保持架用工程塑料的熱性能

孫小波，王楓，馮穎,王子君，李建華

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

工程塑料具有優(yōu)異的特性，被廣泛地用作軸承保持架材料[1-2]。常用的工程塑料有尼龍(聚酰胺)、聚四氟乙烯、聚酰亞胺、聚醚醚酮及其改性復合材料。工程塑料保持架的溫度范圍要求很寬，一般為-253～ 280 ℃。而工程塑料熱性能差異性大，隨著溫度的變化，工程塑料性能將發(fā)生顯著變化。因此工程塑料的選取顯得格外重要，若選用不當，僅僅因工程塑料保持架受熱變形引起的“抱軸咬死”現(xiàn)象就會導致軸承失效[3]。

熱性能是選用工程塑料保持架材料首先面對的問題。工程塑料的熱性能指標繁多，如高溫耐熱性能、低溫熱性能、內在基礎熱性能等。由于測試標準及條件不統(tǒng)一，使得材料廠家提供的數(shù)據(jù)差異性大。如何正確理解并比較工程塑料的眾多熱性能參數(shù)及其內在關聯(lián)，尚無文獻系統(tǒng)介紹。保持架用工程塑料要求在低溫、室溫或較高溫度下均具有較高的綜合性能，而工程塑料的性能隨著溫度的改變會有不同形式和程度的變化，了解其變化規(guī)律對于選用保持架材料至關重要。

1 塑料保持架材料的熱性能

熱性能是與熱或溫度有關的性能的總稱，目前，可用于制作軸承保持架的熱固性工程塑料較少，故本例所述均為熱塑性工程塑料。工程塑料的熱性能一般可分為高溫耐熱性能、低溫熱性能和內在熱性能，其分類情況見表1。

表1 工程塑料的熱性能分類

1.1 短期高溫耐熱性能

工程塑料的短期高溫耐熱性能體現(xiàn)在高溫時的剛度和強度水平，高溫下的剛度和強度水平應被視為設計時要考慮的重要因素。常用的評價指標有熱變形溫度和維卡軟化溫度。

1.1.1 熱變形溫度(HDT)

熱變形溫度的研究對象是宏觀結構性能，是表達被測物的受熱和變形之間關系的重要參數(shù)，其與高溫下的剛度有關，是衡量工程塑料短期耐熱性能常用的重要指標之一，相應的測試標準有GB/T 1634.2—2004，ASTM D 648—2007和ISO 72-2:2004。一般而言，對無定形工程塑料，熱變形溫度比玻璃化轉變溫度低10～20 ℃；對半結晶工程塑料，熱變形溫度可接近于熔融溫度。

1.1.2 維卡軟化溫度(VST)

維卡軟化溫度評價的是材料載荷下短期耐熱性能，反映制品在受熱條件下物理力學性能的指標之一，相應的測試標準有GB/T 1633—2000，ISO 306:1994和ASTM D 1525—2009。維卡軟化溫度雖不能直接用于評價材料的實際使用溫度，但可以用來指導材料的質量控制。維卡軟化溫度越高，表明材料耐熱變形能力越好，剛度越大，模量越高。

1.1.3 兩種指標之間的關系

熱變形溫度和維卡軟化溫度均是評價塑料短期的耐熱性能，均是指在一定載荷下，其達到某一規(guī)定形變值時的溫度，該溫度值可統(tǒng)稱為塑料的軟化點。但由于采用的測試方法不同、標準不一，故測試結果相互之間無定量關系。試驗測得的熱變形溫度和維卡軟化點僅適用于控制質量和作為鑒定新品種熱性能的一個指標，不代表材料的使用溫度。

1.2 長期高溫耐熱性能

工程塑料在高溫下容易發(fā)生熱降解，而較高溫度下的保持架是在“機械應力和較為苛刻的化學物理環(huán)境中使用”。因此，對設計者來說，了解材料暴露于有氧環(huán)境下和受熱數(shù)千個小時之后的性能水平至關重要。

