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(yīng)用評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200437)

0 前言

聚酮(PK)是由α-烯烴和一氧化碳(CO)線(xiàn)性交替聚合的結(jié)晶性熱塑性工程塑料, 它的熔點(diǎn)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(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，是一種可光降解的綠色高分子材料，對(duì)環(huán)境無(wú)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(duì)較高，在0.50左右[7]，與現(xiàn)有自潤(rùn)滑工程塑料相比，其減摩性能還有待提高。目前，關(guān)于PK在減摩、耐磨改性方面的研究報(bào)道較少，為了進(jìn)一步拓寬PK環(huán)保型高分子材料的應(yīng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PK摩擦磨損性能以及力學(xué)性能的影響，并探討其作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PK,M630A，韓國(guó)曉星集團(tuán)；

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(rùn)滑油，長(zhǎng)城L-HM 46抗磨液壓油，中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

高速混合機(jī)，SHR-25A，張家港通沙塑料機(jī)械公司；

雙螺桿擠出機(jī)，AK36，南京科亞成套裝備有限公司；

摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，135/305，瑞士阿穆斯朗試驗(yàn)機(jī)有限公司；

萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，CMT5305，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司；

注塑機(jī)，JW-120S，臺(tái)灣綜偉塑機(jī)有限公司。

1.3 試樣制備

各組試樣主要配方見(jiàn)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(fù)合材料配方 %

各種原料按照配方稱(chēng)量后，通過(guò)高速混合機(jī)混合均勻，并采用雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，得到改性PK，再通過(guò)注塑機(jī)注塑成標(biāo)準(zhǔn)試樣。

1.4 性能測(cè)試

按照GB/T 1040.2—2006 《塑料 拉伸性能的測(cè)定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗(yàn)條件》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。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(cè)定》進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。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(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)方法》進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。磨損試樣尺寸為6 mm×7 mm×30 mm。試驗(yàn)條件為：負(fù)荷245 N，線(xiàn)速度0.41 m/s，時(shí)間2 h，摩擦行程3 024 m，對(duì)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(jì)測(cè)定壓痕硬度(邵氏硬度)》進(jìn)行硬度測(cè)試，試樣直徑為50 mm,壁厚為4 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PK復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

PK復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 PK復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度

由圖1可以看出：隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PK復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。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(diǎn)為327 ℃，在PK復(fù)合材料擠出加工過(guò)程(溫度為230 ℃)中，PTFE微粉無(wú)法熔融分散，而是宏觀分散在復(fù)合材料體系中；在拉伸過(guò)程中PTFE微粉形成應(yīng)力集中點(diǎn)，在復(fù)合材料受到拉應(yīng)力時(shí)，PTFE微粉與基體PK樹(shù)脂容易發(fā)生剝離，造成拉伸強(qiáng)度下降[8]，且隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，應(yīng)力集中點(diǎn)增加，因此拉伸強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。

PK復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和硬度隨PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。由圖2可以看出：隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PK復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和硬度均呈下降趨勢(shì)。這主要是由于PTFE材料本身的壓縮強(qiáng)度在30 MPa、邵氏D硬度為55HD，而PK的壓縮強(qiáng)度為82 MPa、邵氏D硬度為80HD，在PTFE微粉填充PK的擠出改性過(guò)程中，兩者未發(fā)生化學(xué)結(jié)合，因此填充PTFE微粉后，隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料體系中低強(qiáng)度和低硬度材料比例變多，復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度、硬度隨之下降。

(a) 壓縮強(qiáng)度

2.2 PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PK復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響

PK復(fù)合材料在干摩擦條件下的摩擦磨損性能隨PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。由圖3可以看出：隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PK復(fù)合材料在干摩擦條件下的摩擦因數(shù)呈下降趨勢(shì)，這主要是由于PTFE材料本身具有優(yōu)異的自潤(rùn)滑性能，且金屬對(duì)偶件的硬度和強(qiáng)度遠(yuǎn)大于PTFE，在摩擦力的作用下，PTFE大分子脫落轉(zhuǎn)移到摩擦對(duì)偶件上，形成了一層轉(zhuǎn)移膜，進(jìn)而降低了復(fù)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(fù)合材料對(duì)偶面的掃描電鏡(SEM)圖。由圖4可以看出：隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，對(duì)偶面的轉(zhuǎn)移膜逐漸變多且連續(xù)，并在PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)轉(zhuǎn)移膜最多且連續(xù)(見(jiàn)圖4(d));當(dāng)PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，對(duì)偶面的轉(zhuǎn)移膜較PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)少(見(jiàn)圖4(e))。結(jié)合圖3、圖4可以看出PK復(fù)合材料在干摩擦條件下的磨痕寬度與PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系:PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)復(fù)合材料的磨痕寬度最小，且隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PK復(fù)合材料的磨痕寬度基本呈下降趨勢(shì)，這說(shuō)明對(duì)偶面上轉(zhuǎn)移膜存在抵抗了外界摩擦力的作用，進(jìn)而降低了PK復(fù)合材料的磨痕寬度。

(a) 1#

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

圖5 干摩擦條件下1#對(duì)偶面能譜和SEM圖

圖6為在干摩擦條件下4#PK復(fù)合材料對(duì)偶面能譜和SEM圖。由圖6可以看出：4#PK復(fù)合材料轉(zhuǎn)移膜中含有F元素，說(shuō)明在摩擦過(guò)程中PTFE在對(duì)偶面上形成了轉(zhuǎn)移膜，減小了材料的磨損。

圖6 干摩擦條件下4#PK復(fù)合材料對(duì)偶面能譜和SEM圖

圖7為在干摩擦條件下4#PK復(fù)合材料的SEM圖。

圖7 干摩擦條件下4#PK復(fù)合材料的SEM圖

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

PK復(fù)合材料在油潤(rùn)滑條件下的摩擦磨損性能隨PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖8。由圖8可以看出：相比在干摩擦條件下，PK復(fù)合材料在油潤(rùn)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(guò)程中，在潤(rùn)滑油和PTFE的協(xié)同作用下，摩擦副表面形成了穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜，降低材料的摩擦因數(shù)。

(a) 摩擦因數(shù)

圖9為在油潤(rùn)滑條件下4#PK復(fù)合材料對(duì)偶面能譜和SEM圖。由圖9可以看出：在油潤(rùn)滑條件下，對(duì)偶面無(wú)F元素，這說(shuō)明在油潤(rùn)滑條件下PTFE并未轉(zhuǎn)移或很少轉(zhuǎn)移至對(duì)偶面上，PK復(fù)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(fù)合材料和對(duì)偶件的直接接觸，同時(shí)由于潤(rùn)滑油的存在，摩擦?xí)r所產(chǎn)生的熱量能夠快速并及時(shí)散出降低了復(fù)合材料體系的溫度[9]，減小了材料壓縮強(qiáng)度隨溫度升高而下降的趨勢(shì)，提高了復(fù)合材料的抗壓能力，因此PK復(fù)合材料的在油潤(rùn)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(rùn)滑條件下4#PK復(fù)合材料對(duì)偶面能譜和SEM圖

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PK復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度及邵氏硬度隨之下降。

(2) 在干摩擦條件下，隨著PTFE微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PK復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨痕寬度基本呈下降趨勢(shì)，在PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，轉(zhuǎn)移膜最連續(xù)，磨痕寬度最小，磨損過(guò)程以黏著磨損為主。

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