氧化鋁微粉改性PTFE內(nèi)襯管的摩擦性能研究

周生泰

上海長園電子材料有限公司（上海 201802）

機動車的檔位變化通過一套機械式選換檔結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，其基本原理是撥動檔桿后產(chǎn)生的位移變化使內(nèi)部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)處在不同的檔位上。實現(xiàn)位移變化的零部件是操縱軟軸[1-2]，其主要結(jié)構(gòu)可以簡化為3部分，即外側(cè)的索導管、中心的鋼索以及兩側(cè)的附屬結(jié)構(gòu)。聚四氟乙烯（PTFE）管由于具有優(yōu)異的耐高低溫特性、極低的摩擦因數(shù)以及阻燃自熄的特性，常被作為索導管的內(nèi)襯管[1，3]使用，也被廣泛應用于船舶、交通、機械等工業(yè)中。但PTFE材料耐磨損性能較差，材質(zhì)較軟，為改善其磨損率大、不耐蠕變等缺點，有研究者嘗試在其中添加銅粉、石墨、玻璃纖維等無機填料[4-8]，并取得了一些有意義的成果。氧化鋁，俗稱“剛玉”，其熔點高、硬度高，常被作為耐火材料、阻燃劑和研磨料使用。有研究者采用納米氧化鋁[5]改性有機高分子材料的硬度、抗磨損性，但對工業(yè)使用而言，能否使用更加便宜的微米級粉體是一項更有意義的課題。需要指出的是，這些研究往往使用PTFE懸浮樹脂做成的塑料塊進行摩擦磨損測試，對于工業(yè)中使用的PTFE分散樹脂管狀物實際意義不大，不能貼合實際。為此，本研究采用PTFE分散樹脂擠出壁厚為0.4 mm的軟管進行臺架試驗，模擬和評估了材料的硬度、力學性能、摩擦磨損特性。

1 實驗部分

1.1 原材料

F-20XPTFE分散樹脂，大金氟化工（中國）有限公司；氧化鋁微粉，其粒徑（D50）分別為5，10，20和40μm，鄭州西德利化工新材料有限公司；助劑油，市售。

1.2 儀器與設(shè)備

混料機、振動機、擠出燒結(jié)機、耐磨試驗機，自制；GT-TCS-2000電子拉力機，臺灣高鐵檢測儀器有限公司；MXG-2500光學顯微鏡，基恩士（中國）有限公司。

1.3 工藝過程

將氧化鋁微粉與PTFE樹脂、助劑油按一定比例混合均勻后，按照圖1的工序擠出管材并燒結(jié)。燒結(jié)溫度為420℃，擠出速率為3.5 m/min。

圖1 聚四氟乙烯管材生產(chǎn)流程

1.4 性能測試

力學性能：按照GB/T 1040.1—2018《塑料拉伸性能的測定第1部分：總則》測試拉伸強度和斷裂伸長率。

硬度：按照GB/T 2411—2008《塑料和硬橡膠使用硬度計測定壓痕硬度（邵氏硬度）》測試邵氏硬度。

磨損性能：按照QC/T 29101—1992《汽車用操縱拉索總成》的要求[9]進行測試，負載為8 kg，速率為2次/min，干摩擦，不添加潤滑油，中間拉線為普通鋼絲繩。

微觀形貌：用光學顯微鏡觀察再生PTFE微粉和填充改性后的PTFE制品。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化鋁微粉粒徑對PTFE管材的外觀影響

不同粒徑氧化鋁改性PTFE擠出的管材外觀各不相同，具體如表1所示。在添加大粒徑（40μm）的氧化鋁微粉后，其外觀不光滑，粗糙拉絲，不滿足工程要求；填充粒徑為5～20μm氧化鋁微粉的管材表面光滑，符合工程要求，但從國外競品的外觀來看，目標產(chǎn)品的透光性較差，更接近于不透明。從表1可以看出，氧化鋁微粉的添加提高了改性PTFE管的硬度，增強了PTFE表面抵抗探針刺入的能力；隨著微粉粒徑的增大，填充相同比例的微粉，粒子團數(shù)量在減少，這就解釋了粒徑大的微粉填充后材料相對硬度有所下降。因此，需要進一步研究微粉粒徑和填充比例對PTFE管材外觀和性能的影響。

