何俊惠，莊彩虹，徐文欽，陳志雄

(1.福建龍溪軸承(集團(tuán)) 股份有限公司，福建 漳州 363000；2.福建省關(guān)節(jié)軸承企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 漳州 363000)

PTFE纖維是一種綜合性能優(yōu)異的高分子材料，具有耐化學(xué)腐蝕、耐高低溫性能極佳以及摩擦因數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)[1-4]，但是PTFE纖維不耐磨損，在自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承上應(yīng)用時(shí)常與耐磨的高分子纖維如Kevlar，Nomex，玻璃纖維等復(fù)合編織成PTFE織物使用[3]。而PTFE纖維的高結(jié)晶度和非極性使其具有非常低的表面能，造成PTFE纖維浸潤(rùn)性差，與其他材料的黏接性差[5-6]， PTFE織物直接應(yīng)用于關(guān)節(jié)軸承上可能會(huì)影響自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承壽命以及PTFE織物自潤(rùn)滑襯墊與金屬基材的剝離強(qiáng)度，導(dǎo)致襯墊存在質(zhì)量缺陷。

目前，用于改善PTFE織物浸潤(rùn)性的表面改性方法有多種，如化學(xué)溶液處理、硅烷偶聯(lián)劑改性、等離子體處理、輻射處理等[4,7-8]。其中等離子體處理方法具備操作簡(jiǎn)單，處理溫度低，處理時(shí)間短，污染小，改性效果顯著等特點(diǎn)，適合大規(guī)模纖維織物的處理，可實(shí)現(xiàn)量化生產(chǎn)，是處理纖維織物的有效手段[9-11]。等離子體處理的原理是在真空狀態(tài)下給氣體施加電場(chǎng)，使氣體從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體狀態(tài)(包括電子、離子、光子和各類(lèi)自由基等活性粒子)，利用等離子體中的大量活性粒子轟擊材料表面，將能量傳遞給材料的表層分子，使材料發(fā)生熱蝕、交聯(lián)、降解和氧化反應(yīng)并在表面產(chǎn)生大量自由基或引進(jìn)某些極性基團(tuán)，從而優(yōu)化材料表面性能[12]。

本文利用等離子體對(duì)PTFE織物表面進(jìn)行改性處理并浸漬到樹(shù)脂中制成PTFE織物自潤(rùn)滑襯墊，研究等離子體改性對(duì)PTFE織物與樹(shù)脂的浸潤(rùn)性以及PTFE織物自潤(rùn)滑襯墊整體強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度和摩擦磨損性能的影響。

1 試樣及試驗(yàn)條件

采用某軸承企業(yè)自行研制的某PTFE織物進(jìn)行試驗(yàn)，織物由PTFE纖維和Kevlar纖維編織而成。采用LSFS-P-2000D型等離子體處理設(shè)備對(duì)PTFE織物進(jìn)行低溫等離子體處理，處理氣體為N2與H2，處理室真空度為30 Pa，處理時(shí)間為20 min，處理功率為4 000 W。通過(guò)一定的制備工藝將經(jīng)過(guò)等離子體處理的PTFE織物浸漬樹(shù)脂制成PTFE織物自潤(rùn)滑襯墊。

選用某軸承企業(yè)制造的GE30ET-2RS關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行襯墊剝離強(qiáng)度及摩擦磨損壽命試驗(yàn)，該軸承外圈材料為GCr15，熱處理硬度為54～60 HRC，內(nèi)圈材料為GCr15，熱處理硬度為58～64 HRC，軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GE30ET-2RS關(guān)節(jié)軸承Fig.1 GE30ET-2RS spherical plain bearing

2 等離子體處理對(duì)PTFE織物表面親水性及浸潤(rùn)性的影響

采用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試等離子體處理前、后PTFE織物與水的接觸角，結(jié)果如圖2所示。

圖2 等離子體處理前后PTFE織物與水的接觸角Fig.2 Contact angle between PTFE fabric and water before and after plasma treatment

圖2a為未經(jīng)等離子體處理的PTFE織物，其與水的接觸角為135.9°；圖2b為經(jīng)過(guò)等離子體處理20 min后的PTFE織物，其與水的接觸角為91.8°。對(duì)比兩圖可以看出，經(jīng)過(guò)等離子體處理后的PTFE織物與水的接觸角相較于未處理明顯變小，表明PTFE織物經(jīng)等離子體處理后親水性明顯改善。

將未處理和經(jīng)等離子體處理后的PTFE織物制成襯墊，超景深顯微鏡下兩種襯墊表面形貌放大50倍后如圖3所示。對(duì)比兩圖可以看出，未處理的織物表面較多纖維裸露，而經(jīng)過(guò)表面處理后織物表面樹(shù)脂包裹嚴(yán)實(shí)。PTFE織物由PTFE纖維和Kevlar纖維編織而成， Kevlar纖維親水性較好，比較容易浸漬樹(shù)脂，大部分的樹(shù)脂只包裹在Kevlar纖維表面，而PTFE親水性差，導(dǎo)致PTFE纖維表面樹(shù)脂浸漬效果較差，所以未處理的織物表面較多纖維裸露。而織物經(jīng)過(guò)等離子體處理后，織物上的PTFE纖維表面能提高，親水性明顯改善，與樹(shù)脂之間的結(jié)合能力增強(qiáng)，所以織物浸漬樹(shù)脂后，包裹在織物上的樹(shù)脂較為完整、連續(xù)，即織物與樹(shù)脂間的浸潤(rùn)效果明顯改善。

