芳綸纖維改性聚四氟乙烯復合保持架材料性能研究

時連衛，王子君，孫小波，王楓

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039)

聚四氟乙烯(PTFE)使用溫度范圍較寬，具有不浸潤、摩擦因數低、耐腐蝕等優點，但由于純PTFE存在比磨損率高、受載易冷流及尺寸穩定性差等缺點，限制了其在摩擦學領域中的應用，因此，通常對其進行共混改性，而添加無機或金屬填料時，雖然復合材料綜合性能有所提高，但也存在與基體相容性差、磨損物易損傷對磨件等缺點。近年來國內外越來越多的學者采用芳綸纖維(PPTA)對PTFE進行改性研究，PPTA屬有機纖維，其強度高、模量高、密度低、具有減震、耐磨、耐沖擊、尺寸穩定等優異的力學和動態性能，以及良好的耐化學腐蝕性，其熱性能突出，是一種適用于高載荷、高轉速下的耐磨材料[1-4]。

下文采用PPTA作為PTFE的改性劑，制備了一種新型軸承保持架復合材料，研究了PPTA含量對復合材料力學和摩擦性能的影響，分析了PPTA改性PTFE保持架磨損機理，進行了常溫、液氮和液氫下復合材料相關性能測試。

1 試驗

1.1 試驗材料

PTFE采用M18F；PPTA采用1F538。

1.2 試樣制備

首先將PPTA進行回流及超聲波表面處理，在真空度-0.1 MPa的真空干燥箱內烘干備用，取適量的PPTA放入高速攪拌機中預開松，然后加入不同含量的PTFE充分攪拌、混合。復合材料中，PPTA質量分數分別為0，5%，10%，15%，20%，25%，其制備流程如圖1所示。硬度和摩擦磨損試驗用的試樣尺寸為12 mm×12 mm×20 mm;拉伸性能試驗用試樣尺寸按照GB/T 1040.5—2008《塑料 拉伸性能的測定 第5部分:單向纖維增強復合材料的試驗條件》的要求制成標準啞鈴形拉伸試條;沖擊性能試樣尺寸按照GB/T 1043.1—2008《塑料 簡支梁沖擊性能的測定 第1部分：非儀器化沖擊試驗》的要求制成無缺口標準沖擊試條。

圖1 復合材料試樣制備工藝流程圖

1.3 性能測試

采用DNS200型電子微控萬能試驗機測試復合材料的拉伸強度，拉伸速度5 mm/min；采用TIMKEN摩擦磨損試驗機測試材料的摩擦磨損性能，測試條件為：干摩擦，載荷7.58 N，時間30 min，轉速1 000 r/min；對摩擦磨損表面噴金處理后，采用JSM-6380LV型掃描電子顯微鏡(SEM)對復合材料磨損機理進行分析；采用V-SD型邵氏硬度計測試材料硬度；低溫性能相關測試工作委托中科院理化技術研究所進行。

2 結果與討論

2.1 PPTA含量對復合材料硬度的影響

不同PPTA含量的材料硬度見表1。從表中可以看出，隨著PPTA含量的增加，復合材料的邵氏硬度變化不大。這主要是由于PPTA屬于柔性物質，兩者共混后，復合材料硬度主要取決于PTFE基體本身的硬度，在基體材料不變的情況下，復合材料硬度變化不大。

表1 不同PPTA含量的復合材料硬度

2.2 PPTA含量對復合材料拉伸強度的影響

復合材料的拉伸強度如圖2所示。由圖可以看出，隨著PPTA含量的增加，復合材料的斷裂伸長率變小，拉伸強度降低。造成以上現象的原因可能是PPTA具有較高的負電性，靜電引起的內聚力易將PPTA在混料過程中結合成團，隨著PPTA含量的增加，結團現象愈發嚴重，混料結團引起成分不均致使兩相界面產生分離或孔隙，削弱PPTA的增強作用，導致復合材料力學性能下降。

圖2 PPTA含量對復合材料拉伸強度的影響

2.3 PPTA含量對復合材料摩擦磨損性能的影響

復合材料的摩擦磨損性能如圖3所示。由圖可以看出，隨著PPTA含量的增加，復合材料的摩擦因數逐漸增加，磨損量急劇降低，當PPTA的質量分數為10%時，磨損量趨于穩定;PPTA的質量分數為15%時，磨損量達到最優；PPTA的質量分數高于15%時，磨損量呈緩慢增加趨勢。

圖3 PPTA含量對復合材料摩擦磨損性能的影響

2.4 復合材料磨損機理分析

不同含量PPTA改性PTFE復合材料的磨損表面形貌如圖4所示。由圖可知，純PTFE磨損呈平紋帶狀結構，極易脫落，屬于典型粘著磨損(圖4a)；隨PPTA的加入，PPTA承受了摩擦過程中部分載荷，阻礙了PTFE大分子帶狀結構破壞，在PTFE基體內形成網狀結構，有效保護了基體，復合材料由單一的粘著磨損轉變為粘著磨損與磨粒磨損共同作用；當PPTA的質量分數達到15%時(圖4d)，復合材料磨損性能最優。對比可知，PPTA的質量分數為15%時磨損形貌最平整，這主要是因為，PPTA含量較少時，難以完全阻礙PTFE大分子呈帶狀結構從基體中抽出；PPTA含量太高時，由于PPTA和PTFE兩界面之間結合力較差，復合材料兩相間存在分離或孔隙，結合較為松散，導致復合材料耐磨性降低。

圖4 復合材料磨損表面形貌(1 000×)

2.5 測試溫度對復合材料力學性能的影響

綜合考慮復合材料的力學性能和摩擦磨損性能，確定PPTA的質量分數為15%。由于該類材料使用環境為低溫，針對該配方復合材料進行了低溫下相關性能測試。

由表2可以看出，與常溫(23 ℃)相比，液氮(-196 ℃)和液氫(-253 ℃)溫度條件下復合材料拉伸強度和彈性模量有所增加，斷裂伸長率和沖擊強度有所下降。這是由于該復合材料屬于高分子材料，隨著測試溫度的降低，相鄰分子鏈的構象或鏈段之間距離變短，單鍵內旋轉能增加，破壞了高分子構象或鏈段的力增加，使復合材料拉伸強度和彈性模量增加；另一方面，分子鏈的構象或鏈段之間距離變短，使復合材料單鍵內旋轉困難，致使復合材料柔順性變差，脆性增加，斷裂伸長率變低[5]。

表2 復合材料常溫和低溫性能比較

3 結論

1)隨著PPTA含量的增加，PPTA/PTFE復合材料的斷裂伸長率變小，拉伸強度降低，摩擦因數逐漸增加，磨損量急劇降低，當PPTA的質量分數為15%時，磨損量最低，綜合性能最優。

2)通過對PPTA/PTFE復合材料摩擦磨損性能分析認為，PPTA在PTFE基體內形成網狀結構，有效保護了基體，當PPTA的質量分數達到15%時，網狀結構最均勻穩定。

3)與常溫相比，液氮和液氫溫度條件下PPTA/PTFE復合材料拉伸強度和彈性模量有所增加，沖擊強度有所下降，斷裂伸長率顯著下降。