塑料耐磨性的改性方法及應(yīng)用

雷凱文 王克儉

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

1. 引言

塑料，相比較傳統(tǒng)的金屬材料，木制材料等，擁有成本低廉，循環(huán)利用率高，可塑性更強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)。

同時(shí)，隨著塑料的發(fā)展與應(yīng)用，各種具備特殊性能的專用塑料也應(yīng)運(yùn)而生，諸如耐腐蝕，耐吸水膨脹，耐寒，耐高溫等特性。

近些年來(lái)，因?yàn)樯鐣?huì)的進(jìn)步，人們對(duì)塑料有了更高的要求。其中耐磨性，成為研究者所關(guān)注的重點(diǎn)之一。

影響塑料耐磨性的途徑有很多，本文先闡述了摩擦磨損機(jī)理后，總結(jié)了兩種時(shí)下最為常用的方法去提高塑料耐磨性，最后介紹了耐磨塑料在包裝，鍋爐，鐵軌扣件等方面的應(yīng)用。

2. 摩擦磨損機(jī)理

石油大學(xué)張嗣偉教授指出，中國(guó)每年由于摩擦磨損，要損失近600億人名幣。

按江民濤[1]的調(diào)查研究，摩擦磨損是材料發(fā)生損傷的三大原因之一，它損失了世界上一次能源的1/3。每年與摩擦，磨損有關(guān)的損失約占GDP的2%～7%。

尤其是在冶金，礦山，化工，建材及航天等部門中，摩擦磨損現(xiàn)象造成的損失尤為嚴(yán)重。

所以如何減摩，或者生產(chǎn)更為耐磨的材料，則成為摩擦磨損領(lǐng)域長(zhǎng)久以來(lái)關(guān)注的問題。

摩擦現(xiàn)象，簡(jiǎn)單來(lái)說就是存在至少兩個(gè)相互運(yùn)動(dòng)的摩擦表面，在相對(duì)作用力的影響下，兩運(yùn)動(dòng)表面發(fā)生尺寸，形狀或結(jié)構(gòu)的變化。

一般來(lái)說，磨損可分為三個(gè)階段：①磨合階段，為穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造條件；②穩(wěn)定磨損階段；③劇烈磨損階段，磨損急劇增長(zhǎng)，磨件趨于被破壞。

圖1 磨損的三個(gè)階段[2]

目前比較公認(rèn)的觀點(diǎn)是伯韋爾（Burwell）對(duì)磨損類型的分類，分為：粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、表面疲勞磨損。對(duì)于耐磨塑料來(lái)講，磨粒磨損與粘著磨損最為常見。

針對(duì)不同的磨損形式，研究者也采取了不同的措施來(lái)提高塑料的耐磨性，其中最為常用的方法即為，通過不同材料添加劑，不同生產(chǎn)工藝來(lái)提高耐磨性。

3. 塑料耐磨性的改性方法

3.1 通過不同填料提高耐磨性

材料添加劑的種類繁多，對(duì)于提高耐磨性這一目標(biāo)來(lái)說，通常有七種添加劑[3]供生產(chǎn)商選擇。

分別是聚四氟乙烯（PTFE）、二硫化鉬、石墨、聚硅氧烷、玻璃纖維、碳纖維、芳香族聚酰胺纖維。其中PTFE與聚硅氧烷是通過形成一層自潤(rùn)滑良好的潤(rùn)滑膜來(lái)減少磨損，玻璃纖維與碳纖維均能改變材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提供了高分子間堅(jiān)固的機(jī)械性結(jié)合的功能，而二硫化鉬主要應(yīng)用于尼龍材料，用以提高其結(jié)晶度，石墨則適用于有水環(huán)境中的摩擦件。

表1 幾種典型填料減摩原理及適用環(huán)境

對(duì)于這幾種常用耐磨添加劑對(duì)塑料性能的提升如何，易平[4]先以純PTFE為研究對(duì)象，分別以對(duì)磨時(shí)間，對(duì)磨速度，載荷為自變量，談?wù)摿似鋵?duì)摩擦因數(shù)的影響，得出摩擦因數(shù)均隨著自變量先減小后增大的趨勢(shì)，證明了磨損三個(gè)階段的形成過程是可信的，隨后分別加入碳纖維，石墨，二硫化鉬，研究了不同填料對(duì)塑料耐磨性的影響，其中碳纖維影響最大，二硫化鉬影響最小。張枝苗[5]為了改善機(jī)車耐磨件的性能，以高密度聚乙烯為基材，超高密度聚乙烯為添加劑，共滾后通過對(duì)磨實(shí)驗(yàn)得出，隨著超高分子聚乙烯組分提高，材料耐磨性顯著提升且摩擦因數(shù)降低。

