軸承保持架用聚酰亞胺材料

孫小波，王子君，王楓

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

隨著航空、航天等尖端技術的迅速發展，對耐熱、高強度、輕質、耐磨減摩軸承保持架材料的要求也越來越苛刻，尤其是在高溫、高速、高真空及輻照環境中，一般工程塑料難以勝任。聚酰亞胺(PI)是一類主鏈上含有酰亞胺環的高分子材料，不但具有良好的力學性能、耐輻照性、耐磨性和自潤滑性，而且具有優異的耐熱性和抗熱氧化性。

PI在軸承保持架領域，尤其是在空間真空環境下的球軸承保持架領域得到了諸多成功應用[1]。由不同單體及合成方式得到的PI的力學性能，尤其是耐熱性差異很大。下文就目前商業化的軸承保持架用PI材料進行闡述，為根據不同性能需求選用不同種類的PI材料提供幫助。

1 PI的種類

目前，除了法國圣戈班集團生產的Meldin?7000熱固性PI可用于制造軸承保持架外，軸承保持架用PI幾乎均為熱塑性PI(TPI)。TPI一般采用兩步合成法由有機芳香四酸二酐和有機芳香二胺制備。按所用有機芳香四酸二酐單體結構不同，PI可分為聯苯型、均苯型、酮酐型、單/雙醚酐型(或稱為聚醚酰亞胺)及氟酐型[2]。合成PI用部分二酐結構如圖1所示。

圖1 合成PI用部分二酐結構

氟酐型PI由6FDA和芳香二胺反應制得。6FDA中含有全氟代異丙基團，故具有較高的耐熱性和抗熱氧化性，但氟酐型PI單體成本較高，限制了其大規模應用[2]。

目前商業化的軸承保持架用PI材料有聯苯型PI、均苯型PI、酮酐型PI、聚醚酰亞胺(PEI)及聚酰胺酰亞胺(PAI)。其中，均苯型PI可被稱為不熔型PI，酮酐型PI和PEI可被稱為可熔型PI，PEI和PAI也可被稱為改性PI。

1.1 聯苯型PI

聯苯型PI由BPDA和芳香族二胺反應得到，其隨著對TPI耐熱性要求的不斷提高而出現，具有更高的玻璃化轉變溫度和更好的結晶能力。如日本宇部公司開發的Upimol?，其具體結構尚未公開[3]；日本三井化學公司開發的Super Aurum?已實現了商業化，其結構如圖2所示[4]。

圖2 Super Aurum?的結構

1.2 均苯型PI

均苯型PI是由PMDA和芳香族二胺反應得到的不溶不熔的PI，其分子剛性很大，具有優異的耐熱性，可用于不低于280 ℃的高溫軸承保持架領域。目前，商業化的主要產品為美國杜邦公司的Vespel?[3]和日本三井東壓化學公司[3]于20世紀80年代末開發的Aurum?。從Vespel?的設計手冊看，Vespel?的重復單元結構是同一個結構。這2種均苯型PI的結構如圖3所示[5]。

圖3 均苯型PI的結構

Vespel?的玻璃化轉變溫度為385 ℃，理論計算熔點為592 ℃，在其熔融前已分解，屬于“假塑性”PI，顯然不能采用熔融加工方法成形[3]。Vespel?SP和ST可在288 ℃連續使用，在480 ℃短期使用，廣泛應用在軸承及其保持架中。新開發的Vespel?SCP5000可在350 ℃的高溫下長期工作，尺寸穩定性極佳，熱膨脹系數幾乎與不銹鋼相當，已成功替代金屬應用在航空發動機部件中。

均苯型PI雖有很好的耐熱性，但由于PMDA剛性過大，適合的二胺種類較少，且存在韌性和成形加工性較差的缺點，限制了新型均苯型PI的開發和應用。

1.3 酮酐型PI[6]

酮酐型PI由BTDA和芳香二胺反應制得，其玻璃化轉變溫度比雙酚A型PI和醚酐型PI高，在260～300 ℃可長期使用，短期工作溫度可達400 ℃。酮酐型PI最早是由NASA的Langley研究中心開發的LaRcTM-CPI和LaRcTM-TPI，NASA后來將專利轉讓給日本三井東壓化學和Rogers兩家公司，并實現了商業化，其結構如圖4所示。

