楊培娟，樓錦超

（浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)用活塞環(huán)材料研究＊

楊培娟，樓錦超

（浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

通過(guò)金屬粉末冶金法制備聚酰亞胺(PI)填充聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合材料，考察不同PI填充量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能和摩擦學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用PI填充PTFE，可以使耐摩擦性能提高2個(gè)數(shù)量級(jí)，摩擦系數(shù)稍微上升。隨著PI填充量的提高，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均下降。填充PI可以降低材料熱變形率。最后，對(duì)采用國(guó)產(chǎn)聚酰亞胺(SG100P)與進(jìn)口聚酰亞胺(P84)填充PTFE制備的復(fù)合材料性能進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)PI完全可以替代進(jìn)口同類產(chǎn)品用于生產(chǎn)無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)活塞環(huán)。

無(wú)油潤(rùn)滑；活塞環(huán)；聚酰亞胺；聚四氟乙烯；摩擦性能

前言

壓縮機(jī)是一種將氣體壓縮，從而提高氣體壓力或輸送其他的設(shè)備，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的許多部門，如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)鹊玫綇V泛的應(yīng)用?；钊綁嚎s機(jī)上所用的密封活塞環(huán)通常用自潤(rùn)滑材料--聚四氟乙烯[1]制成，由于活塞環(huán)長(zhǎng)期運(yùn)行在劇烈的摩擦環(huán)境下，活塞環(huán)極易磨損，導(dǎo)致壓縮機(jī)不能正常工作。為了減少密封環(huán)材料的摩擦磨損，傳統(tǒng)氣體壓縮機(jī)活塞環(huán)需要用油潤(rùn)滑，以減少活塞環(huán)與氣缸壁的摩擦磨損，提高活塞環(huán)的使用壽命?；钊h(huán)用油潤(rùn)滑不可避免地將大量潤(rùn)滑油帶入壓縮氣中，損失的潤(rùn)滑油需要不斷給予補(bǔ)充，一臺(tái)中型壓縮機(jī)一年要消耗幾百公斤潤(rùn)滑油，這些油通過(guò)分油裝置分離出來(lái)后成為廢油或被直接排放而污染環(huán)境，而帶入壓縮氣體中的潤(rùn)滑油又造成氣體的污染，需要對(duì)氣體進(jìn)行除油后才能使用，造成生產(chǎn)工藝復(fù)雜、能耗增加。無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)活塞部位不用油潤(rùn)滑，所生產(chǎn)的壓縮氣體潔凈無(wú)污染，既節(jié)省了大量的潤(rùn)滑油，又可簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝流程，降低能耗，減少環(huán)境污染，是當(dāng)前活塞式壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。隨著各行業(yè)部門的發(fā)展，常要求氣體在壓縮時(shí)不為潤(rùn)滑劑所污染(或根本不允許與潤(rùn)滑油接觸)，例如空分裝置中的氧氣壓縮機(jī)因含有油會(huì)引起燃燒、爆炸，所以這些應(yīng)用場(chǎng)合必須使用無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)。我國(guó)從上世紀(jì)80年代初期就開始研究開發(fā)無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)，但無(wú)油潤(rùn)滑材料的研究發(fā)展相對(duì)滯后，其主要原因之一是無(wú)油潤(rùn)滑活塞環(huán)材料性能達(dá)不到要求，如：（1）耐熱性能差(超過(guò)180℃時(shí)機(jī)械性能急劇下降)；（2）耐壓性能差(高壓下蠕變嚴(yán)重)；（3）耐磨性差(使用壽命短)；（4）熱膨脹系數(shù)大(受熱時(shí)膨脹導(dǎo)致活塞環(huán)與缸體磨損加劇)。高性能活塞環(huán)是保證壓縮機(jī)在一定的使用期內(nèi)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵部件，活塞環(huán)良好的機(jī)械性能、自潤(rùn)滑性能和耐磨性不僅能有效提高壓縮機(jī)工作效率、節(jié)省能耗，而且有更長(zhǎng)的使用壽命。