除了上述常用耐磨添加劑外，硅灰對(duì)塑料耐磨性也具有一定影響。硅灰（硅微粉）是經(jīng)過碳熱還原法生產(chǎn)硅鐵或金屬時(shí)所伴生的煙塵經(jīng)過過濾和分級(jí)獲得的[6]。

劉淑煥等[6]通過對(duì)均質(zhì)耐磨可塑料加入不同組分的硅灰，在低組分硅灰實(shí)驗(yàn)中，可塑料耐磨值沒有明顯變化，但是隨著組分增多，耐磨值出現(xiàn)明顯下降。李紅波等[7]則以硅灰石與石墨做對(duì)比研究，二者均可以使聚四氟乙烯材料磨損率下降，并且硅灰石作用更為明顯，但同時(shí)灰導(dǎo)致材料摩擦因數(shù)提高，石墨則不會(huì)。

3.2 制備耐磨塑料的典型生產(chǎn)工藝

3.2.1 合金電鍍

塑料制品的表面金屬化可以明顯提高高分子材料的耐磨性能?？赏ㄟ^復(fù)合電鍍工藝達(dá)成。

復(fù)合電鍍工藝是一種沉積技術(shù)，是一種或幾種不溶性固體顆粒均勻的夾雜到金屬鍍層中以改善基材表面的硬度與耐磨性。

ABS是一種質(zhì)輕，可塑性好，應(yīng)用廣泛的工程塑料，但其存在硬度低，耐磨性差的缺點(diǎn)。通過復(fù)合電鍍工藝可明顯的提高其耐磨性能。白永蘭[8]、郭振偉[9]、楊子[10]均以ABS為基材，采取不同鍍層材料對(duì)ABS進(jìn)行表面強(qiáng)化。

白永蘭與郭振偉使用金屬Ni顆粒，分別與無(wú)機(jī)粒子SiC，金屬W結(jié)合使用。而楊子則首次采用納米TiO2-SiO2-石墨鍍層材料，在ABS塑料表面銅基底上進(jìn)行鍍層，大大提高了ABS塑料的耐蝕及自潤(rùn)滑性能。

3.2.2 發(fā)泡成型

內(nèi)部發(fā)泡是為得到多孔結(jié)構(gòu)的材料，整齊，可控孔徑的這種新型材料結(jié)構(gòu)具有減震降磨的功能，其中降磨是通過微孔結(jié)構(gòu)吸收潤(rùn)滑介質(zhì)，在耐磨件工作時(shí)，可以創(chuàng)造穩(wěn)定的潤(rùn)滑環(huán)境，且減少磨損率。

圖2 聚合物內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)

汪懷遠(yuǎn)等[11]采取模壓-濾取和高溫真空熔漬工藝制備了多孔聚醚醚酮（PEEK）發(fā)汗式自潤(rùn)滑材料。通過設(shè)定不同的成型壓力，造孔劑含量以及潤(rùn)滑介質(zhì)種類，考察了PEEK多孔自潤(rùn)滑材料的摩擦磨損性能。得出當(dāng)壓力為100 MPa，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，采取通用鋰基酯時(shí)，材料潤(rùn)滑性能最好。

在面對(duì)泡沫塑料時(shí)，其中氣體分散于基體材料灰形成炮孔結(jié)構(gòu)，但是這種多孔結(jié)構(gòu)很難保持住，李新峰[12]使用輻射交聯(lián)技術(shù)，增加了分子鏈之間的相互作用，使得閉孔結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定化，多孔孔徑均勻，壁厚適中，泡壁堅(jiān)挺。制備的材料顯示出優(yōu)秀的耐磨性能。

3.2.3 反應(yīng)注射成型

反應(yīng)注射成型是指在成型過程中有化學(xué)反應(yīng)的一種工業(yè)加工工藝，這種方法作用原料不是聚合物，而是將兩種或兩種以上的液態(tài)單體或預(yù)聚物，以一定比例分別加到混合頭中，在加壓下混合均勻，立即注射到閉合模具中，在模具內(nèi)聚合固化，定型。

