高耐磨聚甲醛復合材料的制備與研究

張彩霞，孫亞楠，方 偉，王 林

(國家能源集團寧夏煤業有限責任公司煤炭化學工業技術研究院，寧夏 銀川 750411)

聚甲醛樹脂，簡稱POM，是一種熱塑性工程塑料，其規整的分子鏈構型使POM熔融加工時結晶速度快，結晶度高（約80%左右），這賦予了POM十分優異的機械性能，是工程塑料中機械性能最接近金屬材料的品種之一，因此在很多領域里可以替代鋼鐵、銅、鋅、鋁等金屬材料[1]。POM具有高強度、高剛性、耐蠕變、耐疲勞、耐油、耐化學品、自潤滑、電性能和尺寸穩定性好等優點，廣泛用于工業機械、汽車、電子電器、農業、輕工、化工、建材、水利、農林灌溉、機器人關節、日用消費品等領域[2]。但是隨著應用領域的擴展，下游用戶對聚甲醛的耐磨性能提出了更高的要求，即高耐磨、低磨耗，以及滿足經濟實用化要求。

為了制備出高耐磨、低磨耗聚甲醛，通常有兩個途徑，一是降低POM的摩擦系數，二是提高聚甲醛的硬度。但在實際制備生產工藝中需要二者有機結合，才能保持聚甲醛的基本物性不降低，而耐磨性得到大幅提升。

通過實驗研究，聚四氟乙烯（簡稱PTFE）或超高分子量聚乙烯（牌號UPE120）及其他化學助劑與聚甲醛原料經物理或化學改性，能夠制備成高耐磨聚甲醛復合材料，并通過性能測試與應用。

1 實驗部分

1.1 原料

POM：MC90，國家能源集團寧夏煤業公司聚甲醛裝置；聚四氟乙烯（PTFE），白色粉末，三葉科技公司；超高分子量聚乙烯，UPE120，白色粉末，市售；三劑為自制，即2份抗氧劑、1份吸酸劑和1份潤滑劑均勻混合而成。

1.2 儀器與設備

雙螺桿擠出機，ZSK26型，科倍隆公司；注塑機，BT80V-Ⅱ，上海博創；鼓風干燥箱DHG-9245A，上海慧泰；高攪機，YD-1，富溢達機械公司；萬能材料試驗機，5966，英斯特朗公司；沖擊試驗機，9050，意大利CEAST公司；熔融指數儀， MF50，CEAST公司；硬度儀，RB2000，英斯特朗公司；差式掃描量熱儀，DSC214，德國耐馳公司；耐磨試驗機，M-200，北京精儀公司；熱變形維卡試驗機，40-197-100，德國Coesfeld。

1.3 耐磨改性樣品的制備

將POM、PTFE及UPE120置于真空烘箱中，于85℃下真空干燥4 h。實驗按表1配料表稱量POM、PTFE、UPE120，以及聚甲醛的三劑，每個樣品總計5kg。每樣充分混合均勻后，加入到雙螺桿擠出機的主喂料器中進行熔融共混。具體實驗條件為：擠出機入口溫度控制165℃，模頭溫度控制195℃，熔融混煉段控制在200℃左右[3]。

表1 復合材料的配料組成(%)Table 1 Ingredients for composite materials(%)

實驗擠出制備的復合材料經注塑機制成啞鈴形測試樣條(L×W×T=160mm×10mm×4mm)和矩形測試樣條(L×W×T=80mm×10mm×4mm)，放置在恒溫恒濕箱中狀態調節48h，溫度23±2 ℃，相對濕度（50±5）%，消除應力集中后用于實驗測試[4]。本實驗按照ISO178、ISO 179、ISO 180等相關標準對樣品進行性能測試。

2 結果與討論

2.1 力學性能

拉伸速率為50mm/min，耐磨聚甲醛復合材料的拉伸性能與熔融指數測試數據列于表2。

表2 拉伸性能與熔融指數Table 2 Tensile properties and melting index

彎曲測試速率為2mm/min，沖擊強度為簡支梁V型缺口沖擊強度，缺口深度2mm，擺錘0.5J，測試數據列于表3。

表3 彎曲性能與沖擊強度Table 3 Bending properties and impact strength

由表2和表3實驗數據可知，1#樣品拉伸強度、彎曲強度和彎曲模量與未改性聚甲醛純料0#樣品基本相當，但是斷裂應變和沖擊強度下降幅度較大；而2#樣品的強度和韌性比1#樣品下降幅度更大。3#、4#樣品強度比0#略有降低，韌性下降幅度不大，說明聚四氟乙烯（PTFE）添加量5%～10%左右對聚甲醛的力學性能影響不大。