聚四氟乙烯(PTFE)因?yàn)橛捕鹊汀⒁兹渥?、耐摩擦性能差[1]，需要添加填料以滿足機(jī)械密封的應(yīng)用要求。常用的填料主要有玻璃纖維、石墨、二硫化鉬、青銅粉以及耐高溫的有機(jī)高分子材料[2-3]。無(wú)機(jī)填料與PTFE結(jié)合較差，摩擦磨損時(shí)容易脫落，導(dǎo)致耐磨效果不佳，且易損傷對(duì)偶，機(jī)械加工性能差，限制其極端苛刻工況條件下應(yīng)用。填充PTFE的聚合物需要在燒結(jié)過(guò)程中(360-380℃)保持性能穩(wěn)定，因此只有少數(shù)幾種聚合物如聚醚醚酮(PEEK)、聚苯酯(POB)和聚酰亞胺(PI)才能符合要求。為了改善PTFE材料的摩擦性能，中科院蘭州化學(xué)物理研究所[4]，蘭州理工大學(xué)[5]等采用聚酰亞胺，聚苯酯，聚苯硫醚填充PTFE并研究了其復(fù)合材料的摩擦性能，但其使用的聚酰亞胺為熱塑性聚酰亞胺，在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中會(huì)熔融粘結(jié)變形，導(dǎo)致顆粒分散不勻，最終影響復(fù)合材料性能。賈志寧[6]，黃麗[7]，楊文娟[8]等人以PTFE填充PI，來(lái)改進(jìn)PI的摩擦性能，取得了一些成果。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及環(huán)保要求的越來(lái)越嚴(yán)格，無(wú)油潤(rùn)滑活塞環(huán)在提高使用壽命、降低成本、節(jié)能降噪、凈化氣體及提高運(yùn)行的安全性等方面的優(yōu)越性日趨明顯。從小型到大型，從低壓到高壓都得到應(yīng)用。隨著無(wú)油潤(rùn)滑技術(shù)的發(fā)展，研制出高性能、低成本的無(wú)潤(rùn)滑新材料活塞環(huán)，及應(yīng)用于大容量全無(wú)油壓縮機(jī)將是目前面臨的重大課題。本文作者為開發(fā)無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)用活塞環(huán)，在前期工作的基礎(chǔ)上[9-10]，考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)適用性，擬采用熱固性PI填充改性PTFE，通過(guò)優(yōu)化配方改進(jìn)PTFE/PI復(fù)合材料的性能，為無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)用活塞環(huán)的產(chǎn)業(yè)化打下基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

聚四氟乙烯，懸浮細(xì)粉，浙江巨化股份有限公司，熱固性聚酰亞胺，牌號(hào) SG100P，黃色細(xì)粉，杭州塑盟特科技有限公司，進(jìn)口聚酰亞胺，P84，德國(guó)贏創(chuàng)。聚酰亞胺粉末平均粒徑13μm，1000目。

1.2 試樣和產(chǎn)品制備

成型工藝流程圖見(jiàn)圖1。首先將熱固性聚酰亞胺(SG100P)進(jìn)行預(yù)烘干處理以除去水分，150℃處理2小時(shí)。然后和聚四氟乙烯懸浮粉按一定比例(0, 7%, 15%, 20%)混合，經(jīng)過(guò)高速混料機(jī)攪拌，過(guò)篩，使物料混合均勻。將物料放入模具型腔，室溫下施加45-55MPa的壓力并保壓5-10min，脫模后將成型件放入燒結(jié)爐，按照一定的升降溫工藝進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度曲線見(jiàn)圖1。最后將燒結(jié)后的試件進(jìn)行機(jī)械加工得到成品。

圖1 復(fù)合材料成型工藝流程圖

1.3 性能測(cè)試

拉伸性能：GB/T 1447-2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》。

摩擦性能：GB/T3960-1989《塑料滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)方法》，負(fù)荷：20公斤，轉(zhuǎn)速200r/min。

密度測(cè)定：GB/T1033.1-2008《塑料 非泡沫塑料密度的測(cè)定 第1部分：浸漬法、液體比重瓶法和滴定法》。

邵氏硬度：GB/T2411-2008《塑料和硬橡膠使用硬度計(jì)測(cè)定壓痕硬度(邵氏硬度)》。

成型收縮率：GB/T 15585-1995 《熱塑性塑料注射成型收縮率的測(cè)定》。

2 PTFE/PI復(fù)合材料性能

2.1 摩擦性能

摩擦性能是在負(fù)荷20公斤下，轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分鐘，試樣與45號(hào)鋼進(jìn)行摩擦2小時(shí)得到的結(jié)果，見(jiàn)圖2。

