氧化鋁填充改性聚四氟乙烯軟管研究

戴旭陽(yáng)，周生泰，姚興磊，李俊杰

(上海長(zhǎng)園電子材料有限公司，上海 201802)

氧化鋁填充改性聚四氟乙烯軟管研究

戴旭陽(yáng)，周生泰，姚興磊，李俊杰

(上海長(zhǎng)園電子材料有限公司，上海 201802)

利用VHX-5000型超景深三維顯微系統(tǒng)觀察填充了不同種類AL2O3的PTFE薄壁軟管的管壁及磨屑，直觀地觀察了粒子在PTFE中的分布情況;利用CYNM-01型模擬換擋測(cè)試系統(tǒng)對(duì)制品的摩擦壽命進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑處理后的納米AL2O3制得制品的外觀光滑，而且提高了其摩擦壽命。

AL2O3；PTFE；摩擦磨損

聚四氟乙烯(PTFE)作為一種高分子自潤(rùn)滑材料以其極低的摩擦系數(shù)及優(yōu)異的耐候性被廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、電子等行業(yè)，帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1-2]。但PTFE材料也有如蠕變大、不耐磨損等缺點(diǎn)，為了克服此類缺點(diǎn)，近年來(lái)材料工作者進(jìn)行了很多研究，有研究表明P T F E中加入石墨 、玻璃纖維、青銅粉及碳纖維等，可以顯著提高其強(qiáng)度、硬度及 耐磨性，但諸多研究復(fù)合材料大多是制成塊狀，相對(duì)于實(shí)際工程評(píng)估則不方便。筆者采用分散PTFE樹(shù)脂，填充無(wú)機(jī)粒子，制得壁厚0.4mm的套管，研究了填料的種類、分散狀態(tài)和力學(xué)性能評(píng)估，并通過(guò)模擬臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)其摩擦磨損性能進(jìn)行了研究，具有較好的生產(chǎn)指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

基材：牌號(hào)F-201，大金氟化工

填料：微米級(jí)氧化鋁(AL2O3)，平均粒徑45-50μm，深圳晶材； 納米級(jí)AL2O3，平均粒徑20-30nm，深圳晶材；偶聯(lián)劑處理氧化鋁，深圳晶材。

助推劑：市售

1.2 加工設(shè)備

混料設(shè)備：攪拌機(jī)CYHL-01，自制；預(yù)成型設(shè)備：制胚專用壓力機(jī)CYYL-03，自制；擠出燒結(jié)設(shè)備：CYTFL-06，自制。

1.3 檢測(cè)設(shè)備

斷面放大檢測(cè)：超景深三維顯微系統(tǒng)VHX-5000，基恩士，用于觀察制品管壁和磨屑形態(tài)；力學(xué)測(cè)試：微機(jī)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)CMT-6503，新三思，標(biāo)準(zhǔn)GB/T1040-2006；壽命測(cè)試：模擬換擋測(cè)試系統(tǒng)CYNM-01，自制，用于工程評(píng)估制品壽命和摩擦次數(shù)。

1.4 試樣制備

將一定質(zhì)量的氧化鋁填料、PTFE粉末、助推劑同時(shí)倒入V型攪拌機(jī)，按照質(zhì)量份數(shù)比為3:100:30在轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/分的速度下?lián)u勻20min；所得混合物在室溫下靜置24小時(shí)熟化；將熟化后的粉末裝入預(yù)成型料腔中以2～5MPa的壓力進(jìn)行預(yù)壓制坯；將預(yù)成型后的胚料裝入擠出機(jī)，通過(guò)模具后進(jìn)行糊膏擠出；再經(jīng)過(guò)助劑揮發(fā)、管體燒結(jié)等工藝后得出制品。對(duì)所得制品進(jìn)行外觀、性能分析。

表1 不同AL2O3添加改性PTFE制品代碼

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 外觀評(píng)價(jià)

