CNTs@T321 納米微囊填充PTFE 的自潤滑性能

關集俱，高 超，楊蘭玉，欒志強，許雪峰

（1 常熟理工學院 機械工程學院，江蘇 蘇州 215500；2 浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，杭州 310014）

聚四氟乙烯（ PTFE） 是一種常用的高分子材料，其摩擦因數低、熱穩定性好，在機械、材料和航空等領域，PTFE 常被用來制造軸承和密封、絕緣部件［1］。但純PTFE 的線膨脹系數大，耐蠕變性差，因此，常利用石墨、MoS2、碳纖維、玻璃纖維等對其進行改性，以滿足使用要求［2-3］。碳納米管（CNTs）具有較高的強度，其拉伸強度可達到200 GPa，是一種理想的PTFE 復合材料增強相。研究表明，高硬度、纖維化的CNTs 在固化過程中能夠更緊密地纏繞在PTFE 晶系中，增強PTFE 材料的力學性能［4］。另外， PTFE/CNTs 復合材料的摩擦性能也優于純PTFE，這是由于摩擦過程中剝落的CNTs 可作為第三體分布在摩擦界面上，隔離了摩擦副界面的粗糙接觸，起到一定的自潤滑作用［5］。

CNTs 還具有特殊的空腔結構，空腔內徑在5～50 nm 之間。在合適條件下，可以將其他物質引入CNTs 的空腔中，以改善其導電性能、磁性能、摩擦性能等［6］。本工作提出將各種潤滑劑填充進CNTs的空腔內以制備CNTs 納米微囊，這種方法可在CNTs 分子內部引入更多的潤滑成分，更好地改善其潤滑特性。如將這種納米微囊作為PTFE 等聚合物材料的填充劑，PTFE 固化過程中CNTs 可對其中的潤滑劑形成保護，這使得PTFE 復合材料內含液態潤滑劑。摩擦過程中，PTFE 復合材料內的納米微囊可釋放其中的潤滑劑，進而有效改善PTFE 的潤滑性能。納米微囊還可以更好地分散在PTFE中，增強其與PTFE 材料的結合性能，進一步提高PTFE 的力學性能。

因此，本工作首先利用潤滑劑硫化異丁烯（T321）制備CNTs@T321 納米微囊，再利用納米微囊填充PTFE 以制備出復合材料。對比普通CNTs，研究納米微囊的填充對PTFE 力學和摩擦學性能的影響，分析PTFE 中的納米微囊在摩擦過程中釋放T321 并形成自潤滑層的機理，實現提高PTFE 力學強度的同時，進一步改善其自潤滑性能。本研究為這種新型PTFE復合材料運用于自潤滑軸承等部件時的配方選擇、制備工藝等提供依據。

1 實驗材料與方法

1.1 試樣制備

多壁碳納米管購自上海阿拉丁試劑公司，純度為99%，內徑約20 nm，由于市售CNTs 長徑比大，不利于填充，需先對CNTs 進行短化預處理，處理時，將50 g 的CNTs 投入1500 mL 的40%濃硝酸中，將混合物裝入三口燒瓶后，在80 ℃下加熱回流8 h，同時施加磁力攪拌，轉速為500 r/min；最后，對混合物進行真空抽濾，所得濾餅在85 ℃下烘干后球磨10 h，獲得酸處理CNTs。制備納米微囊時，將10 g 的T321 溶解到400 mL 的丙酮中，再投入20 g 酸處理的CNTs，將二者充分混合后裝在球形瓶中，在1.5 kPa 的氣壓條件下將混合物超聲攪拌2 h，溫度65 ℃；超聲結束后，再對混合物進行真空抽濾，同時用丙酮清洗，以去除尚未被填充的T321，最后將濾餅置于75 ℃烘箱中干燥12 h，并經過超微球磨粉碎后制得CNTs@T321 納米微囊。利用FEI TECNAI G20 透射電子顯微鏡（TEM）觀察樣品的微觀結構，測試時加速電壓200 kV；STA449 型綜合熱分析儀對CNTs 和納米微囊進行熱重分析，溫升范圍20～800 ℃，速率20 ℃/min。

