張彩霞，孫亞楠，方 偉，王 林

(國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司煤炭化學(xué)工業(yè)技術(shù)研究院，寧夏 銀川 750411)

聚甲醛樹脂，簡稱POM，是一種熱塑性工程塑料，其規(guī)整的分子鏈構(gòu)型使POM熔融加工時結(jié)晶速度快，結(jié)晶度高（約80%左右），這賦予了POM十分優(yōu)異的機(jī)械性能，是工程塑料中機(jī)械性能最接近金屬材料的品種之一，因此在很多領(lǐng)域里可以替代鋼鐵、銅、鋅、鋁等金屬材料[1]。POM具有高強(qiáng)度、高剛性、耐蠕變、耐疲勞、耐油、耐化學(xué)品、自潤滑、電性能和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于工業(yè)機(jī)械、汽車、電子電器、農(nóng)業(yè)、輕工、化工、建材、水利、農(nóng)林灌溉、機(jī)器人關(guān)節(jié)、日用消費(fèi)品等領(lǐng)域[2]。但是隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，下游用戶對聚甲醛的耐磨性能提出了更高的要求，即高耐磨、低磨耗，以及滿足經(jīng)濟(jì)實(shí)用化要求。

為了制備出高耐磨、低磨耗聚甲醛，通常有兩個途徑，一是降低POM的摩擦系數(shù)，二是提高聚甲醛的硬度。但在實(shí)際制備生產(chǎn)工藝中需要二者有機(jī)結(jié)合，才能保持聚甲醛的基本物性不降低，而耐磨性得到大幅提升。

通過實(shí)驗(yàn)研究，聚四氟乙烯（簡稱PTFE）或超高分子量聚乙烯（牌號UPE120）及其他化學(xué)助劑與聚甲醛原料經(jīng)物理或化學(xué)改性，能夠制備成高耐磨聚甲醛復(fù)合材料，并通過性能測試與應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

POM：MC90，國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司聚甲醛裝置；聚四氟乙烯（PTFE），白色粉末，三葉科技公司；超高分子量聚乙烯，UPE120，白色粉末，市售；三劑為自制，即2份抗氧劑、1份吸酸劑和1份潤滑劑均勻混合而成。

1.2 儀器與設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)，ZSK26型，科倍隆公司；注塑機(jī)，BT80V-Ⅱ，上海博創(chuàng)；鼓風(fēng)干燥箱DHG-9245A，上海慧泰；高攪機(jī)，YD-1，富溢達(dá)機(jī)械公司；萬能材料試驗(yàn)機(jī)，5966，英斯特朗公司；沖擊試驗(yàn)機(jī)，9050，意大利CEAST公司；熔融指數(shù)儀， MF50，CEAST公司；硬度儀，RB2000，英斯特朗公司；差式掃描量熱儀，DSC214，德國耐馳公司；耐磨試驗(yàn)機(jī)，M-200，北京精儀公司；熱變形維卡試驗(yàn)機(jī)，40-197-100，德國Coesfeld。

1.3 耐磨改性樣品的制備

將POM、PTFE及UPE120置于真空烘箱中，于85℃下真空干燥4 h。實(shí)驗(yàn)按表1配料表稱量POM、PTFE、UPE120，以及聚甲醛的三劑，每個樣品總計5kg。每樣充分混合均勻后，加入到雙螺桿擠出機(jī)的主喂料器中進(jìn)行熔融共混。具體實(shí)驗(yàn)條件為：擠出機(jī)入口溫度控制165℃，模頭溫度控制195℃，熔融混煉段控制在200℃左右[3]。

表1 復(fù)合材料的配料組成(%)Table 1 Ingredients for composite materials(%)

實(shí)驗(yàn)擠出制備的復(fù)合材料經(jīng)注塑機(jī)制成啞鈴形測試樣條(L×W×T=160mm×10mm×4mm)和矩形測試樣條(L×W×T=80mm×10mm×4mm)，放置在恒溫恒濕箱中狀態(tài)調(diào)節(jié)48h，溫度23±2 ℃，相對濕度（50±5）%，消除應(yīng)力集中后用于實(shí)驗(yàn)測試[4]。本實(shí)驗(yàn)按照ISO178、ISO 179、ISO 180等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對樣品進(jìn)行性能測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

拉伸速率為50mm/min，耐磨聚甲醛復(fù)合材料的拉伸性能與熔融指數(shù)測試數(shù)據(jù)列于表2。

表2 拉伸性能與熔融指數(shù)Table 2 Tensile properties and melting index

彎曲測試速率為2mm/min，沖擊強(qiáng)度為簡支梁V型缺口沖擊強(qiáng)度，缺口深度2mm，擺錘0.5J，測試數(shù)據(jù)列于表3。

表3 彎曲性能與沖擊強(qiáng)度Table 3 Bending properties and impact strength

由表2和表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，1#樣品拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量與未改性聚甲醛純料0#樣品基本相當(dāng)，但是斷裂應(yīng)變和沖擊強(qiáng)度下降幅度較大；而2#樣品的強(qiáng)度和韌性比1#樣品下降幅度更大。3#、4#樣品強(qiáng)度比0#略有降低，韌性下降幅度不大，說明聚四氟乙烯（PTFE）添加量5%～10%左右對聚甲醛的力學(xué)性能影響不大。

