| 多孔聚酰亚胺/纳米硅复合含油材料的制备与摩擦学性能研究 | |
贾卫红
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| Thesis Advisor | 王金清 ; 任嗣利 |
| 2020-05-26 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 多孔聚酰亚胺 硅基纳米材料 Silicon-based nanomaterials 掺杂共聚 Blending polymerization 储油 Oil storage 摩擦学性能 Tribological properties Porous polyimide |
| Abstract | 多孔聚酰亚胺（PI）具有质轻、化学稳定性好、耐辐照以及孔径结构可调可控等诸多优点，将其储存润滑油后非常适合用作机械设备中的长效润滑材料。但纯多孔 PI 材料的储油性能与力学性能之间相互制约，造成其在服役工况中面临储油性能、力学性能和摩擦学性能难以同时满足需求的困境。本论文针对单一多孔 PI 含油材料结构与性能方面存在的主要问题，以聚苯乙烯微球（PS）为致孔剂，分别以实心二氧化硅纳米球（SiO 2 ）、介孔二氧化硅纳米球（MSNs）、中空介孔二氧化硅纳米球（HMSNs）以及介孔二氧化硅纳米管（MSNTs）为添加剂，通过掺杂共聚法制备了四种不同结构形态的多孔聚酰亚胺/纳米硅复合材料（PI/SiO 2 、PI/MSNs、PI/HMSNs 和 PI/MSNTs），着重研究了复合材料的组成结构与其性能间的关系，并探讨了不同复合含油材料适用的工况条件。主要研究内容和结果总结如下： （1）添加剂对材料孔结构和储油性能的影响作用。所制备的四种多孔复合薄膜中，除以实心 SiO 2 为添加剂制备的多孔 PI/SiO 2 复合薄膜与纯多孔 PI 复合薄膜具有相似的孔隙率和孔径分布外，其它三种以富含介孔结构的硅基纳米材料为添加剂所制备的多孔复合薄膜的孔径分布更具多样性，即含有丰富的微、介孔和大孔结构，孔隙率显著提高，由此决定了复合薄膜优异的储油性能。其中，利用 7.0 wt% PS 和 1.0 wt% HMSNs 所制备的多孔 PI/HMSNs 复合薄膜的孔隙率高达 37.8 %，比相应的纯多孔 PI 薄膜的孔隙率（22.9 %）提高了约 65 %，含油率（12.15 %）比纯多孔 PI 薄膜（7.68 %）提高了 58.2 %，且随着甩油时间的延长 和甩油速率的增加，油保持率接近 100 %。 （2）添加剂对材料力学性能的影响作用。四种硅基纳米添加剂在制备过程中经后期有机溶剂处理后表面均富含羟基，因此硅基纳米粒子的适量添加在 PI基体中分散性较好，且与 PI 前驱体分子链络合形成较强的氢键作用从而形成复合材料。因此，在力学性能测试的过程中，拉伸应力可以通过 PI 分子链传递到硅基纳米粒子，使得复合材料的拉伸强度和杨氏模量均显著增加。与其它三种添加剂相比，MSNTs 具有的大长径比特性，使其传递应力的能力更强。当 PS 的添加量为 6.0 wt%、MSNTs 的含量仅为 0.3 wt%时，所制备的多孔 PI/MSNTs 复合薄膜的杨氏模量和拉伸强度比相应纯多孔PI薄膜的分别提高了43.7 %和30.8 %。此外，随着添加剂含量的逐步增加，四种复合薄膜材料的力学性能均呈现先增大后减小的趋势，主要是由于当添加量过高时，其在 PI 基体中易团聚形成应力集中缺陷，从而导致复合薄膜的力学性能下降。 （3）介孔硅基纳米材料的添加可显著提升多孔PI的热稳定性。以3.0 wt% PS和 0.75 wt% MSNs（比表面积为 1227.7 m 2 /g）所制备的多孔 PI/MSNs 复合薄膜为例，当温度升高到 700℃以后，其质量损失比纯多孔 PI薄膜减少了 35.58 wt%，这主要是由于介孔硅基纳米材料具有热稳定性高、比表面积大和表面能高等特性，其可通过较强的氢键作用与多孔 PI基体结合，使 PI分子链运动受阻，柔性减小，从而极大地提升多孔 PI 材料的热稳定性。此外，介孔硅基纳米添加剂较低的热膨胀系数使多孔复合材料与液体石蜡油之间的热膨胀系数差增大，从而为复合含油薄膜在摩擦过程中释放润滑油提供了必要条件。 （4）通过添加介孔硅基纳米材料所制备的多孔聚酰亚胺/纳米硅复合材料集优异的力学性能、热稳定性和储油性能于一体，储油后，在载荷和摩擦热的共同作用下缓慢释放润滑油至摩擦界面并形成润滑油膜，从而表现出优异的摩擦学性能。利用7.0 wt% PS和1.0 wt% HMSNs所制备的多孔PI/HMSNs复合含油薄膜，在载荷为 200 N 和 70℃的环境温度下摩擦时，其摩擦系数稳定在 0.10 左右，磨损寿命超过 175 min，特别适用于较高温度下的长效润滑工况环境。而利用 6.0 wt%PS 和 1.0 wt% MSNTs 所制备的多孔 PI/MSNTs 复合含油薄膜，在 450 N 的高载和 50℃的温度下摩擦时，其摩擦系数在 0.11 左右，磨损寿命达 58 min，适合用作短期高载荷工况下的润滑材料。然而，在研究中作为参照的纯多孔 PI 含油材料分别在200 N和450 N的载荷下进行摩擦学性能测试时，其摩擦系数极不稳定，始终呈现逐步升高的趋势，且在摩擦时间分别持续 39 min 和 6 min 后薄膜被磨穿，润滑失效。因此，本论文中利用介孔硅基纳米材料所制备的多孔聚酰亚胺/纳米硅复合含油材料，有望代替传统纯多孔 PI 含油材料在特殊工况（如高温、高载荷）的摩擦环境中得到广泛应用。 |
| Pages | 153 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/27325 |
| Collection | 固体润滑国家重点实验室（LSL） |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 贾卫红. 多孔聚酰亚胺/纳米硅复合含油材料的制备与摩擦学性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2020. |
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