聚四氟乙烯改性聚酮摩擦磨損性能的研究

孫 丹,金石磊

(1.上海材料研究所，上海 200437； 2.上海市工程材料應用評價重點實驗室，上海 200437)

0 前言

聚酮(PK)是由α-烯烴和一氧化碳(CO)線性交替聚合的結晶性熱塑性工程塑料, 它的熔點較高，具有優(yōu)良的彈性、急變特性、耐沖擊性、耐磨性、耐水解性和化學穩(wěn)定性等特點，是一種可光降解的綠色高分子材料，對環(huán)境無污染[1-6]。

雖然PK具有優(yōu)異的耐磨性能，但是在干摩擦條件下其摩擦因數(shù)相對較高，在0.50左右[7]，與現(xiàn)有自潤滑工程塑料相比，其減摩性能還有待提高。目前，關于PK在減摩、耐磨改性方面的研究報道較少，為了進一步拓寬PK環(huán)保型高分子材料的應用，需要探索改性PK材料，提高減摩、耐磨性能。筆者選用聚四氟乙烯(PTFE)微粉作為改性填料，研究PTFE微粉添加質量分數(shù)對PK摩擦磨損性能以及力學性能的影響，并探討其作用機理。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PK,M630A，韓國曉星集團；

PTFE微粉，CR-c3420，浙江巨化股份有限公司；

抗氧劑、光穩(wěn)定劑、熱穩(wěn)定劑，市售；

潤滑油，長城L-HM 46抗磨液壓油，中國石化潤滑油有限公司。

1.2 儀器與設備

高速混合機，SHR-25A，張家港通沙塑料機械公司；

雙螺桿擠出機，AK36，南京科亞成套裝備有限公司；

摩擦磨損試驗機，135/305，瑞士阿穆斯朗試驗機有限公司；

萬能力學試驗機，CMT5305，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司；

注塑機，JW-120S，臺灣綜偉塑機有限公司。

1.3 試樣制備

各組試樣主要配方見表1，其中，每組配方中的抗氧劑和穩(wěn)定劑比例相同。

表1 PK復合材料配方 %

各種原料按照配方稱量后，通過高速混合機混合均勻，并采用雙螺桿擠出機擠出造粒，得到改性PK，再通過注塑機注塑成標準試樣。

1.4 性能測試

按照GB/T 1040.2—2006 《塑料 拉伸性能的測定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件》進行拉伸試驗。試樣為啞鈴型試樣，平直部分尺寸為60 mm×10 mm×4 mm。拉伸速度為50 mm/min。

按照GB/T 1041—2008 《塑料 壓縮性能的測定》進行壓縮試驗。試樣尺寸為10 mm×10 mm×4 mm。壓縮速度為5 mm/min。

按照GB/T 3960—2016 《塑料 滑動摩擦磨損試驗方法》進行摩擦磨損試驗。磨損試樣尺寸為6 mm×7 mm×30 mm。試驗條件為：負荷245 N，線速度0.41 m/s，時間2 h，摩擦行程3 024 m，對磨件為45#鋼，表面硬度40HRC～45HRC，表面粗糙度0.4 μm。

按照GB/T 2411—2008 《塑料和硬橡膠 使用硬度計測定壓痕硬度(邵氏硬度)》進行硬度測試，試樣直徑為50 mm,壁厚為4 mm。

2 結果與討論

2.1 PTFE微粉質量分數(shù)對PK復合材料力學性能的影響

PK復合材料的拉伸強度隨PTFE微粉質量分數(shù)的變化趨勢見圖1。

圖1 PK復合材料的拉伸強度

由圖1可以看出：隨著PTFE微粉質量分數(shù)的增加，PK復合材料的拉伸強度呈下降趨勢。這主要是由于PTFE材料本身與其他材料的相容性差，且PTFE熔點為327 ℃，在PK復合材料擠出加工過程(溫度為230 ℃)中，PTFE微粉無法熔融分散，而是宏觀分散在復合材料體系中；在拉伸過程中PTFE微粉形成應力集中點，在復合材料受到拉應力時，PTFE微粉與基體PK樹脂容易發(fā)生剝離，造成拉伸強度下降[8]，且隨著PTFE微粉質量分數(shù)的增加，應力集中點增加，因此拉伸強度呈下降趨勢。

PK復合材料的壓縮強度和硬度隨PTFE微粉質量分數(shù)的變化趨勢見圖2。由圖2可以看出：隨著PTFE微粉質量分數(shù)的增加，PK復合材料的壓縮強度和硬度均呈下降趨勢。這主要是由于PTFE材料本身的壓縮強度在30 MPa、邵氏D硬度為55HD，而PK的壓縮強度為82 MPa、邵氏D硬度為80HD，在PTFE微粉填充PK的擠出改性過程中，兩者未發(fā)生化學結合，因此填充PTFE微粉后，隨著PTFE微粉質量分數(shù)的增加，復合材料體系中低強度和低硬度材料比例變多，復合材料的壓縮強度、硬度隨之下降。

