高耐磨聚氨酯复合材料的制备与性能研究

作     者：张钰婷 

作者单位：长春工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王世伟

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：聚氨酯弹性体 摩擦性能 环氧树脂 超高分子量聚乙烯 

摘      要：聚氨酯弹性体(PUE)因其优异的机械强度、耐候性、耐磨性以及抗腐蚀性,成为了应用于采矿筛网、轴承内衬、减震材料及密封件加工等领域的首选材料。由于构成聚氨酯材料的软硬段在热力学上的不相容性,聚氨酯能够形成独特的微相分离结构,这种结构既有利于聚氨酯保持良好的机械性能,但也使得弹性体的内聚能增大。在承受极端工况时,会导致材料的内生热过大,使得材料出现表面软化变形,承载能力降低以及摩擦系数升高等一系列问题,严重限制了聚氨酯材料的使用。鉴于此,本论文从聚氨酯分子结构设计的角度出发,探索了多元醇分子量对PUE性能的影响;利用环氧树脂共混改性PUE,有效改善了材料的滑动摩擦系数和磨损性能;在PUE浇注工艺中,引入超高分子量聚乙烯,利用其优异的自润滑特性,进一步降低了PUE复合材料的滑动摩擦磨损性能。具体研究内容和结果如下: 1.利用不同分子量多元醇混合,制备高耐磨PUE材料。选用分子量为1000与2000的聚醚多元醇为研究对象,以甲苯二异氰酸酯(TDI)与3,3′-二氯-4,4′-二氨基二苯基甲烷(MOCA)为硬段原料,采用预聚体浇注工艺,制备得到PUE。通过对两种不同分子量聚醚多元醇混合比例及含量的调控,控制聚氨酯分子中软硬段含量,优化相分离结构,降低材料滑动内生热,提高摩擦磨损性能,实验结果显示:PUE的拉伸强度和断裂伸长率可达45.29 MPa和256.49%,摩擦系数为0.71,磨损率为1.358%。 2.选用环氧树脂(EP)作为有机改性物,制备高承载能力的PUE/EP复合材料。通过调控环氧树脂的加入比例,控制聚合物的交联程度,使其形成互穿网络(IPN)结构。研究结果表明,IPN结构有效提升了复合物的耐热性能、承载能力和摩擦磨损性能。聚氨酯复合材料表现出最佳的综合性能,其拉伸强度为42.48 MPa,断裂伸长率为241.51%,硬度提升至68 HD,摩擦系数降为0.63,磨损率降至1.285%。 3.将超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作为填料,进一步增强复合材料的自润滑性能。通过对UHMWPE进行表面改性处理,改善聚合物基质与填料的相容性,从而有效提升复合材料的机械性能。探究了UHMWPE的添加量对复合材料性能影响,结果表明,复合材料拉伸强度可达46.58 MPa,断裂伸长率可达266.72%。同时探究了复合材料在不同摩擦条件下的摩擦磨损性能,具体结果为:在标准摩擦条件下,摩擦系数降至0.52,磨损率下降至0.159%;水润滑条件下摩擦系数和磨损率分别为0.08和0.0314%;重载条件下摩擦系数和磨损率分别为0.34和0.125%;高速条件下摩擦系数和磨损率分别为0.40和0.127%。