多孔聚酰亞胺復(fù)合保持架材料水解老化試驗研究

李媛媛，楚婷婷，馬忠義，孫小波

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039;2.河南省高性能軸承技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039；4.瓦房店軸承集團(tuán)特種精密軸承有限公司,遼寧 瓦房店 116300)

多孔聚酰亞胺保持架材料具有孔徑和孔隙率可調(diào)控，耐磨，自潤滑，強度高，耐輻射等優(yōu)點，經(jīng)真空浸油后廣泛應(yīng)用于長壽命航天器用陀螺電機軸承、導(dǎo)航儀、動量輪軸承中[1-2]。多孔聚酰亞胺復(fù)合保持架軸承在庫存條件下會受到溫度和水分的影響[3-4]，聚酰亞胺具有吸水性，會發(fā)生一定的水解作用[5]。但聚酰亞胺的結(jié)構(gòu)較多，報道研究較多的聚酰亞胺為均苯型，某公司產(chǎn)品選用的聚酰亞胺為醚酐型，結(jié)構(gòu)差異較大，而醚酐型聚酰亞胺水解情況的研究鮮有報道。所以，根據(jù)GB/T 12000—2017《塑料 暴露于濕熱、水噴霧和鹽霧中影響的測定》對醚酐型多孔聚酰亞胺復(fù)合保持架材料進(jìn)行了水解試驗，試驗溫度為40 ℃，濕度為93%，時間為240 h，結(jié)果未發(fā)生水解變化。因此設(shè)計了極端條件的試驗，即將試樣放入水浴鍋中進(jìn)行水煮，欲考察醚酐型聚酰亞胺是否會發(fā)生水解，初步探究該材料的老化機理。

1 試驗

1.1 試樣制備

根據(jù)文獻(xiàn)[6]中的工藝制備出孔隙率為20%±2%的材料，按照Q/ZYS J064—2013《多孔聚酰亞胺保持架坯料技術(shù)條件》加工出拉伸強度和摩擦試驗用試樣。

1.2 試驗過程和測試方法

將經(jīng)狀態(tài)調(diào)節(jié)(放置于溫度為(23±1) ℃，濕度為50%±5%環(huán)境中，不少于88 h)的試樣，置于(95±5) ℃的水浴鍋中水煮，時間為1 000 h。每隔200 h 取出一部分試樣，經(jīng)狀態(tài)調(diào)節(jié)后測試其拉伸強度和摩擦因數(shù)。

采用DNS-200型電子萬能試驗機測試試樣的拉伸強度，拉伸速率為5 mm/min；采用CFT-1型材料表面性能綜合測試儀測試試樣的摩擦因數(shù)和磨損量，采用φ4 mm對摩鋼球進(jìn)行往復(fù)干摩擦(半徑5 mm)，載荷20 N，頻率10 Hz，時間1 h；采用Spextrum 100 Fourier變換紅外光譜儀對試樣進(jìn)行FT-IR光譜測試；采用NETZSCH 200F3差示掃描量熱儀(DSC)測試試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；采用NETZSCH STA 449C熱重-差熱連用儀(TGA-DTA)對試樣進(jìn)行熱失重分析；采用LSM700激光共聚焦掃描顯微鏡進(jìn)行磨痕表面分析；采用VEGA Ⅱ XMU掃描電子顯微鏡對材料微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀性能

試樣的拉伸強度和摩擦因數(shù)隨試驗時間的變化情況分別如圖1和圖2所示，由圖可知，材料的拉伸強度值在30.6～34.5 MPa內(nèi)波動，摩擦因數(shù)值在0.25～0.34內(nèi)波動，試驗過程中均無明顯變化。

圖1 試樣抗拉強度隨試驗時間的變化

圖2 試樣摩擦因數(shù)隨試驗時間的變化

2.2 微觀性能

試驗前后材料的紅外譜圖如圖3所示，從圖中可以看出，試驗前后特征峰位置和相對峰高均無明顯變化。聚酰亞胺水解會生成聚酰胺酸[6]，該紅外光譜特征峰出現(xiàn)在1 700 cm-1附近，試驗后材料的紅外光譜圖未發(fā)現(xiàn)水解產(chǎn)物的特征峰，表明該材料在水煮老化試驗條件下并未發(fā)生水解反應(yīng)，聚酰亞胺復(fù)合保持架材料的耐水解性能良好。

圖3 試驗前后材料的紅外對比圖

試驗前后材料的DSC對比如圖4所示，從圖中可以看出，試驗前、后材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分別為268.0，268.4 ℃，吸熱峰的峰值溫度分別為329.8，330.3 ℃，熱焓分別為7.656，7.259 J/g。試驗前后該材料的熱性能未發(fā)生明顯改變。

圖4 試驗前后材料的DSC對比

試驗前后聚酰亞胺復(fù)合保持架材料的TGA曲線如圖5所示。從圖中可以看出，復(fù)合材料在130 ℃時均有質(zhì)量損失，主要是材料在狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗后，材料表面和分子間所吸附的水分蒸發(fā)所致；在130～500 ℃之間，試樣質(zhì)量幾乎不變，說明材料的耐熱老化性能良好。

圖5 試樣的TGA曲線

試驗前后摩擦副對材料表面主要產(chǎn)生黏著磨損(圖6)，并且試驗后磨痕處的亮度明暗相間，其中亮度較大的為物理狀態(tài)未發(fā)生變化的材料，反光效果好，表面平整;顏色較暗的為在摩擦熱作用下形成的黏流層，導(dǎo)致表面粗糙度增大，反光效果較差。黏流態(tài)的材料更易向金屬表面轉(zhuǎn)移，形成轉(zhuǎn)移膜，表現(xiàn)出較好的摩擦學(xué)性能。因此，試驗前后聚酰亞胺復(fù)合保持架材料的磨損機理未發(fā)生改變，仍具有較好的摩擦磨損性能。

圖6 試驗前后試樣磨痕光學(xué)顯微鏡圖

試驗前后試樣斷面處的SEM圖如圖7所示，從圖中可以看出，試驗前后材料形貌無變化，仍有不同大小的孔結(jié)構(gòu)，這也證實了多孔聚酰亞胺復(fù)合保持架材料未發(fā)生水解反應(yīng)。

圖7 試驗前后試樣斷面SEM圖

3 結(jié)束語

經(jīng)過1 000 h水煮老化試驗后，多孔聚酰亞胺的拉伸強度、摩擦因數(shù)等宏觀性能無明顯變化；通過FT-IR，DSC，TGA、光學(xué)顯微鏡、SEM分析可知,材料未發(fā)生水解老化，證明材料具有較好的耐濕熱老化性能和環(huán)境適應(yīng)性。