M111 型PTFE 粉購自日本大金工業株式會社，將酸處理CNTs、納米微囊和純T321 分別按1%～9%（質量分數，下同）加入PTFE 中，機械攪拌均勻后放入球磨機中處理8 h，再分別放入八字型腔模具和環形型腔模具中，壓制成D30 mm×d12 mm×H8 mm 的環形試樣和L40 mm×b10 mm×h10 mm 的八字塊試樣。制樣時采用冷壓工藝，成型壓強30 MPa，壓制完成后靜置24 h，再放入烘箱進行固化，如圖1（a）所示，固化時最高溫度315 ℃，溫升速率10 ℃/h，達到固化溫度后保溫2 h，自然冷卻后即可得納米微囊填充的PTFE 復合材料。八字塊試樣用于力學性能測試，環形試樣被制成銷試樣后用于摩擦測試。

圖1 實驗過程 （a）試樣的制備；（b）拉伸實驗；（c）摩擦學實驗Fig.1 Experimental process （a）preparation of sample；（b）tensile test；（c）tribology test

1.2 實驗方法

在RG 4100 型材料試驗機上測試材料的抗拉強度，如圖1（b）所示，測試時拉伸速率為1 mm/min，拉伸時的變形曲線由計算機記錄。用HR-150A 型硬度計測試材料硬度，壓頭直徑?3.175 mm，預載荷98 N，主載荷980 N，測四處的硬度值后取平均值（每處測三點）。在MMW-1 摩擦磨損試驗機上采用銷-盤摩擦副測試材料的摩擦磨損性能，如圖1（c）所示。試盤材料為GCr15 鋼，外徑?30 mm，內徑φ15 mm，厚度0.8 mm，硬度59～61 HRC，表面粗糙度Ra=0.2 μm。實驗條件：水潤滑，室溫約為25 ℃，測試時間為10 min；首先，在載荷50 N、滑動速度為0.5 m/s 的條件下考察填充物質量分數對PTFE 摩擦磨損性能的影響；其次，測試載荷為50 N、滑動速度在0.1～0.9 m/s 的范圍內變化，以及滑動速度為0.5 m/s，載荷在20～80 N 范圍變化時材料的摩擦磨損性能，此時填充量為5%。每組進行三次平行實驗，摩擦因數按μ=T/（Pr）（T為力矩，P為載荷，r為接觸軌跡半徑）計算，取10 min 內的平均值。稱取試樣在磨損前后的質量，磨損率按W=ΔV/（Pd）（ΔV為磨損體積，d為滑動距離）計算。

利用Nicolet 6700 型紅外光譜儀測試PTFE、納米微囊及PTFE 復合材料紅外光譜。利用SIRION-100型場發射掃描電鏡觀測復合材料的組織形貌。取填充量為5%的試樣在載荷50 N、滑動速度0.5 m/s 實驗條件下的對磨環，將其用丙酮超聲清洗30 min。利用AXIS Ultra DLD 型X 射線光電子能譜儀（XPS）分析磨損面主要元素的結合能，測試時電子通能為80 eV，單色AlKα 射線源，污染碳C1s的結合能284.8 eV作內標。

2 結果與分析

2.1 納米微囊和PTFE 復合材料的表征

對T321、普通CNTs 和納米微囊進行熱重和差熱分析的結果如圖2 所示。由圖2（a）看出，普通CNTs的熱失重曲線變化較為平緩，而CNTs@T321 納米微囊的熱失重曲線在300 ℃左右時有一次明顯的失重過程，這是微囊內T321 受熱逸出的結果，也證明了T321在CNTs 管內的存在。T321 在CNTs 中的填充率（η） 可以根據式（1）來計算［7］。

圖2 CNTs、T321 和納米微囊的熱分析曲線 （a）熱重分析；（b）差熱分析Fig.2 Thermal analysis curves of CNTs，T321 and nano-capsules （a）TG；（b）DSC

式中：Hf為填充在CNTs 中T321 的相變潛熱，J/g；Hp為T321 的相變潛熱，J/g。如圖2（b）中微囊的DSC曲線，對其中T321 的相變潛熱進行計算的結果為30.6 J/g （Hf），而同樣條件下T321 的相變潛熱為121.6 J/g （Hp），可以算出T321 在CNTs 中的填充率為25.1%。