表2 不同AL2O3添加改性PTFE制品的外觀

圖1 不同AL2O3添加改性PTFE制品的顯微鏡照片

從表2中可以看出，微米級(jí)的氧化鋁填充后其制品外觀比納米級(jí)的要差；硅烷偶聯(lián)劑處理的納米氧化鋁填充的制品外觀較未處理的納米氧化鋁的制品外觀要好。從高倍顯微鏡的照片來(lái)看微米級(jí)粒子顆粒較大，在分散時(shí)不能完全分散，通過(guò)擠出后管材表面粗糙甚至破損。C、D為納米級(jí)填料，但由于C未經(jīng)偶聯(lián)處理，納米粒子極易團(tuán)聚，其起到的效果類似于微米級(jí)粒子，因此表明狀態(tài)略差，而經(jīng)過(guò)表面處理的納米粒子減少了團(tuán)聚幾率，與PTFE的結(jié)合較為穩(wěn)定，這也解釋了微米級(jí)粒子填充后制品粗糙，偶聯(lián)后的納米粒子填充制品表面光滑的原因。

2.2 力學(xué)測(cè)試評(píng)估

表3 不同AL2O3添加改性PTFE制品的力學(xué)強(qiáng)度

從表3可以看出，微米級(jí)粒子填充后制品的拉伸強(qiáng)度低于純PTFE管材，納米級(jí)粒子填充后的制品力學(xué)性能高于純的PTFE管材，特別是偶聯(lián)處理的納米粒子其制品拉伸強(qiáng)度最高。這是由于微米級(jí)粒子由于粒徑較大，與PTFE的相容性較差，添加到PTFE中減弱了PTFE大分子鏈的分子間作用力，在擠出的過(guò)程中，類似于雜質(zhì)，不僅沒(méi)有起到補(bǔ)強(qiáng)作用，反而產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)降低力學(xué)強(qiáng)度；而納米粒子粒徑小，與PTFE的相容性較好，小粒徑納米粒子的加入起到了補(bǔ)強(qiáng)的作用。由于納米粒子粒徑小, 表面能大, 因此容易發(fā)生團(tuán)聚,所以需要進(jìn)行表面處理， 降低粒子的表面能態(tài), 提高粒子與有機(jī)相的親和力, 減弱粒子的表面極性等, 增加納米粒子與聚合物的界面結(jié)合力[3-4]。制品的力學(xué)性能結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。

2.3 摩擦性能評(píng)估

表4 不同AL2O3添加改性PTFE制品的摩擦測(cè)試

摩擦是兩個(gè)相互接觸的固體表面產(chǎn)生滑動(dòng)或滾動(dòng)時(shí)所遇到的阻力，當(dāng)兩個(gè)接觸物體發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，對(duì)其中一對(duì)象來(lái)說(shuō)，與運(yùn)動(dòng)方向相反的切向阻力叫做摩擦力；磨損是兩個(gè)互相接觸的固體表面在滑動(dòng)、滾動(dòng)或沖擊運(yùn)動(dòng)的表面損傷或脫落。在大多數(shù)情況下，磨損是表面微凸體相互作用而引起的。當(dāng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸表面材料先產(chǎn)生變形，表面或表面附近的固體材料性能將發(fā)生變化，但幾乎不引起材料損失；隨后，材料從表面剝離，轉(zhuǎn)移到配副表面或者以磨屑形式剝離表面。對(duì)于材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面的情況，雖然有一個(gè)表面被磨損使其體積或質(zhì)量損失，但就界面總體而言，并沒(méi)有體積或質(zhì)量的凈損失。在材料發(fā)生實(shí)際損耗之前，一般先產(chǎn)生損傷。磨損一般都被認(rèn)為是材料發(fā)生損耗，但固體材料的變形雖然不引起質(zhì)量或體積的變化，也能引起磨損。

