等離子體表面改性對PTFE織物自潤滑襯墊綜合性能的影響

何俊惠，莊彩虹，徐文欽，陳志雄

(1.福建龍溪軸承(集團) 股份有限公司，福建 漳州 363000；2.福建省關節軸承企業重點實驗室，福建 漳州 363000)

PTFE纖維是一種綜合性能優異的高分子材料，具有耐化學腐蝕、耐高低溫性能極佳以及摩擦因數低等優點[1-4]，但是PTFE纖維不耐磨損，在自潤滑關節軸承上應用時常與耐磨的高分子纖維如Kevlar，Nomex，玻璃纖維等復合編織成PTFE織物使用[3]。而PTFE纖維的高結晶度和非極性使其具有非常低的表面能，造成PTFE纖維浸潤性差，與其他材料的黏接性差[5-6]， PTFE織物直接應用于關節軸承上可能會影響自潤滑關節軸承壽命以及PTFE織物自潤滑襯墊與金屬基材的剝離強度，導致襯墊存在質量缺陷。

目前，用于改善PTFE織物浸潤性的表面改性方法有多種，如化學溶液處理、硅烷偶聯劑改性、等離子體處理、輻射處理等[4,7-8]。其中等離子體處理方法具備操作簡單，處理溫度低，處理時間短，污染小，改性效果顯著等特點，適合大規模纖維織物的處理，可實現量化生產，是處理纖維織物的有效手段[9-11]。等離子體處理的原理是在真空狀態下給氣體施加電場，使氣體從氣態轉變為等離子體狀態(包括電子、離子、光子和各類自由基等活性粒子)，利用等離子體中的大量活性粒子轟擊材料表面，將能量傳遞給材料的表層分子，使材料發生熱蝕、交聯、降解和氧化反應并在表面產生大量自由基或引進某些極性基團，從而優化材料表面性能[12]。

本文利用等離子體對PTFE織物表面進行改性處理并浸漬到樹脂中制成PTFE織物自潤滑襯墊，研究等離子體改性對PTFE織物與樹脂的浸潤性以及PTFE織物自潤滑襯墊整體強度、剝離強度和摩擦磨損性能的影響。

1 試樣及試驗條件

采用某軸承企業自行研制的某PTFE織物進行試驗，織物由PTFE纖維和Kevlar纖維編織而成。采用LSFS-P-2000D型等離子體處理設備對PTFE織物進行低溫等離子體處理，處理氣體為N2與H2，處理室真空度為30 Pa，處理時間為20 min，處理功率為4 000 W。通過一定的制備工藝將經過等離子體處理的PTFE織物浸漬樹脂制成PTFE織物自潤滑襯墊。

選用某軸承企業制造的GE30ET-2RS關節軸承進行襯墊剝離強度及摩擦磨損壽命試驗，該軸承外圈材料為GCr15，熱處理硬度為54～60 HRC，內圈材料為GCr15，熱處理硬度為58～64 HRC，軸承結構如圖1所示。

圖1 GE30ET-2RS關節軸承Fig.1 GE30ET-2RS spherical plain bearing

2 等離子體處理對PTFE織物表面親水性及浸潤性的影響

采用接觸角測量儀測試等離子體處理前、后PTFE織物與水的接觸角，結果如圖2所示。

圖2 等離子體處理前后PTFE織物與水的接觸角Fig.2 Contact angle between PTFE fabric and water before and after plasma treatment

圖2a為未經等離子體處理的PTFE織物，其與水的接觸角為135.9°；圖2b為經過等離子體處理20 min后的PTFE織物，其與水的接觸角為91.8°。對比兩圖可以看出，經過等離子體處理后的PTFE織物與水的接觸角相較于未處理明顯變小，表明PTFE織物經等離子體處理后親水性明顯改善。

將未處理和經等離子體處理后的PTFE織物制成襯墊，超景深顯微鏡下兩種襯墊表面形貌放大50倍后如圖3所示。對比兩圖可以看出，未處理的織物表面較多纖維裸露，而經過表面處理后織物表面樹脂包裹嚴實。PTFE織物由PTFE纖維和Kevlar纖維編織而成， Kevlar纖維親水性較好，比較容易浸漬樹脂，大部分的樹脂只包裹在Kevlar纖維表面，而PTFE親水性差，導致PTFE纖維表面樹脂浸漬效果較差，所以未處理的織物表面較多纖維裸露。而織物經過等離子體處理后，織物上的PTFE纖維表面能提高，親水性明顯改善，與樹脂之間的結合能力增強，所以織物浸漬樹脂后，包裹在織物上的樹脂較為完整、連續，即織物與樹脂間的浸潤效果明顯改善。