圖3（a）為普通CNTs、酸處理CNTs、T321 和納米微囊的紅外光譜圖。由圖3（a）可見，酸化處理后CNTs 在3432，1822 cm-1波長附近出現了新的吸收峰，這應歸屬于羥基、羧基等［8］，表明酸化后的CNTs鍵合了含氧基團，這有利于提高固化時CNTs 與PTFE 之間的結合強度；另外，在1630 cm-1附近的峰值應歸屬于碳環結構的平面吸收峰［9］，證明固化后CNTs 的管狀結構得到了保留，這是管內能填充T321的前提條件。在納米微囊的紅外譜圖中并沒有檢測到新的特征峰，其特征峰為酸化CNTs 和T321 特征峰的部分疊加，證明T321 填充CNTs 的過程中，兩者之間主要發生物理結合，不存在化學反應。利用TEM觀察微囊的微觀結構，可直觀判定T321 在CNTs 管內的狀態。納米微囊的TEM 如圖3（b）所示，可見CNTs 管內有幾段明顯被T321 潤濕，這比較直觀地證明CNTs 管內T321 的存在。

圖3 納米微囊的結構表征 （a）紅外光譜；（b）TEM 照片Fig.3 Structural characterization of nano-capsules （a）infrared spectra；（b）TEM image

PTFE 的固化反應過程復雜，CNTs@T321 納米微囊可能在固化過程中被破壞，因此，研究微囊在固化過程中的穩定性及其與PTFE 的相容性十分必要。由圖2（a）CNTs 和納米微囊的熱失重曲線可見，微囊在300 ℃以上時才發生明顯的失重，這保證了納米微囊在PTFE 固化后的結構完整性。圖4（a）為PTFE、微囊以及復合材料粉末的紅外光譜，其中微囊紅外光譜中的峰值1628，2583，2924，3424 cm-1分別代表碳納米管骨架振動、C—H 伸縮振動、C—H 變形振動和O—H鍵伸縮振動的吸收峰。其中前三個峰值在復合材料的紅外光譜中都是明顯存在的，表明微囊中CNTs 的骨架結構并未在固化過程中被破壞，這對其內部的T321 形成了充分保護。圖4（b）為PTFE 復合材料組織的SEM照片，可看出微囊是以團狀顆粒的形式分布在復合物組織中的，每個顆粒是一個含油的微膠囊，摩擦過程中微囊破損并均勻釋放出T321 起潤滑作用。

圖4 PTFE 復合材料的結構表征 （a）紅外光譜；（b）SEM 照片Fig.4 Structural characterization of PTFE composites （a）infrared spectra；（b）SEM images

2.2 PTFE 復合材料的力學性能

圖5 為不同填充量對PTFE 復合材料抗拉強度和硬度的影響，由于純T321 在固化過程中參與反應，因此僅添加T321 的PTFE 力學特性與純PTFE 差別較小。由圖5（a）可見，隨著CNTs 填充量的增加，PTFE抗拉強度有先增大后減小的趨勢，這主要是由于CNTs 粒子的表面活性較高，其表面存在的大量不飽和殘鍵和活性基團使其與PTFE 的高分子鏈發生物理或化學交聯［10］，增強了材料結合處界面的黏結力，而繼續添加CNTs 可能會導致其團聚，從而減小了這種交聯作用，降低了PTFE 復合材料的強度。CNTs 的最佳含量約3%，填充量在6%左右時，PTFE 復合材料的強度仍與純PTFE 的相當。納米微囊的填充對PTFE 復合材料強度和硬度的影響更為顯著，這是由于微囊的長徑比更小，與PTFE 材料的結合作用更加緊密。由圖5（b）可見，復合材料的硬度隨填充劑質量分數的升高而降低，實際應用時可以根據軸承的性能要求選擇合適的填充量。

圖5 填充量對PTFE 復合材料機械強度的影響 （a）抗拉強度；（b）硬度Fig.5 Effect of content of fillers on mechanical strength of PTFE composites （a）tensile strength；（b）hardness

