一種高耐磨性金屬基自潤滑ptfe涂層的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種高耐磨性金屬基自潤滑PTFE涂層的制備方法，采用PTFE為原料，其特征是將PTFE或PTFE與添加劑的混合物涂覆到金屬基材表面，經過干燥后形成PTFE膜，再利用電子加速器在330℃-355℃的溫度下進行輻照，使PTFE處于熔融狀態，輻照氣氛為惰性氣體，使金屬基材表面的PTFE分子發生交聯，形成三維網狀結構。利用該方法得到的交聯PTFE涂層，與常規的PTFE高溫燒結得到的涂層相比，其耐磨性能可提高5-100倍，甚至更高。該方法的優點在于不需要在PTFE中摻雜其它添加劑就可以獲得純PTFE的高耐磨、高潤滑性的涂層，然而根據不同用途，在PTFE中摻雜其它添加劑，能獲得更好的耐磨和潤滑性的涂層。
【專利說明】一種高耐磨性金屬基自潤滑PTFE涂層的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于高耐磨性金屬基自潤滑PTFE(聚四氟乙烯)涂層的制備方法，特別是一種高耐磨性金屬基自潤滑PTFE涂層的制備方法。
【背景技術】
[0002]聚四氟乙烯(PTFE)涂層在電力、化學、半導體、汽車、醫療、食品等領域具有廣泛應用。由于PTFE分子鏈幾乎是線性的，具有強烈的分子內線相互作用，因此極性和表面能很低，導致PTFE涂層與金屬基材的結合強度比較低。為克服這些缺陷，一般使用primer (過渡層)或添加其他成份，盡管這些措施可能會影響PTFE涂層的熱穩定性及純度。表面含有PTFE聚合物涂層、具有自潤滑功能的金屬基無油潤滑軸承在各種機械設備中發揮中重要作用，也已經成為一個專門的產業。這種軸承利用了 PTFE所具有的潤滑性、電絕緣性、以及表面不粘性和耐高低溫特性。該類軸承的制造需要兩道工藝:首先在不銹鋼板上高溫燒結一層銅粉，表面形成一層金屬銅；然后在銅的表面再高溫燒結PTFE，形成致密的PTFE涂層，賦予材料特殊的自潤滑功能。為提高PTFE涂層的耐摩擦性能，通常將銅粉、玻璃纖維、碳纖維、石墨、甚至鉛粉與PTFE混合并一起燒結。燒結工藝完成后再經過若干加工工藝最終制造成不同尺寸的軸承。
[0003]金屬基PTFE自潤滑涂層具有摩擦系數低的優點，因為PTFE是所有聚合物材料摩擦系數最低的物質，但是由于其特殊的分子結構，PTFE最大的缺點是耐磨性能較低，在較高的載荷下容易發生磨損。而且由于PTFE與金屬材料(銅的涂層)相容性較差，因此PTFE涂層的厚度受到一定限制。該類自潤滑軸承在實際使用中由于PTFE逐漸磨損而導致壽命較短，為延長使用壽命而需要添加各種助劑提高PTFE涂層的耐磨性能。然而這種通過外部添加助劑的方法對提高PTFE涂層的耐磨效果是非常有限的。
[0004]和其它聚合物的交聯類似，將線性的PTFE分子鏈段進行交聯形成三維網狀的立體結構可以提高抗蠕變性及耐磨性。由于PTFE分子鏈中氟原子電子云之間強烈的空間位阻及庫倫排斥力，因此很難發生交聯反應。在電離輻射作用下，PTFE是一種典型的輻射裂解性聚合物(1)。自20世紀90年代以來科學家們發現了 PTFE在熔點附近的溫度輻照可以發生交聯。交聯PTFE基本保留了 PTFE材料的優點，但熔點和結晶度略微降低、透明度增加。交聯PTFE最引人注目的優點是其突出的耐摩擦磨損特性(2)。根據交聯程度(或吸收的輻照劑量)的高低，交聯PTFE的耐磨性能提高幅度也不相同，當輻照劑量達到300kGy以上時，耐磨性能可以提高1000倍甚至1000倍以上。交聯PTFE突出的耐磨特性如果能在金屬基PTFE自潤滑涂層中得到應用，可以大幅度提高自潤滑軸承的使用壽命、提高產品的附加值和競爭力。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了解決上述技術的不足而提供可以大幅度提高自潤滑性能和耐磨性能的一種高耐磨性金屬基自潤滑PTFE涂層的制備方法。[0006]為了實現上述目的，本發明所提供的一種高耐磨性金屬基自潤滑PTFE涂層的制備方法，采用PTFE為原料，將PTFE或PTFE與添加劑的混合物涂覆到金屬基材表面，經過干燥后形成PTFE膜，再利用電子加速器在330°C -355°C的溫度下進行輻照，使PTFE處于熔融狀態，輻照氣氛為惰性氣體，使金屬基材表面的PTFE分子發生交聯，形成三維網狀結構。