1#～4#樣品的質量熔融指數略有下降，約10%左右，故對加工性能影響不大，主要原因為改性實驗中添加了0.4%的三劑，抗氧劑和吸酸劑有效降低了改性實驗過程中的熱降解反應，潤滑劑降低了耐磨助劑與聚甲醛樹脂的摩擦阻力。

2.2 耐磨性能

采用M-200型磨損試驗機，在20kg負荷、200r/min轉速下對磨2h。測試結果見表4。

表4 復合材料的耐磨性能Table 4 Wear resistance of composite materials

由表4看出，1#樣品摩擦系數和磨耗/磨損比0#略有降低；2#樣品摩擦系數和磨耗/磨損降幅較大；3#、4#樣品摩擦系數和磨耗/磨損降幅較大。由實驗可知相同添加量的PTFE比UPE120的耐磨改性效果更好，說明PTFE是聚甲醛的優良耐磨改性助劑。

1#和2#樣品的硬度相對0#提高幅度不大，而3#和4#樣品的硬度相對0#提高較大。主要原因是PTFE是一種以四氟乙烯作為單體聚合制得的高分子聚合物，摩擦系數極低，耐磨性非常強，PTFE俗稱塑料王。

2.3 耐熱性能

熱變形溫度是衡量高分子材料耐熱性優劣的一種量度。根據ISO 75對實驗樣條施加1.8MPa負荷，加熱介質以120 ℃/h速率升溫，當樣條達到0.36mm撓度形變時，記錄所對應的溫度。氧化誘導期是測定試樣在高溫及高氧條件下開始發生自動催化氧化反應的時間，是評價材料在成型加工、儲存、焊接及使用中耐熱降解能力的指標[5]。通過差式掃描量熱儀（DSC）對樣品進行氧化誘導期測試，測出230℃恒溫條件下聚甲醛樣品氧化的起始時間。測試結果見表5。

表5 復合材料的耐熱性能Table 5 Heat resistance of composite materials

由實驗可知，1#～4#樣品的熱變形溫度均高于0#樣品，說明經過PTFE和UPE120改性的聚甲醛耐熱性更加優異；1#～4#樣品的氧化誘導期均比0#樣品更持久，說明經過PTFE和UPE120改性的聚甲醛樣品在成型加工、儲存和使用中耐熱降解能力更強。其中PTFE優于UPE120，主要原因是PTFE比UPE120具有更高的耐熱性能，PTFE原料可在-180～260 ℃長期使用。

3 結論

（1）聚四氟乙烯（PTFE）和超高分子量聚乙烯（UPE120）都可以用來對聚甲醛進行耐磨改性，不僅可以提高聚甲醛的強度和硬度，還可以提高耐熱性和耐分解能力。但是添加PTFE或UPE120的耐磨聚甲醛樣品韌性均有所下降，其中UPE120改性的耐磨聚甲醛復合材料韌性下降幅度較大，說明對韌性要求較高的耐磨聚

（2）聚四氟乙烯（PTFE）和超高分子量聚乙烯（UPE120）都可以降低聚甲醛的表面摩擦系數，提高產品硬度，進而降低由摩擦造成的磨損或磨耗，其中PTFE改性聚甲醛略優于UPE120改性的耐磨聚甲醛。

（3）超高分子量聚乙烯（UPE120）是相對分子量在100萬以上的聚乙烯，具有優良的耐磨性能，同時由于UPE120的硬度和耐熱性低于PTFE，致使UPE120耐磨改性效果略低于PTFE。但是通常UPE120的售價較低，僅為PTFE的30%～50%，對于耐磨性能要求不是特別高的產品，UPE120耐磨改性聚甲醛具有一定的市場應用。而PTFE改性聚甲醛可以應用于對耐磨性能要求很高的領域，即高耐磨產品，如工業機械零件、傳動部件和機器人關節等。