张宏飞;高永操;王廷梅;张新瑞
【摘 要】采用冷压-热烧结法制备聚苯酯(POB)改性聚四氟乙烯(PTFE)复合材料,考察聚苯酯含量以及在110℃的航空液压油中浸泡后对改性PTFE材料机械性能和摩擦磨损性能的影响.试验结果显示:改性PTFE材料的硬度与聚苯酯含量成正比,而拉伸强度和拉断裂伸长率与聚苯酯含量成反比;改性PTFE材料的摩擦因数随聚苯酯含量增加先增大后减小,体积磨损率则呈减小趋势;改性PTFE材料的摩擦因数随着载荷增大而减小,而磨痕宽度随载荷的增大而增大;质量分数20％聚苯酯改性PTFE的综合性能最优,并且具有很好的稳定性,在航空液压油浸泡后其性能变化不明显.%The PTFE composites reinforced with different content of polybenzoate (POB)filler were prepared by molding-sintering technique.The effects of POB content and 110 ℃ aircraft hydraulic immersion and sliding conditions on the mechanical and tribological behaviors were studied.The results show that with the increasing of the content of POB,the hardness of POB filled PTFE composites is increased,the tensile strength and elongation are decreased,the friction coefficient is first increased and then decreased,the w ear rate is decreased.With the increasing in applied load,the friction coefficient of POB filled PTFE composites is deceased and the wear rate is increased.20％ (mass fraction) POB filled PTFE composites exhibit excellent comprehensive performance and stability in aircraft hydraulic oil.
【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2017(042)001
【总页数】5页(P97-101)
【关键词】聚四氟乙烯;机械性能;摩擦磨损;稳定性
【作 者】张宏飞;高永操;王廷梅;张新瑞
【作者单位】陆航驻洛阳地区军事代表室 河南洛阳471009;豫北机械厂 河南新乡453003;中国科学院兰州化学物理研究所 甘肃兰州730000;中国科学院兰州化学物理研究所 甘肃兰州730000
【正文语种】中 文
【中图分类】TH117.1
聚四氟乙烯(PTFE)性能优良，有“塑料王”的美誉，是目前应用于动密封的关键材料，但其在使役过程中，易冷流，抗蠕变和回弹性能差，导致聚四氟乙烯密封材料的密封可靠性和寿命难以满足实际应用的需求[1-3]。因此在实际使用过程中，可将聚四氟乙烯与其他材料进行复合，在保持聚四氟乙烯优良特性基础上，利用复合材料的综合特性，弥补其本身的缺点，提高材料的强度、刚性、尺寸稳定性、回弹性和耐磨性，从而满足应用需求。国外聚四氟乙烯密封材料的改性技术研究始于20世纪70年代，最早采用填充改性的手段，通过在PTFE中加入填充剂，改善及克服纯PTFE的缺陷，提高其综合性能。常用的改性剂有玻璃纤维、石墨、二硫化钼等无机材料，铁、铜、银等金属材料，聚苯酯、聚酰亚胺等有机高分子材料等[4-7]。聚苯酯作为一种有机填料，具有优良的热稳定性、耐蠕变性和较高的硬度，在性能上能与聚四氟乙烯形成很好的互补[8]。在聚四氟乙烯中加入不同的填料，其性能存在着显著差异，往往根据实际工况需求，如温度、压力、介质等进行选择。
本文作者采用冷压-热烧结法制备了聚苯酯(POB)改性聚四氟乙烯(PTFE) 复合材料，考察了
聚苯酯含量、载荷以及110 ℃的15号航空液压油浸泡对聚四氟乙烯复合材料机械性能和摩擦学性能的影响，相关研究工作对聚合物密封材料的选材具有重要的指导意义。