1#～4#樣品的質(zhì)量熔融指數(shù)略有下降，約10%左右，故對加工性能影響不大，主要原因?yàn)楦男詫?shí)驗(yàn)中添加了0.4%的三劑，抗氧劑和吸酸劑有效降低了改性實(shí)驗(yàn)過程中的熱降解反應(yīng)，潤滑劑降低了耐磨助劑與聚甲醛樹脂的摩擦阻力。

2.2 耐磨性能

采用M-200型磨損試驗(yàn)機(jī)，在20kg負(fù)荷、200r/min轉(zhuǎn)速下對磨2h。測試結(jié)果見表4。

表4 復(fù)合材料的耐磨性能Table 4 Wear resistance of composite materials

由表4看出，1#樣品摩擦系數(shù)和磨耗/磨損比0#略有降低；2#樣品摩擦系數(shù)和磨耗/磨損降幅較大；3#、4#樣品摩擦系數(shù)和磨耗/磨損降幅較大。由實(shí)驗(yàn)可知相同添加量的PTFE比UPE120的耐磨改性效果更好，說明PTFE是聚甲醛的優(yōu)良耐磨改性助劑。

1#和2#樣品的硬度相對0#提高幅度不大，而3#和4#樣品的硬度相對0#提高較大。主要原因是PTFE是一種以四氟乙烯作為單體聚合制得的高分子聚合物，摩擦系數(shù)極低，耐磨性非常強(qiáng)，PTFE俗稱塑料王。

2.3 耐熱性能

熱變形溫度是衡量高分子材料耐熱性優(yōu)劣的一種量度。根據(jù)ISO 75對實(shí)驗(yàn)樣條施加1.8MPa負(fù)荷，加熱介質(zhì)以120 ℃/h速率升溫，當(dāng)樣條達(dá)到0.36mm撓度形變時，記錄所對應(yīng)的溫度。氧化誘導(dǎo)期是測定試樣在高溫及高氧條件下開始發(fā)生自動催化氧化反應(yīng)的時間，是評價材料在成型加工、儲存、焊接及使用中耐熱降解能力的指標(biāo)[5]。通過差式掃描量熱儀（DSC）對樣品進(jìn)行氧化誘導(dǎo)期測試，測出230℃恒溫條件下聚甲醛樣品氧化的起始時間。測試結(jié)果見表5。

表5 復(fù)合材料的耐熱性能Table 5 Heat resistance of composite materials

由實(shí)驗(yàn)可知，1#～4#樣品的熱變形溫度均高于0#樣品，說明經(jīng)過PTFE和UPE120改性的聚甲醛耐熱性更加優(yōu)異；1#～4#樣品的氧化誘導(dǎo)期均比0#樣品更持久，說明經(jīng)過PTFE和UPE120改性的聚甲醛樣品在成型加工、儲存和使用中耐熱降解能力更強(qiáng)。其中PTFE優(yōu)于UPE120，主要原因是PTFE比UPE120具有更高的耐熱性能，PTFE原料可在-180～260 ℃長期使用。

3 結(jié)論

（1）聚四氟乙烯（PTFE）和超高分子量聚乙烯（UPE120）都可以用來對聚甲醛進(jìn)行耐磨改性，不僅可以提高聚甲醛的強(qiáng)度和硬度，還可以提高耐熱性和耐分解能力。但是添加PTFE或UPE120的耐磨聚甲醛樣品韌性均有所下降，其中UPE120改性的耐磨聚甲醛復(fù)合材料韌性下降幅度較大，說明對韌性要求較高的耐磨聚

（2）聚四氟乙烯（PTFE）和超高分子量聚乙烯（UPE120）都可以降低聚甲醛的表面摩擦系數(shù)，提高產(chǎn)品硬度，進(jìn)而降低由摩擦造成的磨損或磨耗，其中PTFE改性聚甲醛略優(yōu)于UPE120改性的耐磨聚甲醛。

（3）超高分子量聚乙烯（UPE120）是相對分子量在100萬以上的聚乙烯，具有優(yōu)良的耐磨性能，同時由于UPE120的硬度和耐熱性低于PTFE，致使UPE120耐磨改性效果略低于PTFE。但是通常UPE120的售價較低，僅為PTFE的30%～50%，對于耐磨性能要求不是特別高的產(chǎn)品，UPE120耐磨改性聚甲醛具有一定的市場應(yīng)用。而PTFE改性聚甲醛可以應(yīng)用于對耐磨性能要求很高的領(lǐng)域，即高耐磨產(chǎn)品，如工業(yè)機(jī)械零件、傳動部件和機(jī)器人關(guān)節(jié)等。