圖4 酮酐型PI的結構

1.4 PEI

PEI指由ODPA，BEPA和各種芳香族二胺合成的TPI，基于ODPA的PI的玻璃化轉變溫度比基于BEPA的高一些，但稍低于酮酐型PI。部分二酐可與ODPA合成半結晶性TPI，但是這些半結晶性TPI大多無法由熔體結晶，其結晶主要是合成過程中在溶劑存在的條件下形成的，因此這種結晶性在熔融加工中無法體現，所以PEI都是無定形的。

PEI是在單體二酐分子中引入醚鍵得到的芳環PEI，其分子中既含有芳香胺官能團，又含有醚鍵結構，結構中的芳香亞胺和苯環部分使其具有高剛性、高抗蠕變性、高強度及高耐熱性，醚鍵賦予鏈段柔軟性，使其具有韌性、熔融流動性好及易加工成形的特點。PEI一般可溶于酚類溶劑。

PEI主要有美國GE公司的Ultem?、中國科學院長春應用化學研究所的YHPI?系列和上海合成樹脂研究所的Ratem?YS20(單醚酐型PI)和YS30[7]，其結構如圖5所示。其中Ratem?YS20和YHPI-P-100(雙醚酐型PI)基本性能接近甚至部分超過Ultem?1000。值得一提的是，Ultem?1000由于在主鏈中引入了醚鍵和異丙基而具有更好的流動性、成形性及成品伸長率。

圖5 PEI的結構

國內采用Ratem?YS30注射成形的外徑5 mm，壁厚1 mm，寬度約1 mm的微型薄壁軸承保持架具有一次成形、質量和工效高、成本低等優點，成功替代了以往的酚醛膠木保持架[8]。

1.5 PAI

PAI是將PI的分子主鏈中引入酰胺鍵得到的改性PI，目前商業化的PAI主要為美國Amoco公司的Torlon，其結構如圖6所示[3]。

圖6 Torlon的結構

PAI除長期使用溫度略低于均苯型PI外，其機械強度、剛性、耐磨性、耐堿性、耐輻照性等均相當或優于均苯型PI。PAI在注射成形的熱塑性工程塑料中力學性能最好，在高溫下性能也十分優良，抗沖擊強度很高，是均苯型PI的2倍。其耐蠕變性優異，尺寸穩定性好，摩擦因數很低，在高溫下耐摩擦損耗性能也很好。PAI的熱變形溫度為278 ℃(載荷1.82 MPa)，玻璃化轉變溫度為280～290 ℃，長期使用溫度為-200～220 ℃。其耐化學藥品性優良，可耐脂肪烴、芳香烴、氯代烴及幾乎所有的酸，但不耐濃堿、飽和水蒸氣及由濃硫酸和濃硝酸組成的混合酸。

PAI與均苯型PI相比，加工性能明顯改善，可用注射、層壓方法成形，同樣可用浸漬法或流延法制成薄膜。

商業化的軸承保持架用PI的成形方法及其優、缺點見表1。

表1 商業化的軸承保持架用PI的成形方法及其優、缺點

2 PI的性能

商業化的軸承保持架用PI具有優良的力學性能，未改性PI的抗拉強度一般均大于100 MPa，彈性模量一般大于3 GPa，抗彎強度和壓縮強度較高，具有突出的抗蠕變性，尺寸穩定性好，如Vespel?SP-1在300 ℃，17.1 MPa的條件下連續工作600 h，蠕變變形量小于2.4%；其力學性能隨溫度波動變化較小，使用溫度范圍廣，如均苯型PI在260 ℃時抗拉強度保持率不小于50%。同時PI具有優異的摩擦學性能，尤其值得一提的是在高溫、高壓、高速、高真空及輻照環境中具有優異的減摩潤滑特性，有些PI可在不小于300 ℃下長期使用，適宜制作高溫下尺寸精度要求較高的保持架。商業化的PI的部分性能見表2。

2.1 耐熱性

PI芳環結構分子鏈鍵能大，不易斷裂分解，使得PI具有優異的耐熱性，其分解溫度大于500 ℃。耐熱性的指標主要是玻璃化轉變溫度，必須具有較高的玻璃化轉變溫度才能滿足高溫使用，目前商業化的PI的玻璃化轉變溫度一般為210～385 ℃。保持架作為結構材料，設計的使用溫度應比玻璃化轉變溫度低30～50 ℃[3]。因此，現有商業化的PI的長期使用溫度為170～315 ℃，Vespel?SCP5000可在350 ℃的高溫下長期使用。