圖3 等離子體處理前后PTFE織物襯墊的浸潤(rùn)情況Fig.3 Wetability of PTFE fabric liner before and after plasma treatment

綜上，說(shuō)明等離子體處理技術(shù)可以改善織物親水性，進(jìn)而增強(qiáng)其與樹(shù)脂之間的浸潤(rùn)性。

3 等離子體處理對(duì)PTFE織物襯墊性能的影響

3.1 PTFE織物襯墊的整體強(qiáng)度

參照GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強(qiáng)力的測(cè)定 鋼球法》進(jìn)行PTFE織物襯墊頂破強(qiáng)力試驗(yàn)，環(huán)形夾持器內(nèi)徑為45 mm±0.5 mm，頂桿拋光鋼球直徑為25 mm，試驗(yàn)機(jī)速度為300 mm/min，每組試驗(yàn)試樣數(shù)不少于5個(gè) ，試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 頂破強(qiáng)力試驗(yàn)裝置圖Fig.4 Experimental equipment of bursting strength test

未處理PTFE織物襯墊與等離子體處理PTFE織物襯墊頂破試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1：經(jīng)等離子體處理的PTFE織物襯墊的平均頂破強(qiáng)力是未處理PTFE織物襯墊的1.59倍，說(shuō)明經(jīng)等離子體處理的PTFE織物襯墊整體強(qiáng)度提高，在外力作用下能夠承受較大的頂破變形。

表1 PTFE織物襯墊頂破強(qiáng)力試驗(yàn)結(jié)果

3.2 PTFE織物襯墊的剝離強(qiáng)度

采用UTM5505型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行剝離測(cè)試，即將自潤(rùn)滑襯墊從軸承試樣的外圈內(nèi)球面上剝離下來(lái)，測(cè)試參照GJB 5502—2005 《低速擺動(dòng)自潤(rùn)滑向心關(guān)節(jié)軸承規(guī)范》進(jìn)行，其中剝離的襯墊與粘貼面成140°±40°，剝離速度為0.317 mm/s，有效剝離長(zhǎng)度不小于 40 mm，剝離方式如圖5所示，每組剝離試驗(yàn)至少制作6個(gè)試件，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

圖5 PTFE織物襯墊剝離強(qiáng)度測(cè)試Fig.5 Peel strength test of PTFE fabric liners

PTFE織物襯墊剝離強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2：未處理襯墊平均剝離強(qiáng)度為0.46，經(jīng)等離子體處理后襯墊平均剝離強(qiáng)度為0.95，是未處理襯墊的2.07倍。因此，等離子體處理可以極大地提高襯墊的剝離強(qiáng)度。

3.3 PTFE織物襯墊的摩擦磨損壽命

采用SPB-5A型恒載壽命試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行襯墊摩擦磨損壽命試驗(yàn)，動(dòng)載荷為53.5 kN(90 MPa)，內(nèi)圈擺動(dòng)角度為±30°，頻率為1.2 Hz，試驗(yàn)機(jī)示意圖如圖6所示，每組試驗(yàn)至少制作3個(gè)試件，試驗(yàn)周期為全壽命，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

表2 PTFE織物襯墊剝離強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

1—陪試軸承座；2—被試軸承座；3—位移測(cè)量?jī)x；4—關(guān)節(jié)軸承外圈；5—關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈；6—自潤(rùn)滑襯墊。

襯墊摩擦磨損壽命試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。未處理PTFE織物襯墊的平均壽命為375 h，而經(jīng)等離子體處理后織物襯墊的平均壽命為621 h，是未處理織物襯墊軸承的1.66倍。因此，經(jīng)等離子體處理后的PTFE織物襯墊的壽命水平大幅提高。

表3 PTFE織物襯墊摩擦磨損壽命測(cè)試結(jié)果

3.4 小結(jié)

未經(jīng)等離子體處理的PTFE織物表面的樹(shù)脂與織物之間的結(jié)合力較弱，樹(shù)脂無(wú)法完整地包裹織物纖維，在試驗(yàn)過(guò)程中樹(shù)脂層容易剝落，樹(shù)脂未對(duì)襯墊起到增強(qiáng)及耐磨作用。經(jīng)等離子體處理的織物與樹(shù)脂之間的結(jié)合力提高，樹(shù)脂完整地包裹織物表面，織物與樹(shù)脂之間的浸潤(rùn)性良好，樹(shù)脂更好地浸入纖維束之間，增強(qiáng)了襯墊的抗承載能力。因此，經(jīng)過(guò)等離子體處理的PTFE織物襯墊的整體強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度和耐磨性均得到提高，進(jìn)而提高了襯墊的整體壽命。

4 結(jié)論

研究了等離子體表面改性對(duì)PTFE織物與樹(shù)脂的浸潤(rùn)性以及PTFE織物自潤(rùn)滑襯墊整體強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度和摩擦磨損性能的影響，得到如下結(jié)論：

1)經(jīng)等離子體表面改性后，PTFE織物與水的接觸角由135.9°降低到91.8°，織物的親水性明顯提高，織物與樹(shù)脂間的浸潤(rùn)性更好；

2)經(jīng)等離子體表面改性后，PTFE織物襯墊的平均頂破強(qiáng)力為未處理襯墊的1.59倍，襯墊的整體強(qiáng)度提高；

3)經(jīng)等離子體表面改性后，PTFE織物襯墊的平均剝離強(qiáng)度為未處理襯墊的2.07倍，樹(shù)脂與織物結(jié)合力更強(qiáng)；

4)經(jīng)等離子體表面改性后，PTFE織物襯墊的平均壽命為未處理襯墊的1.66倍，襯墊的耐磨性提高。