃乾燥2小時，倒入注塑機料鬥中，根據需要的滑板尺寸，採用相應的模具進行注塑成型，得到所需要的支座滑板。
進一步的所用滑板的厚度在4~12mm，其形狀可以是各種不同形狀。
實施例1
本發明材料的製備，各物料按以下重量配比進行配料：85%聚苯硫醚、4%聚四氟乙烯微粉、1%二硫化鉬、9%碳纖維、1%石墨烯；
先用碳纖維的1%的矽烷偶聯劑kh550對碳纖維進行表面處理，用二硫化鉬重量比的1%的矽烷偶聯劑kh550對二硫化鉬進行表面處理，然後，將聚苯硫醚、聚四氟乙烯及表面活化處理的碳纖維和二硫化鉬放置於110℃的真空乾燥箱中乾燥2小時；將碳纖維粉碎後與聚苯硫醚、聚四氟乙烯、二硫化鉬、石墨烯等放入高速混合機中高速攪拌分散。將混合分散好的混合料導入擠出機的料鬥中，擠出機各段加熱溫度設定在270℃~310℃之間，待各段溫度達到設定溫度後進行擠出造粒。將所造粒子在110℃下乾燥2小時後倒入注塑機料鬥進行注塑，最終獲得所需要的滑板。
實施例2
本發明材料的製備，各物料按以下重量配比進行配料：40%聚苯硫醚、16%聚四氟乙烯微粉、4%二硫化鉬、36%碳纖維、4%石墨烯；
先用碳纖維重量比的2%的矽烷偶聯劑kh550對碳纖維進行表面處理，用二硫化鉬重量比的2%的矽烷偶聯劑kh550對二硫化鉬進行表面處理，然後將聚苯硫醚、聚四氟乙烯及表面活化處理的碳纖維和二硫化鉬放置於130℃的真空乾燥箱中乾燥2小時；將碳纖維粉碎後與聚苯硫醚、聚四氟乙烯、二硫化鉬、石墨烯等放入高速混合機中高速攪拌分散。將混合分散好的混合料導入擠出機的料鬥中，擠出機各段加熱溫度設定在270℃~310℃之間，待各段溫度達到設定溫度後進行擠出造粒。將所造粒子在130℃下乾燥2小時後倒入注塑機料鬥進行注塑，最終獲得所需要的滑板。
實施例3
本發明材料的製備，各物料按以下重量配比進行配料：60%聚苯硫醚、12%聚四氟乙烯微粉、3%二硫化鉬、23.5%碳纖維、2.5%石墨烯；
先用碳纖維重量比的1.5%的矽烷偶聯劑kh550對碳纖維進行表面處理，用二硫化鉬重量比的1.5%的矽烷偶聯劑kh550對二硫化鉬進行表面處理，然後將聚苯硫醚、聚四氟乙烯及表面活化處理的碳纖維和二硫化鉬放置於120℃的真空乾燥箱中乾燥2小時；將碳纖維粉碎後與聚苯硫醚、聚四氟乙烯、二硫化鉬、石墨烯等放入高速混合機中高速攪拌分散。將混合分散好的混合料導入擠出機的料鬥中，擠出機各段加熱溫度設定在270℃~310℃之間，待各段溫度達到設定溫度後進行擠出造粒。將所造粒子在120℃下乾燥2小時後倒入注塑機料鬥進行注塑，最終獲得所需要的滑板。
實施例4
本發明材料的製備，各物料按以下重量配比進行配料：50%聚苯硫醚、28%聚四氟乙烯微粉、7%二硫化鉬、13.5%玻璃纖維、1.5%石墨烯；
先用玻璃纖維重量比的1.5%的鈦酸酯偶聯劑對玻璃纖維進行表面處理，用二硫化鉬重量比的1.5%的鈦酸酯偶聯劑對二硫化鉬進行表面處理，然後將聚苯硫醚、聚四氟乙烯及表面活化處理的玻璃纖維和二硫化鉬放置於120℃的真空乾燥箱中乾燥2小時；將玻璃纖維粉碎後與聚苯硫醚、聚四氟乙烯、二硫化鉬、石墨烯等放入高速混合機中高速攪拌分散。將混合分散好的混合料導入擠出機的料鬥中，擠出機各段加熱溫度設定在270℃~310℃之間，待各段溫度達到設定溫度後進行擠出造粒。將所造粒子在120℃下乾燥2小時後倒入注塑機料鬥進行注塑，最終獲得所需要的滑板。
實施例5
本發明材料的製備，各物料按以下重量配比進行配料：70%聚苯硫醚、8%聚四氟乙烯微粉、2%二硫化鉬、18%芳綸纖維、2%石墨烯；