2.3 摩擦學性能

2.3.1 填充量對PTFE 復合材料摩擦因數和磨損率的影響

圖6 為載荷50 N、滑動速度為0.5 m/s 時CNTs、微囊或純T321 的質量分數對PTFE 摩擦因數和磨損率的影響，由于純T321 在PTFE 復合材料制備過程中參與了固化反應，其有效潤滑成分被破壞，因此，添加T321 對PTFE 摩擦因數和磨損率的影響不大。由圖6（a）可見，在填充量較少時，填充CNTs 對PTFE 的摩擦因數具有一定的改善作用，這是由于CNTs 的分子結構在摩擦過程中被破壞，形成的產物吸附、沉積在摩擦界面上產生一定的減摩效果［11］，但當填充量超過4%而持續升高時，減摩效果則不太明顯，這是由于填充過多的CNTs 會改變復合材料結構以及摩擦接觸狀態，反而具有增大摩擦的作用［12］。填充微囊能更為顯著地降低PTFE 的摩擦因數，這是由于摩擦過程中PTFE 內的納米微囊釋放出T321，T321 吸附于摩擦界面上形成了更為充分的潤滑，從而起到減摩作用。如圖6（b）所示，純PTFE 的磨損率較大，PTFE 夠在摩擦界面形成轉移膜，但黏結強度較低，因此磨損率也較高。填充CNTs 或微囊能降低PTFE 的磨損率，當填充量為15%和10%時，最小磨損率分別約為2.8×10-5mm3/（N·m）和1.9×10-5mm3/（N·m），填充量繼續增大時磨損率也會上升。CNTs 摩擦產物吸附、沉積在摩擦界面上產生減摩效果的同時，也減弱了PTFE 轉移膜的形成，從而降低了復合材料的磨損，而填充量持續增加時會影響復合材料的硬度，導致磨損率的增大。在不同填充量下，填充微囊復合材料的磨損率均比填充CNTs 時的小，證明微囊在摩擦過程中釋放出T321，T321 生成的潤滑層抵抗PTFE 黏附、轉移的效果更好，因而抗磨作用也更為明顯。

圖6 填充量對PTFE 復合材料摩擦性能的影響 （a）摩擦因數；（b）磨損率Fig.6 Effect of content of fillers on tribological performance of PTFE composites （a）friction coefficient；（b）wear rate

2.3.2 滑動速度對PTFE 復合材料摩擦因數和磨損率的影響

圖7 為載荷50 N 時滑動速度對純PTFE 和PTFE/CNTs、PTFE/微囊復合材料的摩擦因數和磨損率的影響，實驗中CNTs 或微囊的填充量為5%。可見隨著摩擦滑動速度的增大，三者的摩擦因數均有減小的趨勢，這主要與速度增大所引起接觸面間的溫度、變形、粗糙度和振動等狀態的變化有關［13］。在各種轉速下，PTFE/CNTs 材料的摩擦因數比純PTFE 的小，PTFE/微囊復合材料的摩擦因數為最小。三者的磨損率均隨速度的增加而增大，PTFE/微囊復合材料的磨損率最小。對于PTFE/微囊材料而言，速度越高，摩擦界面間的溫度越高，應越有利于T321 的釋放和吸附，所形成的潤滑層越充分，摩擦因數的減小趨勢也越明顯。一般軸承旋轉時的線速度可在40 m/s 左右［14］，這種高速條件下的摩擦應更利于微囊的裂解，并促進T321 的釋放和潤滑層的形成。

圖7 滑動速度對PTFE 復合材料摩擦性能的影響 （a）摩擦因數；（b）磨損率Fig.7 Influence of sliding speed on tribological performance of PTFE composites（a）friction coefficient；（b）wear rate