工程塑料的長期高溫耐熱性分為兩種：(1)附加載荷，常用的評價指標為耐蠕變性，下文不作贅述；(2)無附加載荷，常見的評價指標有長期連續(xù)使用溫度(CUT)、相對溫度指數(shù)(RTI)和絕對真實使用溫度(ARO)。CUT定義為給定材料的力學性能在一定時間內下降50%時的溫度，主要用作汽車行業(yè)選材標準(杜邦公司規(guī)定為連續(xù)暴露在高溫下1 000 h，抗拉強度降低50%時的溫度)；RTI在一定程度上可被認為是具有很長半使用周期的連續(xù)使用溫度；ARO是指材料在指定工況下老化指定時間后并在一定溫度下測得的數(shù)值，如在150 ℃經過5 000 h老化后，在150℃時測得的值。

CUT和RTI只考慮材料性能的保持比例情況，在室溫下測定材料熱老化后的性能，與實際情況不符。而ARO克服了CUT和RTI的缺點，但由于使用溫度不同，相應數(shù)據(jù)極少。

1.3 工程塑料低溫熱性能

工程塑料的低溫熱性能以沖擊脆化溫度(TB)表示，一般指在規(guī)定試驗條件下試樣破損率為50%時的溫度。現(xiàn)行的相應標準為GB/T 5470—2008或ASTM D7 46:2007。隨著溫度逐漸降低，工程塑料會變得越來越硬而脆，這是由于聚合物分子鏈的活動性變得越來越小的緣故。脆化溫度是工程塑料正常使用的溫度下限。

1.4 熱基礎特征溫度

該指標可分為物理耐熱性溫度和化學穩(wěn)定性溫度，均表示工程塑料在無載荷條件下的特征溫度。物理耐熱性溫度包含玻璃化轉變溫度(Tg)和熔融溫度(Tm)；化學穩(wěn)定性溫度指工程塑料分子鍵的熱穩(wěn)定性，其衡量指標為熱分解溫度。

1.4.1 玻璃化轉變溫度

對于保持架用工程塑料，玻璃化轉變溫度是最主要的熱基礎物性，是大分子鏈鏈段由不能運動到開始運動的轉折溫度，是工程塑料熔融前剛度發(fā)生最大變化的溫度。低于玻璃化轉變溫度時，聚合物材料中的無定形和半結晶區(qū)域呈剛硬狀態(tài)。因此，無定形熱塑性塑料僅在玻璃化轉變溫度以下才適宜制造結構材料，半結晶熱塑性塑料在高于其玻璃化轉變溫度的一定范圍內仍能保持一定的剛度。

1.4.2 熱基礎特征溫度之間的關系

無定形和半結晶工程塑料在不同溫度范圍內，大分子運動的程度不同。對于無定形工程塑料，溫度大于Tg，工程塑料便進入黏彈態(tài)，所以溫度小于Tg時才具有實用意義。對于半結晶工程塑料，溫度在Tg以上一定范圍內仍可以維持結構穩(wěn)定[4]；溫度繼續(xù)升高至Tm，半結晶工程塑料發(fā)生熔融；溫度繼續(xù)升高到一定程度，鏈段及分子結構分解，達到分解溫度。

工程塑料的熱基礎特征溫度的關系為：玻璃化轉變溫度<熔融溫度<熱分解溫度。保持架常用工程塑料的部分熱性能參數(shù)見表2。

表2 保持架常用工程塑料的部分熱性能

2 溫度影響工程塑料性能的機理

工程塑料的溫度效應明顯，溫度影響聚合物活動單元活化的能量，工程塑料產生的物理變化(如軟化、熔融)、化學變化(如降解、分解)是工程塑料受熱后性能變化的主要原因。工程塑料有玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)3種力學狀態(tài)，溫度對工程塑料的影響如圖1和圖2所示。當溫度小于玻璃化轉變溫度時，工程塑料處于玻璃態(tài)，表現(xiàn)為剛度固體，在外力作用下形變非常小，具有較高的強度和剛度。

圖1 工程塑料狀態(tài)與溫度和分子量的關系

圖2 工程塑料在恒定應力下的加熱曲線

對于無定形工程塑料，當溫度超過玻璃化轉變溫度時，內部分子結構按不規(guī)則排列，形變顯著增大，并在隨后的一定溫度區(qū)間形變相對穩(wěn)定，材料漸漸軟化進入黏彈態(tài)，強度迅速下降。在只有幾攝氏度范圍的轉變溫度區(qū)間前后，模量將改變3～5個數(shù)量級，使材料使用性能發(fā)生改變。所以無定形熱塑性塑料僅在玻璃化轉變溫度以下才有實用意義[5]。

