PA66/PTFE復(fù)合材料摩擦性能研究

張 永

(1.上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201714；2.上海工程塑料功能化工程技術(shù)研究中心，上海 201714；3.金發(fā)科技股份有限公司企業(yè)技術(shù)中心，廣州 510520)

0 前言

聚酰胺66(PA66)俗稱尼龍66，是五大通用工程塑料之一,其改性復(fù)合材料強(qiáng)度高、剛性好、耐熱、耐油、化學(xué)穩(wěn)定性佳、成型加工性能優(yōu)異，因此被廣泛用于汽車、電子電器、工具、機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域[1-2]。同時(shí)，PA66具有突出的自潤滑性，在工程塑料中摩擦性能僅次于聚甲醛(POM)，因此在耐磨材料領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用。但是PA66單獨(dú)作為耐磨材料使用時(shí),存在摩擦因數(shù)較高、磨損量較大、易產(chǎn)生嚴(yán)重的黏著磨損的缺點(diǎn)，難以滿足磨損要求較高的應(yīng)用場合，如軸承等，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)大[3]。

聚四氟乙烯(PTFE)樹脂特殊的分子結(jié)構(gòu)使其具有極低的摩擦因數(shù)；當(dāng)PTFE樹脂與PA66樹脂制成復(fù)合材料后，能較好地改善PA66的摩擦性能[4-6]。劉天濤等[7]研究了PA66/PTFE復(fù)合材料的摩擦性能，發(fā)現(xiàn)PTFE能明顯改善PA66的耐磨性能及磨損方式。游一蘭等[8-9]研究了不同固體潤滑劑對聚酰胺6摩擦性能的影響，發(fā)現(xiàn)PTFE能大幅度降低聚酰胺6的摩擦因數(shù)，但會(huì)增大聚酰胺6的磨損率。雖然目前對PA66耐磨性能的研究較多，但是有關(guān)PTFE微粉不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對PTFE/PA66復(fù)合材料摩擦性能的影響的研究較少。筆者采用不同粒徑、不同含量的PTFE微粉對PA66進(jìn)行耐磨改性研究，對優(yōu)化PTFE/PA66耐磨性能具有很好的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PA66，EP-158，華峰集團(tuán)有限公司；

PTFE微粉1，微粉平均粒徑為2.5 μm，浙江歌瑞新材料有限公司；

PTFE微粉2，微粉平均粒徑為12 μm，浙江歌瑞新材料有限公司；

PTFE微粉3，微粉平均粒徑為17 μm，浙江歌瑞新材料有限公司；

抗氧劑，IRGANOX 1098，巴斯夫股份公司；

潤滑劑，LOXIOL G 32，意慕利油脂化學(xué)貿(mào)易有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

雙螺桿擠出機(jī)，中裝27機(jī)，四川中裝科技有限公司；

彎曲實(shí)驗(yàn)機(jī)，Z005型，德國Zwick-Roell公司；

萬能材料試驗(yàn)機(jī)，Z020型，德國Zwick-Roell公司；

沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，5113.300型，德國Zwick-Roell公司；

塑料滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)，GT-7219-S型，高鐵檢測儀器(東莞)有限公司；

電子掃描顯微鏡(SEM)，S-3400N型，株式會(huì)社日立制作所。

1.3 試樣制備

將干燥后的PA66樹脂、PTFE微粉、助劑按表1中的配比進(jìn)行預(yù)混合，然后在雙螺桿擠出機(jī)上擠出、造粒，得到復(fù)合材料塑膠粒子。機(jī)筒溫度分別為200 ℃、260 ℃、270 ℃、260 ℃、260 ℃、250 ℃、240 ℃、250 ℃，機(jī)頭溫度為260 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為350 r/min。

