芳砜綸纖維/聚四氟乙烯復(fù)合材料的性能

劉立起,王旭,謝旺,俞鳴明,方琳,李紅,楊敏,肖依,任慕蘇,孫晉良

(上海大學(xué)復(fù)合材料研究中心,上海200072)

芳砜綸纖維/聚四氟乙烯復(fù)合材料的性能

劉立起,王旭,謝旺,俞鳴明,方琳,李紅,楊敏,肖依,任慕蘇,孫晉良

(上海大學(xué)復(fù)合材料研究中心,上海200072)

采用熱壓工藝制備芳砜綸纖維(polysulfonamide fiber,PSAF)/聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)復(fù)合材料,然后采用熱重分析儀(thermal gravimetric analyzer,TGA)、差示掃描量熱(differential scanning calorimetry,DSC)法、X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)、傅里葉轉(zhuǎn)換紅外(Fourier transform infrared,FTIR)、熱場(chǎng)發(fā)射掃描式電子顯微鏡(thermal field scanning electron microscope,TFSEM)等方法研究了PSAF對(duì)所制備復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)和微觀形貌等的影響.研究結(jié)果表明,PSAF的加入提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能,使其具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性能.適量的PSAF較好地分散在PTFE基體中,PSAF與PTFE基體的界面結(jié)合較好,且同時(shí)存在物理與化學(xué)結(jié)合.

芳砜綸纖維(polysulfonamide fiber,PSAF);聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE);力學(xué)性能;熱穩(wěn)定性;結(jié)構(gòu)表征

聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)作為自潤(rùn)滑材料應(yīng)用廣泛,原因是其具有不受化學(xué)品的影響、連續(xù)耐溫范圍為?240～260°C、極低的摩擦因數(shù)等性質(zhì).但是PTFE又具有強(qiáng)度較低、抗蠕變性、耐磨性較差等缺陷,這限制了該材料在機(jī)械及其他領(lǐng)域中的應(yīng)用[1-15].芳砜綸纖維(polysulfonamide fiber,PSAF)[16-18]是一種人造聚芳酰胺有機(jī)纖維,其分子鏈中含有砜基,具有強(qiáng)度較高、彈性模量中等、密度小、耐熱、高溫下尺寸穩(wěn)定性好及耐磨等特性. PSAF在非復(fù)合形式下韌性較高,適合制作高溫高負(fù)荷下工作的摩擦材料.本工作制備的復(fù)合材料承載能力提高,摩擦因數(shù)降低,潤(rùn)滑效果增強(qiáng),耐磨壽命延長(zhǎng),因?yàn)樵摬牧霞缺３至薖TFE 與PSAF各自的自潤(rùn)滑、耐磨損等特點(diǎn),又使得PTFE和PSAF的性能相互補(bǔ)充.

本工作采用模壓工藝制備了PSAF/PTFE復(fù)合材料,并對(duì)該復(fù)合材料的熱性能、力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了研究.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

芳砜綸,長(zhǎng)度3 mm,直徑60μm,上海特安綸纖維有限公司提供;聚四氟乙烯微粉,上海市塑料研究所提供.

1.2 復(fù)合材料的制備

將一定比例的PSAF加入到PTFE微粉粒中,混合均勻;然后放入真空干燥箱中除去水分,脫氣完成后,將預(yù)制件放入預(yù)熱好的模具中進(jìn)行升溫;達(dá)到一定的溫度后,加壓成型,冷卻到室溫脫模.本實(shí)驗(yàn)使用模壓成型法,PSAF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0,5%,10%,15%和20%.

PSAF/PTFE復(fù)合材料壓縮試樣模壓制備工藝如下:首先將模具150°C預(yù)熱后,施加70 V電壓;然后微量調(diào)節(jié)電壓,升溫至370°C;接著加壓至60 MPa,保溫1 min;最后關(guān)閉電壓,保壓降溫至150°C.

1.3 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

1.3.1 力學(xué)性能測(cè)試

按GB/T 1041—2008測(cè)試材料的壓縮性能,壓縮速率為1 mm/min,測(cè)定溫度為25°C. 按GB/T 2411—1980測(cè)試材料的邵氏硬度,使用D型硬度計(jì),測(cè)定溫度為25°C.

1.3.2 熱性能測(cè)試

采用德國(guó)耐馳公司的LFA 457型激光導(dǎo)熱儀測(cè)量PSAF/PTFE復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù).

熱重分析儀(thermal gravimetric analyzer,TGA)的測(cè)量條件如下:樣品質(zhì)量5～8 mg,升溫速率10°C/min,測(cè)試溫度25～700°C.

1.3.3 材料結(jié)構(gòu)分析

將制備的復(fù)合材料均勻涂在KBr片表面,用美國(guó)Nicolet 380 Avatar Gripper型傅里葉變換紅外(Fourier transform infrared,FTIR)光譜儀進(jìn)行紅外光譜分析,測(cè)試范圍為5 000～300 cm?1.