相同二胺與二酐合成PI的玻璃化轉變溫度的高低順序一般為：PMDA>BTDA≈BPDA>ODPA>BEPA[9]。

表2 商業化的PI的部分性能

同時，分子鏈中含有的酰亞胺雜環使PI具有耐低溫性，合成單體的不同決定了PI具有不同的低溫適應性，如全芳香族PI可耐極低溫度，在-269 ℃的液氦中仍不脆裂。Vespel?能在-254 ℃的空氣或真空中用于軸承保持架，該軸承安裝在直升機的變速器內，在潤滑系統失靈后還能繼續運轉24 h。

2.2 耐輻照性

PI耐輻照性的研究目前主要集中在PI薄膜方面，軸承保持架用PI通常具有很高的輻照穩定性，相應的研究報道較少。PI的強度和伸長率隨輻照劑量的增加而降低，尤其是伸長率降低最明顯，但模量卻隨劑量的增加而增加[3]。例如PMDA/ODA(均苯型)PI在50 MGy下仍能保留原始強度85%以上，特別是Aurum?經過100 MGy劑量輻照后強度保持率仍為100%；PEI耐輻照性相對較差，如Ultem?經過100 MGy劑量輻照后強度保持率低于50%。阿波羅飛船上的軸承保持架用PI為Vespel?，因為其具有優異的抗輻照性，能充分保證飛船在極端條件下運行。

2.3 耐化學性

PI耐油、耐有機溶劑、耐酸，但與其他芳香族聚合物一樣，在濃硫酸、發煙硝酸及鹵素等強氧化劑作用下會發生氧化降解。根據結構的不同，某些品種幾乎不溶于所有的有機溶劑，另一些則能溶于普通溶劑(如四氫呋喃、丙酮、氯仿)中，如PEI一般可溶于酚類溶劑中。特別是由于Ultem?中含有雙酚A殘基，其耐溶劑性較差。系統研究并公開其耐化學藥品性的PI較少，Vespel?SP-1的耐化學藥品性見表3。

表3 Vespel?SP-1的耐化學藥品性

PI一般不耐水解，高溫能加速水解反應。由于酰亞胺環容易被羥基負離子進攻而開環形成酰胺酸，再進一步水解的是酰胺鍵，大分子鏈斷裂，形成胺和二酸或其鹽。對于含有醚鍵的PI，醚鍵在更高溫度下會被水解形成酚，所以PI對水解不穩定，尤其是在加熱和堿性條件下。

目前，PI耐水解性的研究大部分集中在PMDA/ODA薄膜方面[3]，針對結構材料的研究較少。PI對水解的穩定性取決于結構，Vespel?SP在100 ℃水中放置500 h后彈性強度會降至初期的45%，伸長率會降至30%，當水溫超過100 ℃時，其性能大幅降低。Ultem?1000由于二酐為含醚鍵的雙鄰苯二甲酸酐，醚鍵的電子施與特性決定了其親電子反應能較低，從而使PEI耐水解性強，在沸水中放置10 000 h后仍保留抗拉強度的85%；Ratem?YS30在沸水中放置1 000 h后抗拉強度仍可保持85%。

3 PI的開發應用展望

3.1 開發低成本的合成路線

各國學者目前已開發出上千種結構的PI。若從性能方面考慮，很多種結構的PI均可用作軸承保持架，但實際上可接受的用作軸承保持架的PI卻有限，這主要是由于其價格相對較高。因此，開發低成本的合成路線，如在單體合成及聚合方法上尋找途徑，這對于PI的推廣應用具有重要的現實意義。

基于BEPA的PI耐熱性太差，且基于PMDA的PI不溶不熔，所以近年來各國的研究重點集中在BTDA，ODPA和BPDA等柔性適中、價格合理的二酐上。

3.2 開發耐熱級別更高的PI材料

PI適宜用在高溫領域的軸承保持架中，廣泛應用于高、精、尖的航空航天領域。此時材料成本將作為較次要的考慮因素，如Vespel?SCP系列制品價格可達每千克數千美元，而我國耐高溫(≥260 ℃)保持架用PI領域長期面臨西方國家的封鎖禁運。因此，合成新型耐高溫PI對于我國而言更為迫在眉睫。

3.3 開發超低溫工況用PI材料

PI具有優異的力學性能及摩擦學特性，可耐低溫，在-269 ℃的液氦中仍不脆裂。將PI應用于超低溫工況具有較大的現實意義。