[0007]本發明提供的一種高耐磨性金屬基自潤滑PTFE涂層的制備方法，可以在輻照先在惰性氣體環境下于380°C _390°C溫度范圍內進行燒結，燒結后再采用電子加速器進行輻照。
[0008]所述PTFE為原料可以為乳液、也可以是PTFE粉末，可以是純度級的PTFE，也可以是非純度級的，所述經過干燥后形成PTFE膜可以是純的PTFE膜，也可以是PTFE與添加劑的混合物形成的膜，所述的添加劑可以是玻璃纖維粉末、碳纖維粉末、石墨粉末。
[0009]所述利用電子加速器進行輻照，可以采用電子能量為100KeV-3MeV的加速器進行輻照，吸收劑量控制在10kGy-500kGy。
[0010]所述金屬基材可以是銅基材，所述銅基材可以是在其它金屬表面涂覆銅涂層，特別是可以在不銹鋼板表面涂覆銅涂層，也可以直接是銅質基材。
[0011]所述金屬表面涂覆銅涂層，可以是將銅粉攤鋪在金屬板的一面、然后高溫燒結，使金屬表面鍍上一層一定厚度的金屬銅。
[0012]本發明得到的輻射交聯的PTFE涂層，其耐磨性能可提高5-100倍，甚至更高，并且摩擦系數低，本發明可以采用純度級PTFE乳液制備純PTFE涂層，不使用PTFE粉末，在PTFE中不添加其它成分。但是也可以采用非純度級的PTFE乳液及PTFE粉末，并添加添加劑，再采用電子輻照器輻照時，保持PTFE涂層的溫度在330°C _355°C，在這個溫度范圍以外的溫度進行輻照都可能使PTFE發生輻射裂解，不能獲得具有高耐磨性的金屬基PTFE涂層。
[0013]PTFE的分子量 通常是幾百萬甚至千萬以上，先將PTFE或PTFE與玻璃纖維、石墨等添加劑的混合物鋪涂在預先燒結了一層銅粉的不銹鋼板上。本發明就是基于這樣的考慮，將PTFE涂層在380°C _390°C進行燒結，然后利用電子束加速器在330°C -355°C且惰性氣體(N2或其它氣體)保護下進行輻照，通過電離輻照使PTFE在熔融狀態下發生分子鏈之間的交聯，形成三維網狀結構。也可以不對PTFE涂層進行預燒結，而直接在330°C _355°C且惰性氣體保護下進行電子束加速器輻照，同樣可以使PTFE涂層發生交聯。輻照輻照溫度需要嚴格控制在上述溫度范圍，溫度過高或過低都不能使PTFE交聯，反而使其產生裂解導致分子量降低。PTFE涂層經過高溫輻照交聯后耐磨性能可得到大幅度提升。將金屬基PTFE涂層在高溫下進行電子束加速器輻照使PTFE發生交聯是本發明的關鍵之處。
[0014]本發明采用電子束加速器在高溫條件下直接對PTFE涂層進行輻照的方法，使PTFE在燒結的過程中同時發生交聯，簡化生產工藝。輻照交聯反應在惰性氣氛中進行，避免空氣中氧氣的參與而發生輻射裂解反應。輻射交聯反應的溫度嚴格控制在330-355°C，避免在過高或過低溫度下可能發生的PTFE輻射裂解。本發明不采用交聯PTFE粉末在金屬表面燒結形成涂層的方案，因為在燒結過程中交聯PTFE可能發生裂解而導致性能降低。
【具體實施方式】
[0015]下面通過實施例對本發明進一步說明。
[0016]實施例1:[0017]本實施例提供的一種高耐磨性金屬基自潤滑PTFE涂層的制備方法，選擇長度120厘米、寬度20厘米、厚度2毫米的不銹鋼板，采用一般的工藝方法將銅粉攤鋪在鋼板的一面、然后高溫燒結，使不銹鋼板的表面鍍上一層厚度約30微米的金屬銅。以該鋼板作為金屬基材，在本發明所描述的實施例中都使用這種基材。不過本發明的范圍不受不銹鋼材料種類、尺寸以及金屬銅涂層厚度的影響，因為這些因素不是本發明的關鍵。將純度級PTFE攤鋪到金屬基材的銅涂層表面，進行碾壓，形成厚度約40微米的PTFE涂層，然后在380°C、氮氣氣氛下燒結20分鐘，得到的樣品部分作為對照樣1。另外一部分繼續在340°C、氮氣保護下用電子能量為500KeV的加速器進行輻照，吸收劑量為lOOkGy，輻照結束后自然冷卻，得到樣品1。