X射線衍射儀測(cè)試條件如下:Cu靶輻射,波長(zhǎng)λ為0.154 nm,輻射管電壓為50 kV,輻射管電流為200 mA,掃描范圍2θ為5°～60°,掃描速度為2°/min.

1.3.4 微觀形貌分析

沖擊樣條在液氮中進(jìn)行冷凍脆斷,然后對(duì)其斷面進(jìn)行噴金處理,最后使用鎢燈絲掃描電鏡進(jìn)行觀察.

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料的壓縮性能

PSAF/PTFE復(fù)合材料的壓縮性能測(cè)試曲線如圖1所示.相比純PTFE,PSAF/PTFE復(fù)合材料的初始模量較高,這是由于PSAF具有高強(qiáng)高模的特性,在壓縮過(guò)程中優(yōu)先承載壓力而阻止了PTFE分子鏈的橫向移動(dòng),從而使初始?jí)嚎s模量增加;但PSAF/PTFE的壓縮強(qiáng)度較低,開始發(fā)生明顯塑性變形的強(qiáng)度均在18 MPa左右.當(dāng)PSAF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí),塑性變形的強(qiáng)度為40 MPa.當(dāng)纖維含量較低時(shí)PSAF對(duì)復(fù)合材料的初始?jí)嚎s模量影響較大,而對(duì)初始?jí)嚎s強(qiáng)度影響較小;只有PSAF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí),增強(qiáng)效果明顯.

圖1 PSAF/PTFE復(fù)合材料壓縮性能測(cè)試曲線Fig.1 Curves of PSAF/PTFE composites compression performance

2.2 PSAF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料硬度的影響

PSAF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PTFE基復(fù)合材料的硬度影響如表1所示.可以看出,PSAF的加入使得復(fù)合材料的硬度增加,PSAF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高影響越大.PSAF/PTFE復(fù)合材料較純PTFE材料的硬度約提高4.86%(平均值),但復(fù)合材料之間的硬度差值較小.這是由于PTFE分子間引力小、硬度低,而PSAF屬于高剛性聚合物,同時(shí)PSAF可以較好地分散在PTFE材料中,并可以與PTFE分子之間形成結(jié)合力,從而增強(qiáng)了PTFE分子之間的作用力.由于PSAF分子鏈之間的作用力降低,因此總體上使復(fù)合材料的硬度有所增加.

表1 PSAF/PTFE復(fù)合材料硬度測(cè)試結(jié)果Table 1 Hardness results of PSAF/PTFE composites

2.3 復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性能

圖2為純PTFE、純PSAF及PSAF/PTFE復(fù)合材料的熱重分析曲線.可以看出,曲線1, 3,4,5比較類似,即復(fù)合材料的熱重曲線類似純PTFE.另外,圖2中曲線有兩個(gè)臺(tái)階:在第一個(gè)臺(tái)階(320～420°C),所有材料由于水分的移除,質(zhì)量逐漸減小;在第二個(gè)臺(tái)階(440°C以上), 純PTFE和PASF/PTFE復(fù)合材料發(fā)生破壞,伴隨著明顯的質(zhì)量損失.

由TGA曲線分析可知,PSAF的初始分解溫度約為440°C,PTFE的初始分解溫度約為500°C,因此在溫度達(dá)到440和500°C時(shí),曲線3,4,5和6皆出現(xiàn)了分解拐點(diǎn),即復(fù)合材料中的PSAF在440°C開始分解,PTFE在500°C開始分解.由圖2中各條熱重分析曲線的趨勢(shì)得出:PSAF/PTFE復(fù)合材料的曲線與PSAF質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大(20%)的復(fù)合材料有些不同,正如圖3中曲線2和6所示.原因是PSAF的熱穩(wěn)定低于PTFE,而PTFE和PSAf/PTFE復(fù)合材料都具有較高的熱穩(wěn)定性能.

圖2 PTFE,PSAF和PSAF/PTFE復(fù)合材料的熱重分析曲線Fig.2 TGA curves of PTFE,PSAF and PSAF/PTFE composites

2.4 PSAF對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的影響

圖3為純PTFE、純PSAF和PSAF/PTFE復(fù)合材料的X射線衍射分析.可以看出, PSAF在衍射峰位角為17°附近有較寬而弱的衍射峰,這是因?yàn)镻SAF是三元無(wú)規(guī)共聚物,結(jié)晶度比較低.另外,在衍射峰位角為17°,30°,35°時(shí)均出現(xiàn)了明顯的PTFE的(1,0,0),(1,1,1), (2,0,0)晶面,相比于純PTFE,其他材料的衍射峰的強(qiáng)度及位置均沒(méi)有變化,說(shuō)明PSAF與PTFE復(fù)合后對(duì)PTFE的晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響.