圖3 等離子體處理前后PTFE織物襯墊的浸潤情況Fig.3 Wetability of PTFE fabric liner before and after plasma treatment

綜上，說明等離子體處理技術可以改善織物親水性，進而增強其與樹脂之間的浸潤性。

3 等離子體處理對PTFE織物襯墊性能的影響

3.1 PTFE織物襯墊的整體強度

參照GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強力的測定 鋼球法》進行PTFE織物襯墊頂破強力試驗，環形夾持器內徑為45 mm±0.5 mm，頂桿拋光鋼球直徑為25 mm，試驗機速度為300 mm/min，每組試驗試樣數不少于5個 ，試驗裝置如圖4所示。

圖4 頂破強力試驗裝置圖Fig.4 Experimental equipment of bursting strength test

未處理PTFE織物襯墊與等離子體處理PTFE織物襯墊頂破試驗結果見表1：經等離子體處理的PTFE織物襯墊的平均頂破強力是未處理PTFE織物襯墊的1.59倍，說明經等離子體處理的PTFE織物襯墊整體強度提高，在外力作用下能夠承受較大的頂破變形。

表1 PTFE織物襯墊頂破強力試驗結果

3.2 PTFE織物襯墊的剝離強度

采用UTM5505型電子萬能試驗機對自潤滑關節軸承進行剝離測試，即將自潤滑襯墊從軸承試樣的外圈內球面上剝離下來，測試參照GJB 5502—2005 《低速擺動自潤滑向心關節軸承規范》進行，其中剝離的襯墊與粘貼面成140°±40°，剝離速度為0.317 mm/s，有效剝離長度不小于 40 mm，剝離方式如圖5所示，每組剝離試驗至少制作6個試件，試驗結果取平均值。

圖5 PTFE織物襯墊剝離強度測試Fig.5 Peel strength test of PTFE fabric liners

PTFE織物襯墊剝離強度的測試結果見表2：未處理襯墊平均剝離強度為0.46，經等離子體處理后襯墊平均剝離強度為0.95，是未處理襯墊的2.07倍。因此，等離子體處理可以極大地提高襯墊的剝離強度。

3.3 PTFE織物襯墊的摩擦磨損壽命

采用SPB-5A型恒載壽命試驗機進行襯墊摩擦磨損壽命試驗，動載荷為53.5 kN(90 MPa)，內圈擺動角度為±30°，頻率為1.2 Hz，試驗機示意圖如圖6所示，每組試驗至少制作3個試件，試驗周期為全壽命，試驗結果取平均值。

表2 PTFE織物襯墊剝離強度測試結果

1—陪試軸承座；2—被試軸承座；3—位移測量儀；4—關節軸承外圈；5—關節軸承內圈；6—自潤滑襯墊。

襯墊摩擦磨損壽命試驗結果見表3。未處理PTFE織物襯墊的平均壽命為375 h，而經等離子體處理后織物襯墊的平均壽命為621 h，是未處理織物襯墊軸承的1.66倍。因此，經等離子體處理后的PTFE織物襯墊的壽命水平大幅提高。

表3 PTFE織物襯墊摩擦磨損壽命測試結果

3.4 小結

未經等離子體處理的PTFE織物表面的樹脂與織物之間的結合力較弱，樹脂無法完整地包裹織物纖維，在試驗過程中樹脂層容易剝落，樹脂未對襯墊起到增強及耐磨作用。經等離子體處理的織物與樹脂之間的結合力提高，樹脂完整地包裹織物表面，織物與樹脂之間的浸潤性良好，樹脂更好地浸入纖維束之間，增強了襯墊的抗承載能力。因此，經過等離子體處理的PTFE織物襯墊的整體強度、剝離強度和耐磨性均得到提高，進而提高了襯墊的整體壽命。

4 結論

研究了等離子體表面改性對PTFE織物與樹脂的浸潤性以及PTFE織物自潤滑襯墊整體強度、剝離強度和摩擦磨損性能的影響，得到如下結論：

1)經等離子體表面改性后，PTFE織物與水的接觸角由135.9°降低到91.8°，織物的親水性明顯提高，織物與樹脂間的浸潤性更好；

2)經等離子體表面改性后，PTFE織物襯墊的平均頂破強力為未處理襯墊的1.59倍，襯墊的整體強度提高；

3)經等離子體表面改性后，PTFE織物襯墊的平均剝離強度為未處理襯墊的2.07倍，樹脂與織物結合力更強；

4)經等離子體表面改性后，PTFE織物襯墊的平均壽命為未處理襯墊的1.66倍，襯墊的耐磨性提高。