[0018]將得到的對照樣1和樣品1按照GB 3960-83塑料滑動摩擦磨損試驗方法評價試樣的摩擦磨損性能。試件尺寸切割為長為70毫米、寬60毫米的長方形，在環形盤(ring-on-disc)摩擦磨損測試機上進行耐摩性能對照測試。對偶環為45不銹鋼，圓環的內徑26毫米，外徑30毫米。試件和對偶環用砂紙粗拋光，再用丙酮棉球擦洗干凈、晾干。在室溫、圓環相對滑動速度27米每分鐘、載荷為200牛頓下干滑動滑動摩擦磨損，試驗時間10分鐘。摩擦磨損試驗結束后精確稱量試樣的質量，并與試驗前的質量進行對比，試驗前后的質量之差即為磨損導致的質量減輕。對照樣1的磨損為120毫克，樣品1的磨損為8.0毫克，因此經過lOOkGy劑量的輻照交聯后，交聯PTFE涂層的耐磨性能提高15倍。
[0019]實施例2:
[0020]本實施例提供的一種高耐磨性金屬基自潤滑PTFE涂層的制備方法，與實施例1基本相同，將含有PTFE涂層的金屬板材在340°C、氮氣保護下用電子能量為500KeV的加速器進行輻照，吸收劑量為300kGy，輻照結束后自然冷卻，得到樣品2。
`[0021]將樣品2在環形盤(ring-on-disc)摩擦磨損測試機上進行耐摩性能測試。不銹鋼圓環的內徑26毫米，外徑30毫米。試件和對偶環用砂紙粗拋光，再用丙酮棉球擦洗干凈、晾干。在室溫、圓環相對滑動速度27米每分鐘、載荷為200牛頓下干滑動滑動摩擦磨損，試驗時間10分鐘。樣品2的磨損為1.0毫克，因此經過300kGy劑量的輻照交聯后，PTFE涂層的耐磨性能提高120倍。
[0022]:實施例3:
[0023]本實施例提供的一種高耐磨性金屬基自潤滑PTFE涂層的制備方法，將PTFE原料與碳纖維粉末、石墨粉末按照80: 10: 10的比例混合均勻，然后攤鋪到金屬基材的銅涂層表面，進行碾壓，形成厚度約50微米的PTFE涂層，然后在380°C、氮氣氣氛下燒結20分鐘。得到的樣品部分作為對照樣2，另外一部分繼續在350°C、氮氣保護下用電子能量為
1.5MeV的加速器進行輻照，吸收劑量為50kGy，輻照結束后自然冷卻，得到樣品3。
[0024]將得到的對照樣2和樣品3在環形盤(ring-on-disc)摩擦磨損測試機上進行耐摩性能對照測試。不銹鋼圓環的內徑26毫米，外徑30毫米。試件和對偶環用砂紙粗拋光，再用丙酮棉球擦洗干凈、晾干。在室溫、圓環相對滑動速度27米每分鐘、載荷為200牛頓下干滑動滑動摩擦磨損，試驗時間20分鐘。對照樣2的磨損為180毫克，樣品3的磨損為35毫克，因此經過50kGy劑量的輻照交聯后，PTFE涂層的耐磨性能提高5.2倍。
[0025]實施例4:
[0026]本實施例提供的一種高耐磨性金屬基自潤滑PTFE涂層的制備方法，與實施例3基本相同，將含有PTFE(以及碳纖維和石墨)涂層的金屬板材在350°C、氮氣保護下用電子能量為1.5MeV的加速器進行輻照，吸收劑量為lOOkGy，輻照結束后自然冷卻，得到樣品4。
[0027]將得到的樣品4在環形盤(ring-on-disc)摩擦磨損測試機上進行耐摩性能測試。不銹鋼圓環的內徑26毫米，外徑30毫米。試件和對偶環用砂紙粗拋光，再用丙酮棉球擦洗干凈、晾干。在室溫、圓環相對滑動速度27米每分鐘、載荷為200牛頓下干滑動滑動摩擦磨損，試驗時間20分鐘。樣品4的磨損為10毫克，因此經過lOOkGy劑量的輻照交聯后，該PTFE涂層的耐磨性能提高18倍。
[0028]實施例5:
[0029]本實施例提供的一種高耐磨性金屬基自潤滑PTFE涂層的制備方法，是將60%固含量的PTFE乳液噴涂到不金屬基材的銅涂層表面，在120°C干燥30分鐘使水分完全揮發，形成厚度約30微米的PTFE涂層。然后在390°C、氮氣氣氛下燒結20分鐘。得到的樣品部分作為對照樣3，另外一部分繼續在335°C、氮氣保護下用電子能量為1.5MeV的加速器進行輻照，吸收劑量為80kGy，輻照結束后自然冷卻，得到樣品5。
[0030]將得到對照樣3和樣品5在環形盤(ring-on-disc)摩擦磨損測試機上進行耐摩性能對照測試。不銹鋼圓環的內徑26毫米，外徑30毫米。試件和對偶環用砂紙粗拋光，再用丙酮棉球擦洗干凈、晾干。在室溫、圓環相對滑動速度27米每分鐘、載荷為200牛頓下干滑動滑動摩擦磨損，試驗時間10分鐘。摩擦磨損試驗結束后精確稱量試樣的質量，并與試驗前的質量進行對比，試驗前后的質量之差即為磨損導致的質量減輕。對照樣3的磨損為135毫克，樣品5的磨損為12.0毫克，因此經過l00kGy劑量的輻照交聯后，PTFE涂層的耐磨性能提高11.3倍。
[0031]實施例6:
[0032]本實施例提供的一種高耐磨性金屬基自潤滑PTFE涂層的制備方法，根據實施例5制備的PTFE涂層不經過高溫與燒結，直接在比PTFE熔點327°C高出28°C的溫度(355°C )下進行輻照交聯，在氮氣保護下用電子能量為1.5MeV的加速器進行輻照，吸收劑量為150kGy,福照結束后自然冷卻，得到樣品6。
[0033]將得到的樣品6在環形盤(ring-on-disc)摩擦磨損測試機上進行耐摩性能測試。不銹鋼圓環的內徑26毫米，外徑30毫米。試件和對偶環用砂紙粗拋光，再用丙酮棉球擦洗干凈、晾干。在室溫、圓環相對滑動速度27米每分鐘、載荷為200牛頓下干滑動滑動摩擦磨損試驗時間10分鐘。樣品6的磨損為7毫克，因此經過150kGy劑量的輻照交聯后，與對照樣3相比，該PTFE涂層的耐磨性能提高19倍。該實施例表明PTFE涂層可以不經過高溫予燒結、直接在PTFE熔點以上的溫度進行輻照交聯同樣可以獲得高耐磨性。
【權利要求】
1.一種高耐磨性金屬基自潤滑PTFE涂層的制備方法，采用PTFE為原料，其特征是將PTFE或PTFE與添加劑的混合物涂覆到金屬基材表面，經過干燥后形成PTFE膜，再利用電子加速器在330°C -355°C的溫度下進行輻照，使PTFE處于熔融狀態，輻照氣氛為惰性氣體，使金屬基材表面的PTFE分子發生交聯，形成三維網狀結構。
2.根據權利要求1所述的一種高耐磨性金屬基自潤滑PTFE涂層的制備方法，其特征是在輻照先在惰性氣體環境下于380°C _390°C溫度范圍內進行燒結，燒結后再采用電子加速器進行輻照。
3.根據權利要求1或2所述的一種高耐磨性金屬基自潤滑PTFE涂層的制備方法，其特征是所述PTFE為原料是乳液、粉末，所述PTFE與添加劑的混合物是PTFE與玻璃纖維粉末或碳纖維粉末或石墨粉末或及其結合的混合物。
4.根據權利要求1或2所述的一種高耐磨性金屬基自潤滑PTFE涂層的制備方法，其特征是所述利用電子加速器進行輻照，是采用電子能量為100KeV-3MeV的加速器進行輻照，吸收劑量控制在10kGy-500kGy。
5.根據權利要求1或2所述的一種高耐磨性金屬基自潤滑PTFE涂層的制備方法，其特征是所述金屬基材是銅質基材或在其它金屬表面涂覆銅涂層。
6.根據權利要求5所述的一種高耐磨性金屬基自潤滑PTFE涂層的制備方法，其特征是所述金屬表面涂覆銅涂層，可以是將銅粉攤鋪在金屬板的一面、然后高溫燒結，使金屬表面鍍上一層一定厚度的金屬銅。
7.根據權利要求6所述 的一種高耐磨性金屬基自潤滑PTFE涂層的制備方法，其特征是所述的在其它金屬表面涂覆銅涂層是在不銹鋼板表面涂覆銅涂層。
【文檔編號】C23C24/10GK103628058SQ201210299052
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年8月20日 優先權日:2012年8月20日
【發明者】吳國忠, 鐘磊, 胡志強 申請人:嘉善申嘉科技有限公司