圖2 摩擦性能與PI填充量的變化關(guān)系

由圖2可知，隨著PI用量的增加，摩擦系數(shù)從0.11增加到0.18，遠(yuǎn)低于純PI的0.35[9]，磨耗量隨著PI的加入，迅速下降，從246mg降到3mg左右，減磨效果顯著。這是由于 PI可有效提高復(fù)合材料與鋼環(huán)對(duì)磨時(shí)轉(zhuǎn)移膜與對(duì)偶表面的黏結(jié)強(qiáng)度，促進(jìn)了PTFE復(fù)合材料向?qū)ε急砻娴霓D(zhuǎn)移，從而有利于生成光滑連續(xù)且穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，從而降低了復(fù)合材料的磨損量。同時(shí)，填充PI提高了復(fù)合材料的承載能力，有效阻止了PTFE分子帶狀結(jié)構(gòu)在摩擦剪切應(yīng)力作用下的滑移、斷裂以及大面積破壞，改變了磨屑的形成機(jī)制，從而顯著降低了磨損量[11]。此外，較小的磨屑在摩擦過(guò)程中更容易在接觸區(qū)停留更長(zhǎng)的時(shí)間，降低了材料磨損，保護(hù)了 PTFE基體。填充PI復(fù)合材料硬度和壓縮強(qiáng)度均有所提高，能減少磨粒梨削導(dǎo)致的磨粒磨損，從而復(fù)合材料的耐磨損性能大幅提高。

2.2 拉伸性能

本文研制的復(fù)合材料用于無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)的活塞環(huán)，機(jī)械性能尤其是拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率對(duì)材料的應(yīng)用至關(guān)重要，因此有必要研究配方對(duì)拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下圖。

圖3 拉伸性能隨PI填充量的變化圖

圖3顯示，隨著PI用量的增加，材料拉伸強(qiáng)度從33MPa逐步降低到13.7MPa。當(dāng)PI用量從0增加到15%，伸長(zhǎng)率緩慢下降，從402%下降到311%，保持了不錯(cuò)的拉伸性能，但PI用量增加到20%，此時(shí)復(fù)合材料伸長(zhǎng)率下降明顯，降到了177%，在PI用量在15%的地方出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，說(shuō)明PI%用量不宜超過(guò)15%，否則會(huì)導(dǎo)致伸長(zhǎng)率顯著偏低，進(jìn)而影響到復(fù)合材料實(shí)際使用性能和壽命。PTFE在燒結(jié)過(guò)程中由結(jié)晶逐漸轉(zhuǎn)變成無(wú)定形，分散的單個(gè)樹脂顆粒通過(guò)相互擴(kuò)散熔融粘結(jié)成一個(gè)連續(xù)的整體，PI加入一定程度上破壞了 PTFE分子帶狀結(jié)構(gòu)的形成，使其拉伸強(qiáng)度下降。PI與PTFE結(jié)構(gòu)差別較大，界面之間既無(wú)化學(xué)作用又沒(méi)有強(qiáng)的其他相互作用使填料和基體連接在一起，在拉伸外力作用下，填料兩極處易產(chǎn)生空穴，引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料拉伸性能下降。另外兩種材料熱膨脹系數(shù)不同，在燒結(jié)和冷卻過(guò)程中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，從而易導(dǎo)致兩相界面分離或產(chǎn)生孔隙，降低了復(fù)合材料的拉伸性能[3]。

2.3 熱變形系數(shù)

對(duì)不同PI含量的管狀結(jié)構(gòu)制品，從室溫升高至200℃，測(cè)量其外徑、內(nèi)徑和高度變化，計(jì)算出膨脹率，結(jié)果見(jiàn)下圖。

圖4 熱變形膨脹率與PI填充量的關(guān)系

從圖4可以看出，純PTFE制品隨著溫度的升高，變形較大，當(dāng)填充PI后，膨脹率顯著下降，當(dāng)填充量在15%時(shí)，膨脹率趨于穩(wěn)定。PTFE屬于晶相和非晶相混合物，玻璃化溫度約為115℃，熔點(diǎn)溫度為327℃，線膨脹系數(shù)在塑膠中具有較大值，約在(10～15)×10-5m/(m.k)之間，其線膨脹系數(shù)特點(diǎn)是隨溫升高有明顯增大的現(xiàn)象，因此抗蠕變性差。而 PI屬于芳香族雜環(huán)高分子材料，剛性強(qiáng)，抗蠕變性強(qiáng)，膨脹系數(shù)低(大約在 5×10-5m/(m.k)之間)，因此填充 PI可有效提高材料的抗蠕變性，降低復(fù)合材料的熱變形率。

3 與進(jìn)口產(chǎn)品對(duì)比

綜合上述研究，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)PI填充量在15%時(shí)，復(fù)合材料兼顧了良好的機(jī)械強(qiáng)度和摩擦性能，因此，采用 15%填充量，分別使用國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口PI對(duì)PTFE進(jìn)行改性，其復(fù)合材料性能對(duì)比如表1。