(a) 壓縮強度

2.2 PTFE微粉質量分數(shù)對PK復合材料摩擦磨損性能的影響

PK復合材料在干摩擦條件下的摩擦磨損性能隨PTFE微粉質量分數(shù)的變化趨勢見圖3。由圖3可以看出：隨著PTFE微粉質量分數(shù)的增加，PK復合材料在干摩擦條件下的摩擦因數(shù)呈下降趨勢，這主要是由于PTFE材料本身具有優(yōu)異的自潤滑性能，且金屬對偶件的硬度和強度遠大于PTFE，在摩擦力的作用下，PTFE大分子脫落轉移到摩擦對偶件上，形成了一層轉移膜，進而降低了復合材料的摩擦因數(shù)。

(a) 摩擦因數(shù)

圖4為在干摩擦條件下各配方PK復合材料對偶面的掃描電鏡(SEM)圖。由圖4可以看出：隨著PTFE微粉質量分數(shù)的增加，對偶面的轉移膜逐漸變多且連續(xù)，并在PTFE微粉質量分數(shù)為6%時轉移膜最多且連續(xù)(見圖4(d));當PTFE微粉質量分數(shù)為8%時，對偶面的轉移膜較PTFE質量分數(shù)為6%時少(見圖4(e))。結合圖3、圖4可以看出PK復合材料在干摩擦條件下的磨痕寬度與PTFE微粉質量分數(shù)的關系:PTFE微粉質量分數(shù)為6%時復合材料的磨痕寬度最小，且隨著PTFE微粉質量分數(shù)的增加，PK復合材料的磨痕寬度基本呈下降趨勢，這說明對偶面上轉移膜存在抵抗了外界摩擦力的作用，進而降低了PK復合材料的磨痕寬度。

(a) 1#

圖5為在干摩擦條件下1#PK復合材料對偶面能譜和SEM圖。由圖5可以看出：1#PK復合材料的轉移膜主要為PK，但是由于PK本身的摩擦因數(shù)較大且轉移膜較少，1#PK復合材料的磨痕寬度偏大。

圖5 干摩擦條件下1#對偶面能譜和SEM圖

圖6為在干摩擦條件下4#PK復合材料對偶面能譜和SEM圖。由圖6可以看出：4#PK復合材料轉移膜中含有F元素，說明在摩擦過程中PTFE在對偶面上形成了轉移膜，減小了材料的磨損。

圖6 干摩擦條件下4#PK復合材料對偶面能譜和SEM圖

圖7為在干摩擦條件下4#PK復合材料的SEM圖。

圖7 干摩擦條件下4#PK復合材料的SEM圖

由圖7可以看出：4#PK復合材料的磨損表面無明顯劃痕，表面較為光滑，這說明PK復合材料在磨損過程中未出現(xiàn)磨粒磨損的現(xiàn)象，磨損過程主要以黏著磨損為主。

PK復合材料在油潤滑條件下的摩擦磨損性能隨PTFE微粉質量分數(shù)的變化趨勢見圖8。由圖8可以看出：相比在干摩擦條件下，PK復合材料在油潤滑條件下的摩擦因數(shù)和磨痕寬度均明顯下降。這是由于在摩擦過程中，在潤滑油和PTFE的協(xié)同作用下，摩擦副表面形成了穩(wěn)定的潤滑膜，降低材料的摩擦因數(shù)。

(a) 摩擦因數(shù)

圖9為在油潤滑條件下4#PK復合材料對偶面能譜和SEM圖。由圖9可以看出：在油潤滑條件下，對偶面無F元素，這說明在油潤滑條件下PTFE并未轉移或很少轉移至對偶面上，PK復合材料磨痕寬度的降低主要依靠磨損界面中的油膜，這層油膜阻隔了PK復合材料和對偶件的直接接觸，同時由于潤滑油的存在，摩擦時所產(chǎn)生的熱量能夠快速并及時散出降低了復合材料體系的溫度[9]，減小了材料壓縮強度隨溫度升高而下降的趨勢，提高了復合材料的抗壓能力，因此PK復合材料的在油潤滑條件下的磨痕寬度比干摩擦條件下的磨痕寬度有所降低。

圖9 油潤滑條件下4#PK復合材料對偶面能譜和SEM圖

3 結語

(1) 隨著PTFE微粉質量分數(shù)的增加，PK復合材料的拉伸強度、壓縮強度及邵氏硬度隨之下降。

(2) 在干摩擦條件下，隨著PTFE微粉質量分數(shù)的增加，PK復合材料的摩擦因數(shù)和磨痕寬度基本呈下降趨勢，在PTFE質量分數(shù)為6%時，轉移膜最連續(xù)，磨痕寬度最小，磨損過程以黏著磨損為主。

(3) 在油潤滑條件下，潤滑油和PTFE微粉協(xié)同作用，PK復合材料的摩擦因數(shù)和磨痕寬度均較干摩擦時明顯下降，潤滑油在磨損過程中起到了潤滑和散熱的作用。