PTFE采用日本大金公司生产的悬浮聚四氟乙烯树脂，牌号为M-18F,平均粒径为25 μm。聚苯酯(POB)为中蓝晨光化工研究院塑料公司生产，粒度约为400目。航空液压油采用昆仑15号航空液压油。
将聚四氟乙烯和聚苯酯按比例称量，利用机械式高速混合机混合后，置入相应的模具后压制成型，采用35～40 MPa的压制力，保压时间为5 min，然后脱模，放入聚四氟乙烯烧结炉，烧结温度为370～375 ℃，升温速率为5 ℃/min，保温时间为150 min，然后自然冷却。15号航空液压油的浸泡温度为110 ℃，浸泡时间为2个月。
依据GB/T 2411-2008《塑料和硬橡胶 使用硬度计测定压痕硬度(邵氏硬度》，采用邵氏D硬度计测量改性PTFE的邵氏硬度，取5个测量值平均值。
依据GB/T 1040-2006《塑料 拉伸性能的测定 第2部分，模塑和挤塑塑料的实验条件》测量改性PTFE的拉伸性能，测试设备为万能试验机，试样类型为Ⅰ型(哑铃型)，试验加载速度50 mm/min，试验结果取3个测量值的平均值。
依据ASTM D621《塑料负荷变形的试验方法》测量改性PTFE的压缩变形率，测试设备为万能试验机，测试试样为浸泡前和浸泡后压缩试样(110 ℃的15号航空液压油中浸泡2个月)，实验条件为23 ℃-24 h-3 MPa，试验结果取3个测量值的平均值。
依据ASTM E831《通过热机械分析对固体材料线性膨胀的试验方法》，通过TMA测量浸油前后(-50～150 ℃)改性PTFE的线膨胀系数。加载静态力为0.1 N。
依据GB/T 3960-1983《塑料滑动摩擦磨损试验方法》，在MM-200摩擦试验机测量改性PTFE的摩擦因数和体积磨损率。图1所示为摩擦副的接触示意图，对偶件为GCrl5轴承钢环。表1给出了GCrl5轴承钢环的化学成分，其尺寸为Φ40 mm×16 mm×10 mm。改性PTFE复合材料试样和对偶件表面在试验前均用1 000#金相砂纸打磨(表面粗糙度Ra=0.3 μm)，并用丙酮棉球擦拭。试验条件为：速度0.431 m/s，载荷200～500 N，试验时间120 min。摩擦因数取后试验60 min 的平均值，试样磨痕宽度用精度为0.01 mm 的读数显微镜测量，摩擦因数和磨痕宽度均采用3次试验数据的平均值。
图2示出了聚苯酯含量对聚四氟乙烯拉伸强度和断裂伸长率的影响。
由图2可以看出,聚苯酯加入后，PTFE复合材料的拉伸强度和断裂伸长率下降。当聚苯酯填充量小于30%质量分数时，拉伸强度下降严重，而当聚苯酯质量分数超过30%时，材料拉伸性能下降趋势变缓。这与聚四氟乙烯与聚苯酯基体本身的化学结构有关，由于二者之间不存在强化学作用以及其他的相互作用使界面间的填料和基体结合在一起，在拉伸力作用下,在填料的两极处容易产生空穴等缺陷,进而导致应力集中,材料拉伸性能下降。此外,聚四氟乙烯与聚苯酯两者的线膨胀系数不同，在冷压、热烧结及冷却时，在材料内部会产生应力，引起界面之间存在分离或孔隙，这些内部缺陷会引起材料拉伸性能的下降。当聚苯酯质量分数增大到30%以上时，聚苯酯填料完全可以起到增加刚性的作用，材料拉伸强度的下降趋于缓慢[9]。
图3示出了聚苯酯含量对聚四氟乙烯硬度的影响。可以看出,随着聚苯酯添加量的增加,复合材料硬度随之增大。这是因为聚苯酯属于刚性填料,其本身硬度远远大于聚四氟乙烯。因此，聚苯酯填充聚四氟乙烯后，复合材料刚性增加，韧性减小，抗形变能力增加，复合材料的塑性变形减小，硬度变大，这也进一步引起材料拉伸性能下降。
图4示出了聚苯酯含量对聚四氟乙烯摩擦磨损性能的影响。可以看出，纯PTFE磨痕宽度大，
体积磨损率很大，无法单独使用。填充聚苯酯后，PTFE复合材料摩擦学性能得到明显改善，并且随着聚苯酯含量的增加，材料摩擦因数和磨痕宽度也随之下降。这主要是因为聚苯酯填充后，PTFE基体的组织结构得以改变，聚苯酯有效阻止PTFE的带状剥离,进而保护PTFE不易被磨损，同时发现质量分数10%聚苯酯加入后，PTFE复合材料摩擦因数增大，磨损率显著下降。随着聚苯酯的含量的进一步增加，有利于PTFE磨屑对偶表面转移形成转移膜，进而摩擦因数降低。但同时，过量聚苯酯的加入，材料变脆，材料拉伸强度和断裂伸长率严重下降。因此，考虑到材料的综合性能，聚苯酯的最佳填充量为20%(质量分数)。
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