表1 產(chǎn)品性能對(duì)比

如表1所示，采用國(guó)產(chǎn)PI和進(jìn)口PI填充PTFE，進(jìn)行性能對(duì)比，從表中可以看出，除了兩者顏色稍有差別，國(guó)產(chǎn)顏色偏黃，進(jìn)口顏色稍淡，見(jiàn)圖 5。其余性能非常接近，完全可以替代進(jìn)口同類產(chǎn)品，目前該復(fù)合材料已經(jīng)用于制備生產(chǎn)無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)用活塞環(huán)，得到客戶的一致認(rèn)可。

圖5 與進(jìn)口產(chǎn)品對(duì)比圖

4 結(jié)論

（1）采用國(guó)產(chǎn)熱固性聚酰亞胺(SG100P)為填料，通過(guò)金屬粉末冶金法制備不同配比的PTFE/PI復(fù)合材料?？疾炝似淞W(xué)性能與配比的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著PI填充量的提高，拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均下降。

（2）PI能顯著改善PTFE的耐磨性能(磨損量降低百倍)，且摩擦系數(shù)稍微上升。填充 PI可有效降低材料熱變形膨脹率。PI填充量為15%時(shí)，復(fù)合材料綜合性能最優(yōu)。

（3）與進(jìn)口PI進(jìn)行了填充PTFE對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料性能非常接近，為替代進(jìn)口生產(chǎn)無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)活塞環(huán)打下基礎(chǔ)。

[1] 錢知勉,包永忠.氟塑料加工與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

[2] 袁海根,曾金芳,楊杰.聚四氟乙烯改性研究進(jìn)展[J].塑料工業(yè),2005,33(8):7-10.

[3] 謝剛,蔡立芳,黃承亞.聚苯酯填充聚四氟乙烯復(fù)合材料力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的研究[J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用,2007(4): 27-29.

[4] 趙普,劉近朱,王齊華等.聚苯酯、聚酰亞胺填充聚四氟乙烯復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能研究[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào).2003,21(6): 851-854.

[5] 陳扶東,龔俊.不同填料填充 PTFE復(fù)合材料的力學(xué)及摩擦磨損性能[J].潤(rùn)滑與密封. 2014, 39(5): 13-16,46.

[6] 賈志寧,閆艷紅,郝彩哲.PTFE填充 PI基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能[J].塑料. 2014, 43(5): 54-57.

[7] 黃麗,徐定宇,程紅原.聚酰亞胺/聚四氟乙烯合金共混工藝的研究[J]. 高分子材料科學(xué)與工程. 1999, 15(3): 81-84.

[8] 楊文娟,馬少波,解挺等.聚酰亞胺對(duì)聚四氟乙烯基自潤(rùn)滑復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響[J].軸承. 2009, 3: 26-29 .

[9] 王銳蘭,楊培娟,查道鑫,黃健.熱固性聚酰亞胺/石墨復(fù)合材料性能[J]. 塑料. 2013, 42(4): 90-93.

[10] 楊培娟,黃賀.汽車用止推墊圈成型工藝研究[J]. 汽車實(shí)用技術(shù).2016, 1: 83-85.

[11] 高貴,王宏剛,任俊芳,陳生圣.有機(jī)填料填充聚四氟乙烯復(fù)合材料摩擦學(xué)及力學(xué)性能[J]. 潤(rùn)滑與密封. 2014, 39(6):81-8.

Study on the Piston Ring of the Oilless lubrication compressor

Yang Peijuan, Lou Jingchao
（Zhejiang Economic & Trade Polytechnic, Zhejiang Hangzhou 310018）

Polytetrafluoroethylene (PTFE)/ polyimide (PI) composite with different content were prepared by powder metallurgic method, using PTFE as a matrix, PI as a filler. The effects of PI content on the properties of PTFE/PI composite material were investigated. Compared to pure PTFE, the wear resistance of PTFE/PI composite material improved two orders of magnitude. The results showed that the tensile strength and elongation of the material decreased as increasing the PI content. The thermal expansion decreased with the PI content. At last, comparing with the properties of the PTFE/PI composites by using SG100P (made in China) and P84 (Germany) as the filler individually, SG100P can substitute for the import (P84) to produce the piston rings of the oilless lubrication compressor.

Oilless Lubrication; Piston Ring; PTFE; Polyimide; Tribology

TQ323.7

A

1671-7988(2017)22-52-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.018

楊培娟，講師，就職于浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院從事汽車新材料和技術(shù)研究。本文為 2017年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃。

2017年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃(項(xiàng)目編號(hào)：2017R443006)。

CLC NO.:TQ323.7

A

1671-7988(2017)22-52-04