表1 PA66/PTFE復(fù)合材料的配方組成

1.4 摩擦性能測試

樣品尺寸為30 mm×7 mm×(3±0.1)mm。摩擦轉(zhuǎn)速為200 r/min，施加方式為滾動(dòng)摩擦，對摩材質(zhì)為合金鋼，樣品測試時(shí)間為2 h，施加載荷通過砝碼質(zhì)量控制，分別為4 kg、8 kg、12 kg、16 kg、20 kg，即40 N、80 N、120 N、160 N、200 N 5種級別。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同載荷對PA66樹脂摩擦性能的影響

圖1為不同載荷對PA66樹脂摩擦性能的影響。從圖1可以看出：對于PA66樹脂，磨損質(zhì)量及摩擦因數(shù)均隨載荷的增加而降低，而且當(dāng)載荷達(dá)到160 N時(shí)，樣品的磨損質(zhì)量趨于穩(wěn)定，約為2.1 mg，摩擦因數(shù)同樣變化較小，約為0.27。對于PA66樹脂，摩擦機(jī)理主要是黏著磨損，載荷越大，摩擦過程中產(chǎn)生熱量相對越多，樣品表面局部熔化或軟化越嚴(yán)重，表面越光滑，測試出的摩擦因數(shù)就越小。

圖1 載荷對PA66樹脂摩擦性能的影響

2.2 PTFE含量對PA66/PTFE復(fù)合材料摩擦性能的影響

圖2為PTFE含量對PA66/PTFE復(fù)合材料摩擦性能的影響，其中PTFE采用PTFE微粉1，施加載荷為120 N。

圖2 PTFE含量對復(fù)合材料摩擦性能的影響

從圖2可以看出：加入PTFE后，材料的摩擦因數(shù)下降明顯，當(dāng)PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，PA66/PTFE復(fù)合材料的摩擦因數(shù)為PA66樹脂的33.3%。磨損質(zhì)量也隨PTFE含量的增加而降低，當(dāng)PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，磨損質(zhì)量由2.3 mg降低到1.2 mg，降低幅度為47.8%。由此可見，PTFE能明顯改善PA66復(fù)合材料的耐磨性能。但PTFE含量對摩擦性能的影響趨勢不同，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少時(shí)(如5%)，PTFE對摩擦因數(shù)的影響很小，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)，PTFE的作用效果才更加明顯。

圖3為不同PTFE含量試樣磨損表面光學(xué)照片。從圖3可以看出：PA66樹脂在摩擦過程中產(chǎn)生的溫度較高，導(dǎo)致樹脂出現(xiàn)高溫碳化現(xiàn)象，磨損面損壞嚴(yán)重。隨著PTFE含量增加，樹脂本身因高溫碳化現(xiàn)象明顯減少，當(dāng)PTFE添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，試樣磨損面基本無碳化現(xiàn)象。圖4為不同PTFE含量試樣磨損表面不同放大倍數(shù)SEM照片。從圖4可以看出：PA66樹脂摩擦面局部較光滑，主要磨損方式為黏著磨損，隨著PTFE含量增加，樣品摩擦面出現(xiàn)較多PTFE顆粒，磨損表面能觀察到明顯的犁溝，此時(shí)磨損方式由黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槔鐪夏p和磨粒磨損，復(fù)合材料的耐磨性能大大提升，磨損質(zhì)量及摩擦因數(shù)均降低明顯。

圖3 不同PTFE含量試樣磨損表面普通光學(xué)照片

(a)FTFE添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%(放大1 000倍)

2.3 PTFE粒徑對PA66/PTFE復(fù)合材料摩擦性能的影響

圖5為不同粒徑PTFE對復(fù)合材料摩擦性能的影響，其中施加載荷為120 N。

圖5 PTFE粒徑對PA66/PTFE復(fù)合材料摩擦性能的影響

從圖5可以看出：復(fù)合材料的磨損質(zhì)量隨PTFE粒徑的增加先降低，當(dāng)PTFE的粒徑達(dá)到12 μm時(shí)，復(fù)合材料的磨損質(zhì)量最小，當(dāng)PTFE粒徑進(jìn)一步增加時(shí)，磨損質(zhì)量略有增加。隨著PTFE粒徑的增加，摩擦因數(shù)先減少后增加，在PTFE的粒徑達(dá)到12 μm時(shí)，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)達(dá)到最低值，僅為0.20；當(dāng)PTFE粒徑進(jìn)一步增加到17 μm時(shí)，摩擦因數(shù)反而增大，達(dá)到0.32。