表1 氧化鋁微粉填充后的PTFE管材的外觀

2.2 氧化鋁微粉填充比例對PTFE力學性能的影響

按照表2的配比制備了不同填充比例下的PTFE改性管。隨著氧化鋁填充比例的增大，其外觀逐漸變差，集中表現(xiàn)為粗糙、表面不光滑，這將直接導致管材的摩擦因數(shù)增大，增加鋼索的摩擦阻力，會使操縱軟軸的位移效率和負載效率劣化，在工程上是不可取的。改性材料的力學性能如圖2所示，從圖2可以看出，隨著填充比例的增加，其力學性能也發(fā)生了變化。填充9份氧化鋁時拉伸強度達到最大，但斷裂伸長率逐漸下降。這是由于PTFE分子與氧化鋁粉體并不相容，少量的氧化鋁微粉在分子鏈間起到物理纏結(jié)點的作用；但大比例的氧化鋁微粉破壞了分子間作用力，導致PTFE分子鏈更容易被拉脫。因此，結(jié)合外觀和力學性能要求，不建議填充超過9份以上的比例。

表2 不同填充比例的微粉（10μm）改性PTFE管外觀

圖2 不同填充份數(shù)微粉對PTFE力學性能的影響

2.3 不同微粉填充比例對PTFE摩擦磨損性能的影響

磨損是互相接觸的物質(zhì)在相對運動中其表層材料不斷損傷的過程，是伴隨著摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果。一般研究PTFE的摩擦磨損是使用摩擦試驗機來完成的；但對于工程上的需要，往往通過臺架模擬其實際使用狀態(tài)進行評價，本研究采用QC/T 29101—1992中關(guān)于磨損（耐久性）的測試方法進行評估。PTFE材料的摩擦因數(shù)極低，已由諸多文獻所證實，工程上則不再進行判定。耐久性測試示意圖如圖3所示，耐久性測試結(jié)果如圖4所示。

圖3 QC/T 29101—1992中關(guān)于耐久性測試的示意圖

從圖4可以看出，隨著填充比例增大，PTFE管材的耐久性呈現(xiàn)先緩慢上升后下降的趨勢，在填充份數(shù)為6份時達到峰值；填充9份時材料耐久性變差，填充15份時耐久性能大幅度下降。這說明二者的相容性不好，填充比例過大對耐磨損性能有害，應控制填充比例。這可能是由于填充比例增加后管材的相對硬度提高，增加了對鋼索刺入管材的抵抗性；隨著填充比例超過9份，被磨損下來的碎屑中氧化鋁的比例增大，即形成了磨粒磨損，加速了磨損的發(fā)生，導致管材的磨損量增加。

圖4 不同填充份數(shù)微粉對PTFE耐久性的影響

2.4 氧化鋁微粉在改性PTFE管材中的微觀形態(tài)研究

使用體式光學顯微鏡觀察了經(jīng)過耐久性磨損試驗后的管材以及產(chǎn)生的磨屑，如圖5所示。

圖5（a）是與鋼索反復接觸的PTFE襯管的內(nèi)表面，可以看到磨損表面有線性溝槽，這是由鋼索的線性往復運動反復刮擦PTFE管內(nèi)表面導致的。鋼鐵的硬度遠大于PTFE材料，鋼索表面在負載壓力作用下嵌入了PTFE表面層，將PTFE表面犁削并產(chǎn)生了薄膜和碎屑；隨著磨損的進行，產(chǎn)生的碎屑和薄膜逐漸黏附包圍在鋼索上，降低了摩擦因數(shù)，但由于PTFE表面能太低，不能形成緊密的潤滑層，導致磨損繼續(xù)發(fā)生，隨后達到平衡狀態(tài)，最后管壁被磨穿破裂。圖5（b）顯示的大片磨屑是因為外力促使PTFE的大分子鏈斷裂或者滑移，從而導致材料被拉出PTFE晶區(qū)形成膜狀物，進而轉(zhuǎn)移到鋼索表面形成輸送的相轉(zhuǎn)移膜，這是黏著磨損的典型特征。

圖5 氧化鋁微粉（6份）填充改性PTFE管材的光學微觀圖片

3 結(jié)論

（1）結(jié)合PTFE制品外觀和硬度看，適合作為工程改性的氧化鋁微粉的粒徑（D50）為10～20μm，優(yōu)選10μm，得到的管材外觀光滑，呈現(xiàn)不透明狀；

（2）隨著填充氧化鋁細粉的比例增大，PTFE管材的力學性能呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在填充量為9份時達到最大值，其拉伸強度為純PTFE管材的1.5倍；

（3）添加微粉（細粉）可以改善純PTFE管材的耐磨損性能，在6份時達到最優(yōu)，但過量添加對摩擦磨損性能有害；

（4）PTFE管的磨損屬于黏著磨損，主要表現(xiàn)為犁溝效應和相轉(zhuǎn)移膜，當超量添加時磨損機理還表現(xiàn)為磨粒磨損。

綜合上述研究，得到的改性條件為填充氧化鋁粒徑為10μm，填充比例為6份。