對于半結晶型工程塑料，雖然其中仍含有部分無定形結構，但其物理狀態(tài)和無定形高聚合物不同，半結晶聚合物也有玻璃態(tài)、黏彈態(tài)和黏流態(tài)，不同的是半結晶聚合物的黏彈態(tài)可分為皮革態(tài)和橡膠態(tài)。半結晶型工程塑料結晶度可達30%～90%，內部分子結構高度整齊，有固定的熔點，無定形區(qū)發(fā)生了鏈段運動，而結晶區(qū)還未熔融，沒有鏈段運動。所以在大于玻璃化轉變溫度的一定范圍內，不會慢慢變軟，變形仍較小，強度和剛度保持率較高，擴大了工程塑料的溫度使用范圍。如聚醚醚酮玻璃化轉變溫度為143 ℃，但其最大結晶度可達35%，因此在200 ℃還保持較高的力學強度[6]。

溫度繼續(xù)升高變形量繼續(xù)增大，材料逐漸變成黏性流體，無定形和半結晶型工程塑料均進入黏流態(tài)，失去應用價值。

3 溫度對保持架用工程塑料性能的影響

3.1 抗拉強度

隨著溫度的升高，工程塑料保持架的抗拉強度呈下降趨勢。對于無定形工程塑料，玻璃化轉變溫度是其使用溫度的上限。通常，當溫度達到Tg以下20～25 ℃時，分子鏈運動加劇，樹脂開始軟化，抗拉強度下降，故長期使用溫度應在Tg以下20～25 ℃[7]。而對于半結晶性工程塑料，玻璃化轉變溫度越高，結晶度越大，高溫強度保持率越高。常用的幾種工程塑料保持架材料抗拉強度隨溫度的變化曲線如圖3所示，可以看出，隨著溫度的升高，抗拉強度呈下降趨勢；尤其是VESPEL?SP產品抗拉強度隨溫度升高呈線性下降趨勢。

圖3 常用工程塑料抗拉強度隨溫度的變化曲線

3.2 摩擦磨損性能

隨著溫度的升高，工程塑料保持架的磨損逐漸增大，同時，撕裂也變得容易發(fā)展。摩擦過程產生大量的熱量，會使部件溫度升高，尤其是在系統(tǒng)散熱能力有限的情況下，耐磨能力降低。

PTFE在不同溫度下的摩擦因數(shù)和磨痕寬度[8]如圖4所示，可以看出，PTFE的摩擦因數(shù)隨著溫度的升高而降低，這是由于溫升改善了PTFE分子鏈的運動狀況；也更容易產生塑性變形，這對于轉移膜的形成均產生積極的影響。而PTFE的磨痕寬度隨著溫度升高呈逐漸增大趨勢。

圖4 溫度對PTFE摩擦因數(shù)和磨痕寬度的影響

文獻[9]研究溫度對聚酰亞胺(YS20)摩擦性能的影響時發(fā)現(xiàn)， PI的摩擦因數(shù)隨溫度升高而增大，最大值達0.66，之后降低至0.16。分析認為：PI是熱的不良導體，摩擦熱主要集中于摩擦表面層，并使摩擦表面層的溫度大于PI的Tg，PI摩擦表面層的物理狀態(tài)不同，從而表現(xiàn)出不同的摩擦行為。在較低環(huán)境溫度下(小于110 ℃)，摩擦溫升使YS20-PI真實接觸的表面微凸體出現(xiàn)髙彈態(tài)，表面層為玻璃態(tài)，此時摩擦因數(shù)較低，磨損僅發(fā)生在這些小的微凸體表層，此時產生的只是細微粒狀磨屑；隨著溫度的升高，表面出現(xiàn)連續(xù)并具有一定厚度的高彈態(tài)層，此時真實接觸面積增大，黏著磨損和犁溝磨損均增大，摩擦因數(shù)升高；當環(huán)境溫度升高到111～200 ℃時，摩擦使材料表面產生了黏流層，其黏度逐漸降低，厚度不斷增加，使摩擦因數(shù)迅速降低，此時產生片狀磨屑；當環(huán)境溫度高于200 ℃時，摩擦熱使PI表面出現(xiàn)黏度低且厚度更大的黏流層，PI的分子鏈段在摩擦力作用下更容易發(fā)生沿滑動方向的運動，摩擦因數(shù)進一步降低，此時產生細長條狀磨屑，形成的犁溝更寬更深，磨損相當嚴重。