2.3.3 測試載荷對PTFE 復合材料摩擦因數和磨損率的影響

圖8 為滑動速度0.5 m/s 時三種材料的摩擦因數和磨損率隨載荷的變化。可見純PTFE、PTFE/CNTs 復合材料的摩擦因數有逐漸增大的趨勢，這是由于載荷增大后，摩擦接觸面積增大，生熱大，增加了PTFE 的黏附［15］；而PTFE/微囊復合材料的摩擦因數則變化不大甚至有減小趨勢，這是由于載荷的增大也加快了磨損，釋放出更多的T321，形成了更為充分的轉移膜和潤滑層。在各種載荷下，PTFE/CNTs 材料的摩擦因數均比普通PTFE 的小，PTFE/微囊材料的摩擦因數為最小且減小趨勢更為明顯。隨著載荷的增大，三者的磨損率有不斷增大的趨勢，PTFE/微囊材料的磨損率最小，這表明在一定范圍內載荷越高，也越有利于T321 的釋放和潤滑層的形成。

圖8 測試載荷對PTFE 復合材料摩擦性能的影響 （a）摩擦因數；（b）磨損率Fig.8 Influence of testing load on tribological performance of PTFE composites （a）friction coefficient；（b）wear rate

2.4 納米微囊釋放T321 及自潤滑層的形成機理分析

2.4.1 磨損面的SEM 測試

圖9 為普通PTFE、PTFE/CNTs 和PTFE/微囊復合材料對磨面的SEM 形貌和選定區域的EDS 能譜。由圖9（a-1）～（c-1）看出，PTFE 對磨面上犁溝較深， PTFE/CNTs 材料對磨面的表面質量較好，PTFE/微囊復合材料對磨面最光滑。另外，PTFE 對磨面上有較多黏附物，這應是PTFE 所形成的轉移膜。PTFE/CNTs 復合材料對磨面的黏附較少，PTFE/微囊材料對磨面上基本沒有；PTFE/CNTs 復合材料中CNTs 參與摩擦過程能減少PTFE 黏附，提高對磨面的表面質量。PTFE/微囊復合材料則能在摩擦時釋放出T321 后進一步的降低PTFE 的黏附，所形成潤滑層還具有一定的拋光作用，使對磨面更光滑。由圖9（a-2）～（c-2）可看出，PTFE 對磨面上F 元素和C 元素的含量較高，這主要是由PTFE 材料轉移到GCr15 表面造成的。PTFE/CNTs 復合材料摩擦時，GCr15 鋼摩擦表面C 元素含量出現明顯升高，而F 元素的含量卻明顯下降，這證明摩擦過程中CNTs 分解并沉積在金屬表面形成了潤滑層。PTFE/微囊復合材料摩擦時，摩擦表面C 元素的含量進一步提高，且S 元素的含量達到2.3%，這證明摩擦時納米微囊釋放其中的T321 到摩擦表面，形成了更為充分的潤滑層，從而減小了PTFE 的黏附。

圖9 不同材料對磨面上SEM 表面形貌（1）和EDS 能譜圖（2）（a）與PTFE 對磨；（b）CNTs 填充的PTFE 對磨；（c）與納米微囊填充的PTFE 對磨Fig.9 SEM surface morphology（1） and EDS energy spectra （2） of worn surface under friction of different materials（a）under friction of PTFE；（b）under friction of PTFE filled CNTs；（c）under friction of PTFE filled nano-capsules

2.4.2 磨損面的XPS 表面成分分析

為了進一步確定自潤滑層的性質和成分，對上述三種材料對磨面上主要元素進行了XPS 能譜分析，結果如圖 10 所示。采用XPSPEAK 41 軟件對C 和O 峰進行分峰，所得擬合峰及可能對應的官能團已被標注在圖中。表1 為磨損面上各元素的相對原子濃度。可見GCr15 鋼表面C 和O 能譜的峰形單一，主要代表污染碳和鐵氧化物中的氧。與GCr15 鋼表面相比，PTFE 對磨面上C 和O 能譜均有兩個新的峰形出現，這些新峰值主要歸屬于PTFE 的黏附片段。表1 中，與GCr15 鋼表面相比，PTFE 對磨面上C 的相對原子濃度增大而O 的減小，這也證明了PTFE 片段的黏附，這種黏附主要是依靠范德華力、氫鍵力和靜電力等，還有部分片段通過化學鍵與Fe 原子結合，使O 的相對濃度減小［16］。

表1 不同材料對磨面上主要元素的相對原子濃度Table 1 Relative atomic concentration of main elements on worn surface under the action of different materials