彭淑鴿等[13]則采用反應(yīng)注射成型技術(shù)，對(duì)納米CuS/聚雙環(huán)戊二烯（PDCPD）進(jìn)行表面改性，以鎢配合物為主催化劑，AIEt2Cl為助催化劑，制得的材料相比于沒有經(jīng)過反應(yīng)注射成型的PDCPD材料，磨損質(zhì)量最大降低了30%，摩擦因數(shù)最大降低了36%。

劉曉飛[14]選取SiO2和MoS2納米粒子為填料，采取兩步法制備了與雙戊二烯相容性極佳的聚苯乙烯包覆的SiO2和MoS2復(fù)合納米微球，以此為填料加入雙環(huán)戊二烯（DCPD）單體中，然后采用雙組份催化劑聚合，探索了添加PS/SiO2納米微球?qū)Ψ磻?yīng)體系的影響，最后通過反應(yīng)注射設(shè)備生成PS/SiO2納米微球填充改性的PDCPD/PS/SiO2納米復(fù)合材料。通過QG-200高溫氣氛摩擦試驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)樣品，得出PS/SiO2納米微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4%時(shí)，綜合摩擦性能最好。

4. 耐磨塑料應(yīng)用

4.1 耐磨塑料包裝編織袋

塑料包裝編織袋的使用環(huán)境而言，為了保證包裝物件使用性能，或者滿足運(yùn)輸?shù)囊螅３Ｐ枰鋼碛辛己玫哪湍バ阅堋?/p>

王仁龍針對(duì)不同的包裝使用環(huán)境，設(shè)計(jì)了幾種不同類型的耐磨塑料編織袋。針對(duì)有水環(huán)境而言，他將天然橡膠乳，甲基丙烯酸甲酯作為添加劑，解決了編織袋在有水環(huán)境下的粘合性問題。[15]針對(duì)于編織袋經(jīng)常使用拉鏈而造成編織袋破壞的現(xiàn)象，王仁龍[16]設(shè)計(jì)了一種具備兩個(gè)密封層層，同時(shí)在編織袋本體內(nèi)外壁均粘結(jié)耐磨層，使得這種編織袋的耐磨性，密封性大大提高。

圖4 雙層密封耐磨編織袋[16]

4.2 鍋爐耐磨可塑料

隨著近年“清潔能源”概念成為人們的共識(shí)，各種清潔能源設(shè)備也隨之出現(xiàn)。循環(huán)流化床鍋爐（CFB）便應(yīng)運(yùn)而生，該裝置作為改建火（熱）電廠的主要清潔燃燒核心而被廣泛使用。其耐火耐磨可塑料是決定CFB工作效能的關(guān)鍵零部件。

可塑料是不定型耐火材料的一種，由70%～80%粒狀和粉狀物料加10%～25%的可塑性黏土等結(jié)合劑及適量增塑劑配制而成的耐火材料。

羅旭東等[17]以高鋁礬土，二氧化硅微粉和氧化鋁微粉為原料，以磷酸而氫鋁和磷酸為結(jié)合劑，制備了一種用于CFB鍋爐的高鋁質(zhì)耐磨可塑料。得出可塑料耐磨性主要取決于可塑料體積密度，顯氣孔率，骨料與及基質(zhì)結(jié)合程度。而古欽培[18]則針對(duì)耐磨可塑料在鍋爐運(yùn)行過程中出現(xiàn)的磨損，脫落現(xiàn)象進(jìn)行了原因分析，改進(jìn)了襯體施工工藝，同時(shí)在啟爐時(shí)對(duì)新鋪設(shè)的襯體進(jìn)行烘烤，提高了設(shè)備的可靠性與運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

5. 耐磨塑料發(fā)展前景

隨著社會(huì)向著更輕量化，經(jīng)濟(jì)性的方向發(fā)展，塑料作為一種比傳統(tǒng)金屬材料更容易按照不同工程需求改性的優(yōu)勢(shì)，會(huì)逐漸在各個(gè)領(lǐng)域完成對(duì)金屬件的替代。

其中，耐磨性作為工程材料的幾種重要性能，會(huì)得到越來(lái)越多研究者的關(guān)注。諸如水潤(rùn)滑軸承領(lǐng)域，比起傳統(tǒng)的油潤(rùn)滑，更具環(huán)保性與可持續(xù)性，而水潤(rùn)滑軸承塑料則是其中的核心部件。水潤(rùn)滑軸承代替油潤(rùn)滑軸承是可以預(yù)見的趨勢(shì)，而水潤(rùn)滑耐磨塑料將會(huì)是耐磨塑料在未來(lái)的一個(gè)重要領(lǐng)域。