3.3 膨脹系數(shù)

保持架用工程塑料線膨脹系數(shù)隨溫度的變化如圖5所示，對于無定形工程塑料，從圖中可以看出，隨著溫度的升高(

圖5 工程塑料線膨脹系數(shù)隨溫度的變化示意圖

保持架用工程塑料體積膨脹系數(shù)隨溫度的變化如圖6所示，可以看出，隨著溫度提高(

圖6 工程塑料體積隨溫度的變化示意圖

3.4 彈性模量

工程塑料彈性模量隨溫度的變化如圖7所示(圖中l(wèi)nG表示彈性模量的ln對數(shù))，當溫度低于Tg時，呈玻璃態(tài)，彈性模量較高，隨著溫度升高，彈性模量變化量很小。當溫度大于Tg時，玻璃態(tài)逐漸開始向高彈態(tài)轉變，無定形工程塑料的彈性模量急劇降低高達3～5個數(shù)量級，半結晶工程塑料彈性模量也顯著降低，但幅度小于無定形工程塑料。之后工程塑料的彈性模量幾乎不隨溫度變化而改變，此后一定溫度范圍內(半結晶工程塑料，溫度低于Tm時)處于高彈態(tài)平臺期。溫度繼續(xù)升高，無定形工程塑料逐漸出現(xiàn)流動態(tài)，彈性模量急劇下降。溫度升高到Tm時，半結晶工程塑料出現(xiàn)熔融，進入流動態(tài)，彈性模量幾近喪失。

圖7 工程塑料彈性模量隨溫度的變化示意圖

常見工程塑料的彈性模量隨溫度的變化曲線如圖8所示，可以看出，隨著溫度的升高，彈性模量呈逐漸降低的趨勢。對于無定形聚醚酰亞胺，當溫度達到Tg時，彈性模量急劇降低；對于半結晶工程塑料，如PEEK，由于其結晶度較大，溫度達到Tg時，彈性模量降低幅度較小。

圖8 幾種工程塑料彈性模量隨溫度的變化曲線

3.5 蠕變

蠕變反映保持架的尺寸穩(wěn)定性，軸承運轉時保持架受力復雜，工程塑料保持架必須具有較高的耐蠕變性能，而其蠕變性能受溫度影響顯著，是一種典型的松弛過程。溫度較低時，蠕變很小而且很慢，在短時間內不易覺察；溫度過高，形變過快，也不易察覺其蠕變現(xiàn)象；唯有溫度在Tg以上不多時，鏈段在外力下可以滑動，蠕變現(xiàn)象明顯[10]。

工程塑料于玻璃態(tài)時，鏈段運動比較困難，蠕變隨時間變化很小。溫度大于Tg時，工程塑料進入髙彈態(tài)，鏈段很容易運動，蠕變速率達到極大值。在實際應用中，如要避免明顯的蠕變不應該在Tg附近使用，通常保持架用無定形工程塑料的使用溫度上限應在Tg以下20～30 ℃。對于半結晶工程塑料，高結晶性使材料在溫度大于Tg時仍具有良好的剛度，故其耐蠕變性能較為突出。

4 保持架用工程塑料的選用

保持架用工程塑料種類繁多，面對眾多的工程塑料及其改性制品，需要以軸承的應用工況并結合保持架對工程塑料性能的要求為出發(fā)點和依據(jù)，綜合選出高性價比的材料。圖9為保持架用工程塑料選材時需考慮的因素，可以看出，除了考慮制約因素、化學因素、環(huán)境和物理因素外，還要考慮工程塑料的熱力學性能，尤其是高溫性能。

圖9 保持架用工程塑料選材時需考慮的因素

工程塑料的高溫耐熱性只要滿足相應使用要求即可，太高會造成材料成本急劇上升，若有可能盡量選用通用工程塑料。要充分考慮工程塑料的環(huán)境(包含介質、有氧或無氧和載荷等)和耐熱性能，如聚酰亞胺耐高溫性高于聚醚醚酮，但其在抗水解方面較聚醚醚酮差一些[11]。值得一提的是，文中提及的材料數(shù)據(jù)均由特定的測試得來，并沒有考慮保持架的性能要求。對于保持架用工程塑料的選用，設計者應充分考慮“高溫-時間-環(huán)境-性能”之間的平衡。