圖10 中，PTFE/CNTs 復合材料對磨面上C 元素的峰形與純PTFE 對磨面上C 的峰形相似，其擬合峰2 應主要歸屬于C—C，C—O 和C=O/C—F 中的碳種類［17］，表1 中PTFE/CNTs 復合材料作用時C 的相對原子濃度最高，這證明了摩擦過程中CNTs 摩擦產物的吸附與沉積，并形成與普通PTFE 作用時不同的潤滑層。摩擦過程中，CNTs 的分子結構被破壞，所形成的部分片段被炭化后沉積在對磨面上起減摩作用，部分片段則吸附在對磨面上起減摩作用。雖然CNTs 在對磨面上形成的潤滑層具有一定減摩作用，但其分子沒有起有效潤滑作用的基團，因此CNTs 對PTFE 材料的減摩效果不明顯。但CNTs 也能減少PTFE 的黏附，具有一定的抗磨作用。

圖10 GCr15 鋼與PTFE、PTFE/CNTs 和PTFE/納米微囊復合材料對磨面上元素的XPS 能譜（a）C；（b）O；（c）S；（d）FFig.10 XPS spectra on GCr15 steel and worn surface under the friction of PTFE，PTFE/CNTs and PTFE/ nano-capsule composite（a）C；（b）O；（c）S；（d）F

圖10（c）中，PTFE/微囊復合材料對磨面上出現了明顯的S 元素峰形，分別在161.2 eV 和168.3 eV處，這應分別歸屬于C—S 和Fe—S 中硫的種類［18］，這充分證明摩擦過程中T321 潤滑劑的釋放。圖10（a）中，PTFE/微囊復合材料摩擦時C 元素的峰形與PTFE/CNTs 復合材料摩擦時的相似，而歸屬于C—O的擬合峰的強度更強，O 元素的峰形也更為復雜。這一方面證明納米微囊中的CNTs 參與了摩擦過程，也證明微囊內T321 的釋放影響CNTs 潤滑層的形成過程。由表1 可見，在三種對磨面中，PTFE/微囊復合材料對磨面上C 相對原子濃度最低，而O 的相對原子濃度最高，Fe 元素濃度處于中間值，這是由于微囊在摩擦過程中釋放出T321，T321 分子中的S 元素活性較強，易通過化學吸附與鐵原子等結合，這造成了O 和Fe 元素相對濃度的升高和C 元素相對元素濃度的降低。圖11 給出了PTFE/微囊復合材料作用時摩擦接觸區域的模型，在摩擦過程中，納米微囊釋放出T321，T321 和CNTs 的摩擦產物共同作用于對磨面后形成更為充分的潤滑層，T321 還能加強化學吸附作用，所形成的潤滑層具有三方面的作用：（1）減摩，降低了PTFE 的摩擦因數；（2）抗黏附，減少了PTFE 組織在對磨面上的黏附，減小了PTFE 的磨損；（3）拋光作用，提高了對磨面的表面質量。

圖11 PTFE/微囊復合材料的潤滑作用模型Fig.11 Lubrication model of PTFE/microcapsule composite

3 結論

（1）成功制備了CNTs@T321 納米微囊，填充率為25.1%，熱重分析表明納米微囊具有較高的熱穩定性。

（2）PTFE 中填充納米微囊后，其抗拉強度和硬度有所降低，但在填充量在一定范圍內時，仍能夠滿足軸承實際使用的力學性能條件。

（3）CNTs@T321 納米微囊能夠抵抗PTFE 的固化溫度，其結構并未在固化過程中被破壞；納米微囊在PTFE 組織中是以團狀顆粒的形式存在的，這對其中的T321 形成了很好保護。

（4）納米微囊的填充能夠顯著降低PTFE 的摩擦因數和磨損率，在一定范圍內填充量越高，對摩擦因數的改善作用也越明顯；隨著測試速度和載荷的增大，PTFE/微囊復合材料的摩擦因數也有減小趨勢，但磨損率升高。

（5）PTFE/微囊復合材料在摩擦過程中釋放T321，T321 吸附在對磨面上，并與CNTs 共同作用形成潤滑層，兩種成分共同作用下形成的接觸區域表面層起到了減摩、抗磨以及提高表面質量的作用。