先用芳綸纖維量比的1%的鋁酸酯偶聯劑對芳綸纖維進行表面處理，用二硫化鉬重量比的1%的鋁酸酯偶聯劑對二硫化鉬進行表面處理，然後將聚苯硫醚、聚四氟乙烯及表面活化處理的芳綸纖維和二硫化鉬放置於115℃的真空乾燥箱中乾燥2小時；將芳綸纖維粉碎後與聚苯硫醚、聚四氟乙烯、二硫化鉬、石墨烯等放入高速混合機中高速攪拌分散。將混合分散好的混合料導入擠出機的料鬥中，擠出機各段加熱溫度設定在270℃~310℃之間，待各段溫度達到設定溫度後進行擠出造粒。將所造粒子在115℃下乾燥2小時後倒入注塑機料鬥進行注塑，最終獲得所需要的滑板。
實施例6
本發明材料的製備，各物料按以下重量配比進行配料：70%聚苯硫醚、8%聚四氟乙烯微粉、2%二硫化鉬、10%碳纖維、8%芳綸纖維、2%石墨烯；
先用碳纖維重量比的1.5%的矽烷偶聯劑kh550對碳纖維進行表面處理，用芳綸纖維重量比的1.5%的矽烷偶聯劑kh550對芳綸纖維進行表面處理，用二硫化鉬重量比的1.5%的矽烷偶聯劑kh550對二硫化鉬進行表面處理，然後將聚苯硫醚、聚四氟乙烯及表面活化處理的碳纖維、芳綸纖維和二硫化鉬放置於115℃的真空乾燥箱中乾燥2小時；將纖維粉碎後與聚苯硫醚、聚四氟乙烯、二硫化鉬、石墨烯等放入高速混合機中高速攪拌分散。將混合分散好的混合料導入擠出機的料鬥中，擠出機各段加熱溫度設定在270℃~310℃之間，待各段溫度達到設定溫度後進行擠出造粒。將所造粒子在115℃下乾燥2小時後倒入注塑機料鬥進行注塑，最終獲得所需要的滑板。
實施例7
本發明材料的製備，各物料按以下重量配比進行配料：40%聚苯硫醚、16%聚四氟乙烯微粉、4%二硫化鉬、20%碳纖維、16%玻璃纖維、4%石墨烯；
先用碳纖維重量比的1.5%的鈦酸酯偶聯劑對碳纖維進行表面處理，先用玻璃纖維重量比的1.5%的鈦酸酯偶聯劑對玻璃纖維進行表面處理，先用二硫化鉬重量比的1.5%的鈦酸酯偶聯劑對二硫化鉬進行表面處理，然後將聚苯硫醚、聚四氟乙烯及表面活化處理的碳纖維、玻璃纖維和二硫化鉬放置於115℃的真空乾燥箱中乾燥2小時；將碳纖維和玻璃纖維粉碎後與聚苯硫醚、聚四氟乙烯、二硫化鉬、石墨烯等放入高速混合機中高速攪拌分散。將混合分散好的混合料導入擠出機的料鬥中，擠出機各段加熱溫度設定在270℃~310℃之間，待各段溫度達到設定溫度後進行擠出造粒。將所造粒子在115℃下乾燥2小時後倒入注塑機料鬥進行注塑，最終獲得所需要的滑板。
實施例8
本發明材料的製備，各物料按以下重量配比進行配料：40%聚苯硫醚、16%聚四氟乙烯微粉、4%二硫化鉬、15%玻璃纖維、21%芳綸纖維、4%石墨烯；
先用玻璃纖維重量比的2%的鋁酸酯偶聯劑對玻璃纖維進行表面處理，先用芳綸纖維重量比的2%的鋁酸酯偶聯劑對芳綸纖維進行表面處理，先用二硫化鉬重量比的2%的鋁酸酯偶聯劑對二硫化鉬進行表面處理，然後將聚苯硫醚、聚四氟乙烯及表面活化處理的玻璃纖維、芳綸纖維和二硫化鉬放置於120℃的真空乾燥箱中乾燥2小時；將纖維粉碎後與聚苯硫醚、聚四氟乙烯、二硫化鉬、石墨烯等放入高速混合機中高速攪拌分散。將混合分散好的混合料導入擠出機的料鬥中，擠出機各段加熱溫度設定在270℃~310℃之間，待各段溫度達到設定溫度後進行擠出造粒。將所造粒子在120℃下乾燥2小時後倒入注塑機料鬥進行注塑，最終獲得所需要的滑板。
針對所製備的滑板進行承壓性能、摩擦係數、線磨耗率等性能進行測試。其中摩擦係數和線磨耗率按照gb/t17955-2009、tb/t3320-2013中規定的矽脂潤條件測試；測試結果見表1：