a.純PTFE的磨屑照;b.納米氧化鋁填充改性產(chǎn)品磨屑照?qǐng)D2 改性前后的PTFE磨屑對(duì)比

PTFE軟管在摩擦過(guò)程中，一方面由于材質(zhì)較軟，受到摩擦副鋼絲繩的刮擦和犁削導(dǎo)致磨損，另一方面由于PTFE材質(zhì)導(dǎo)熱性差，摩擦熱的不斷積聚致使材料表面局部軟化，導(dǎo)致PTFE大分子被拉出結(jié)晶區(qū)，并向?qū)δγ孓D(zhuǎn)移，以庫(kù)侖力和范德華力在對(duì)摩面上形成PTFE轉(zhuǎn)移膜[5-6]，使摩擦副之間的摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)移膜與摩擦副之間的摩擦，降低了摩擦系數(shù)，同時(shí)減少了對(duì)管體的磨損。但由于轉(zhuǎn)移膜結(jié)合力不強(qiáng)，在反復(fù)摩擦的情況下會(huì)逐漸脫落，PTFE材料的自潤(rùn)滑層不斷變薄，最后造成了磨損失效。

從圖2可以清晰看出，未經(jīng)改性的純PTFE的磨屑是帶狀或者片狀，磨屑較大呈片狀，這是由于PTFE大分子被大片鉤帶出結(jié)晶區(qū)導(dǎo)致的。而改性后的產(chǎn)品磨屑則為微小團(tuán)狀，這是由于粒子添加到PTFE基材中，起到類似于海島結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)作用，阻止了PTFE大分子被帶出結(jié)晶區(qū)。

從表4中可以看出，納米粒子填充改性后PTFE制品的摩擦壽命得到了極大的提高，特別是使用偶聯(lián)劑處理的納米粒子PTFE制品的壽命是純PTFE制品的28.5倍，達(dá)到28.5萬(wàn)次；而微米粒子填充的制品其摩擦次數(shù)反而降低。這是由于納米粒子粒徑較小，使用偶聯(lián)劑處理之后團(tuán)聚減少，在PTFE制品中分散均勻，承受了大部分應(yīng)力，抑制了PTFE大分子被帶出結(jié)晶區(qū)，從而提高了磨損性能。微米級(jí)粒子由于顆粒較大，與PTFE的相容性不好，作為硬相在磨損中起到了磨粒磨損的作用，增大了磨損。

3 結(jié)論

(1)微米級(jí)氧化鋁填料填充PTFE管材后外觀較差，納米級(jí)氧化鋁填充后外觀較光滑。

(2)微米級(jí)填料填充后，對(duì)PTFE的力學(xué)性能基本無(wú)影響；納米級(jí)填料填充后起到了補(bǔ)強(qiáng)效果。

(3)微米級(jí)填料填充后對(duì)PTFE管的耐磨損性能有害，納米級(jí)填料能提高PTFE薄壁管的耐磨損性能；經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑處理后的納米AL2O3對(duì)PTFE薄壁管的摩擦壽命提高了28倍。硅烷處理納米氧化鋁是一種合適的填料。

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(本文文獻(xiàn)格式：戴旭陽(yáng)，周生泰，姚興磊，等.氧化鋁填充改性聚四氟乙烯軟管研究[J].山東化工，2017，46(14)：33-34，38.)

A Research Report of AL2O3Filled-PTFE Tube

DaiXuyang,ZhouShengtai,YaoXinglei,LiJunjie

(Shanghai Changyuan Electronic Material Co.,Ltd., ShangHai 201802,China)

This paper discusses the friction and wear properties of polytetrafluoroethylene (PTFE ) tube filled with AL2O3.The thin-walled tube wall and the wear debris and the particle distribution in PTFE were examined with a Three-dimensional microscopic system super depth of field(VHX-5000);The friction test were carried out using a CYNM-01 Analog Shift test system. It is found that the tube was smooth while the AL2O3were dealing with the silane coupling agent. And the friction life had improved significantly, This formual is suitable for industrial production.

AL2O3；PTFE；friction and wear

2017-05-15

戴旭陽(yáng)(1992—)，江蘇泰州人，工程師，獲學(xué)士學(xué)位，主要從事聚四氟乙烯分散料的加工與改性研究。

TB383.1

A

1008-021X(2017)14-0033-02