圖6、圖7分別為不同粒徑PTFE復(fù)合材料磨損面及斷面SEM照片。從圖6、圖7可以看出：當(dāng)PTFE粒徑為2.5 μm時(shí)，裸露的PTFE微粒更少，粒子更均勻地分布于基體中，磨損表面更平滑，磨損過程更多表現(xiàn)為黏著磨損，所以磨損質(zhì)量及摩擦因數(shù)均較大；當(dāng)PTFE粒徑增加到12 μm后，由于粒子與基體間的結(jié)合力減弱，PTFE粒子更容易從基體中脫落，摩擦過程呈現(xiàn)更多的磨粒磨損，PTFE對摩擦性能改善更明顯；但當(dāng)PTFE粒徑進(jìn)一步增加時(shí)，粒子與聚?；w間的相互作用力更弱，摩擦過程中有大顆粒的PTFE被帶出，在磨損面上形成較深的磨痕，此時(shí)犁溝磨損效應(yīng)增加，摩擦因數(shù)增加。如PTFE粒徑達(dá)到17 μm時(shí)，摩擦因數(shù)達(dá)到0.32，而PTFE粒徑為12 μm時(shí)摩擦因數(shù)僅為0.20，降低了37.5%。

(a)PTFE粒徑為2.5 μm

(a)PTFE粒徑為2.5 μm

2.4 PTFE對PA66/PTFE復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

表2為PTFE含量對PA66/PTFE復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。從表2可以看出：隨著PTFE含量增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度先增加后降低，當(dāng)PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，拉伸強(qiáng)度降低為純PA66樹脂的77.6%。隨著PTFE含量增加,復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量降低。復(fù)合材料缺口沖擊強(qiáng)度隨PTFE含量的增加先增加后降低，當(dāng)PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10%時(shí)，復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大。

表2 PTFE含量對PA66/PTFE復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

表3為PTFE粒徑對PA66/PTFE復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。從表3可以看出：PTFE粒徑對復(fù)合材料常規(guī)力學(xué)性能影響很小，拉伸強(qiáng)度、缺口沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量基本一致。綜合考慮復(fù)合材料力學(xué)性能及耐磨性能，選擇PTFE微粉粒徑為12 μm為最佳。

表3 PTFE粒徑對PA66/PTFE復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

3 結(jié)語

研究了不同含量、不同粒徑PTFE對PA66/PTFE復(fù)合材料摩擦性能及力學(xué)性能的影響，得到以下結(jié)論：

(1)PA66原料樹脂摩擦因數(shù)及磨損質(zhì)量隨載荷的增加而降低，載荷達(dá)到160 N后摩擦因數(shù)及磨損質(zhì)量接近平衡。

(2)PTFE能明顯改善PA66/PTFE復(fù)合材料的摩擦性能，當(dāng)PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)為純PA66的33.3%，磨損質(zhì)量由2.3 mg降低到1.2 mg，降低幅度為47.8%。

(3)粒徑為12 μm的PTFE微粉對改善PA66/PTFE復(fù)合材料摩擦性能效果最佳，摩擦因數(shù)、磨損質(zhì)量均最小。

(4)PTFE粒徑對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響較小。PA66/PTFE復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度隨PTFE含量的增加先增加后降低,彎曲強(qiáng)度、彎曲模量均隨PTFE含量的增加而降低。

(5)綜合考慮復(fù)合材料摩擦性能及力學(xué)性能，選擇粒徑為12 μm的PTFE，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在10%～20%時(shí)，復(fù)合材料的綜合性能最佳。