圖3 PTFE,PSAF和PSAF/PTFE復(fù)合材料的X射線衍射分析Fig.3 X-ray diffraction analysis of PTFE,PSAF and PSAF/PTFE composites

2.5 傅里葉變換紅外分析

對(duì)純PTFE、純PSAF以及PSAF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%,10%,15%,20%的PASF/PTFE復(fù)合材料進(jìn)行傅里葉變換紅外分析,結(jié)果如圖4所示.

圖4中,PTFE的紅外圖譜曲線中1 210.2,1 152.4 cm?1表示C—F的特征峰, 642.5 cm?1表示C—F的彎曲振動(dòng)峰,567.3,505.6 cm?1表示C—F鍵變形振動(dòng)的吸收帶,這些都是PTFE的特征峰;與PTFE對(duì)比,PSAF/PTFE復(fù)合材料沒(méi)有出現(xiàn)新的特征峰,說(shuō)明PSAF與PTFE的表面相互作用歸屬于同一種物理作用.

2.6 復(fù)合材料微觀形貌分析

沖擊樣條在液氮中脆斷后,通過(guò)鎢燈絲掃描電鏡對(duì)其斷面進(jìn)行分析,結(jié)果如圖5所示.

圖4 PSAF,PTFE和PSAf/PTFE復(fù)合材料的FTIR曲線Fig.4 FTIR curves of PSAF,PTFE and PSAF/PTFE composites

圖5 PTFE和PSAF/PTFE復(fù)合材料脆斷面SEM圖Fig.5 Brittle fracture SEM images of PTFE and PSAF/PTFE composites

由圖5可見,對(duì)于PTFE,其斷面上形成了明顯的突起,具有明顯抗撕裂的韌性特征.由于纖維在基體中分布取向是無(wú)規(guī)則的,當(dāng)材料受力時(shí),往往會(huì)先在平行于受力方向分布的纖維與基體的界面處開裂,因此在斷面上可看到許多纖維留下的平行于斷面的橫向凹痕(見圖5(d) 和(e)),但仔細(xì)觀察這些凹痕(見圖5(c))可看到表面有明顯的拉絲現(xiàn)象,說(shuō)明纖維與界面具有一定黏結(jié)強(qiáng)度.同時(shí),在材料的斷面上還可看到一些纖維被拔出留下的微孔(見圖5(b)),這可能主要是因?yàn)槔w維太短,容易拔出.

由圖5(b)可以看出,材料斷面比較光滑且PSAF均勻分散在基體中,還可以看出明顯的拉絲現(xiàn)象和PSAF拔出后留下的孔穴,沖擊斷面呈韌性斷裂,這與圖1中和表1中PSAF/PTFE復(fù)合材料的壓縮性能提高和沖擊性能顯著提升的現(xiàn)象相吻合.

3 結(jié)論

(1)在PTFE中加入PSAF后,PSAF/PTFE復(fù)合材料的力學(xué)性能有小幅提高,其壓縮強(qiáng)度及硬度隨PSAF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大.

(2)XRD,FTIR測(cè)試分析結(jié)果顯示,PSAF與PTFE復(fù)合后,二者未產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)及新結(jié)構(gòu),仍為單純的物理結(jié)合.

(3)PSAF的加入使得PSAF/PTFE復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性降低,在PSAF質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的情況下,PSAF/PTFE復(fù)合材料展現(xiàn)出相似的熱分解行為,而當(dāng)PSAF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí), PSAF/PTFE復(fù)合材料的熱性能明顯下降.

(4)PSAF/PTFE復(fù)合材料中PSAF與PTFE的黏結(jié)提高了PSAF/PTFE復(fù)合材料的斷裂韌性.

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Properties of polysulfonamide fiber(PSAF)/ polytetrafluoroethylene(PTFE)composites

LIU Liqi,WANG Xu,XIE Wang,YU Mingming,FANG Lin,LI Hong, YANG Min,XIAO Yi,REN Musu,SUN Jinliang
(Research Center for Composite Materials,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

Polysulfonamide fiber(PSAF)/polytetrafluoroethylene(PTFE)composites were prepared by hot pressing process.The effect of PSAF on material mechanical properties, thermal stability,structure and morphology was studied with thermal gravimetric analyzer(TGA),differential scanning calorimetry(DSC),X-ray diffraction(XRD),Fourier transform infrared(FTIR),and thermal field scanning electron microscope(TFSEM).The results show that PSAF can improve mechanical properties of the composite materials, and the composites have good thermal stability.A moderate amount of PSAF can be well dispersed in the PTFE matrix.Bonding of the PSAF and PTFE matrix interfacial is good, and there is a physical adhesion.

polysulfonamide fiber(PSAF);polytetrafluoroethylene(PTFE);mechanical property;thermal stability;structure characterization

TB 332

A

1007-2861(2017)02-0185-07

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.05.017

2016-01-06

科技部對(duì)俄合作資助項(xiàng)目(2014DFR50460);上海市青年教師培養(yǎng)資助項(xiàng)目(37011015209)

俞鳴明(1984—),男,博士,研究方向?yàn)閺?fù)合材料.E-mail:mmyu@shu.edu.cn