高嶺土填充改性自潤滑襯墊材料的制備及分析表征

姚衛(wèi)剛 周慧慧

1 上海市塑料研究所有限公司 （上海 201702）

1 上海煤基多聯(lián)產(chǎn)工程技術(shù)研究中心 （上海 201108）

2 93145 部隊 （上海 201702）

聚合物基織物自潤滑襯墊是自潤滑關(guān)節(jié)軸承的關(guān)鍵部件之一，其處于軸承內(nèi)圈外表面及外圈內(nèi)表面之間，避免軸承內(nèi)外圈金屬直接接觸對磨。襯墊材料的耐磨及自潤滑等摩擦磨損特性是影響自潤滑關(guān)節(jié)軸承使用壽命的關(guān)鍵因素之一。酚醛樹脂作為基體樹脂，浸漬聚四氟乙烯（PTFE）纖維/芳綸纖維混編織物制備的自潤滑襯墊材料能夠達到使用溫度160℃、額定壽命2.5 萬次的要求且已產(chǎn)品化。為滿足新型關(guān)節(jié)軸承部件材料更高的應(yīng)用需求，進一步提升襯墊材料摩擦磨損特性，相關(guān)改性研究工作廣泛開展。其中，填料改性是改善襯墊材料摩擦磨損性能的常用方法。利用二氧化硅[1]、二氧化鈦[2]、碳納米管[3]、二硫化鎢[4]及石墨烯[5]等對樹脂基織物復(fù)合材料進行摩擦磨損改性的研究工作均可見報道，這些填料均能起到增強基體、減摩降磨的作用。高嶺土是一種層狀硅酸鹽材料，具有良好的可塑性、高粘結(jié)性、優(yōu)良的電絕緣性能，可作為填料對聚合物材料進行摩擦磨損性能改性，如被應(yīng)用于超高相對分子質(zhì)量聚乙烯（UHMWPE）[6]、PTFE 潤滑脂[7]、聚苯并噁唑（PBO）/酚醛樹脂復(fù)合材料[8]及聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）[9]合金等聚合物材料的摩擦磨損改性研究中，取得理想的改性效果。

基于此，利用高嶺土粉體作為填料對酚醛樹脂基襯墊材料進行改性，考察粉體粒徑、粉體含量及表面處理狀態(tài)等因素對自潤滑襯墊材料力學(xué)性能及摩擦磨損性能的影響，結(jié)合表征分析結(jié)果，篩選最合適的高嶺土填充改性自潤滑襯墊材料制備工藝。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

自潤滑織物（緯紗為PTFE 纖維與Nomex 纖維絲束合捻混紗，經(jīng)紗為Nomex 纖維絲束），上海市紡織科學(xué)研究院有限公司；酚醛樹脂，濟南圣泉集團股份有限公司；煅燒高嶺土（0.075 mm，高嶺土A），河北誠諾礦產(chǎn)品有限公司；超細煅燒高嶺土粉末XJT-2000（高嶺土B），山西鑫晶泰科技有限公司；硅烷偶聯(lián)劑KH550，山東環(huán)正化工有限公司。

1.2 材料制備

1.2.1 高嶺土填充酚醛樹脂改性膠液的制備

按照表1 所示配比，分別將A，B 兩種規(guī)格的高嶺土填料加入到酚醛樹脂中，充分攪拌均勻，獲得不同配比的高嶺土填充改性膠液，密閉保存?zhèn)溆谩?/p>

表1 填料改性酚醛樹脂膠液配比

1.2.2 高嶺土表面改性及改性高嶺土膠液制備

將KH550 硅烷偶聯(lián)劑加入到一定比例的無水乙醇和去離子水混合溶劑中配制高嶺土表面改性處理溶液，其中KH550 的質(zhì)量分數(shù)為2.5%。使該處理液在機械攪拌下水解反應(yīng)1 h，加入高嶺土B 后，繼續(xù)在攪拌下超聲處理1 h。隨后升溫至75 ℃，分別回流2.5，5.0 及7.5 h。反應(yīng)結(jié)束后，將上述反應(yīng)溶液抽濾，用丙酮洗滌3 次，鼓風烘箱干燥過夜得到表面改性處理的高嶺土B 粉末樣品，按照回流時間分別編號為高嶺土B-KH550-2.5、高嶺土B-KH550-5.0 及高嶺土B-KH550-7.5。

將按照表1 中配比處理的3 種高嶺土粉體填料分別加入到酚醛樹脂中，充分攪拌至均勻，獲得各配比的改性膠液，密閉保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.3 高嶺土填充酚醛樹脂改性自潤滑襯墊材料的制備

將PTFE/Nomex 自潤滑織物分別浸入上述各樹脂膠液中，取出后放入雙輥浸膠裝置中過輥。重復(fù)該步驟2 次，將得到的預(yù)浸料置于鼓風烘箱中脫溶，之后在平板硫化機上進行平整預(yù)壓，預(yù)壓溫度為80～100 ℃，壓力為2 MPa。

力學(xué)性能測試所需固化試片制備條件：壓力為4 MPa，120 ℃下保溫2 h，180 ℃下保溫2 h。

1.3 性能測試與表征

（1）摩擦磨損性能

自潤滑襯墊的摩擦磨損測試在多功能立式摩擦磨損試驗機上進行。摩擦方式為球-盤摩擦，利用力矩傳感器對試驗過程中的摩擦力矩進行實時記錄。將樣品粘結(jié)在45#鋼樣品盤上得到摩擦磨損試樣。試驗條件：轉(zhuǎn)速為75 r/min；載荷為40 N，通過1 個固定的?6.35 mm 鋼珠（GCr15）與樣品摩擦；時間240 min，總轉(zhuǎn)數(shù)為18 000 轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)半徑為10 mm。

（2）拉伸性能

拉伸試驗測試包括經(jīng)紗方向和緯紗方向兩組，測試樣品尺寸為300 mm×50 mm。測試參照GB/T 3923.1—2013《紡織品織物拉伸性能第1 部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》進行，每組實驗5 次，最后結(jié)果取平均值。

（3）粒徑分析

采用Malvern MASTERSIZER 3000 激光粒徑分析儀對高嶺土A，B 兩類填料進行粒徑分析，分散介質(zhì)為去離子水。

2 結(jié)果與討論

2.1 填料粒徑對高嶺土改性效果的影響

填料粒徑是影響改性效果的主要因素之一，需依據(jù)樹脂體系、摩擦副材質(zhì)及表面特性篩選合適粒徑的填料。選用兩種粒度的高嶺土填料，通過粒度儀分析其粒徑分布，并制備相應(yīng)的填充改性樹脂及襯墊材料，測試不同粒度填料對襯墊材料的力學(xué)性能及摩擦磨損性能的影響。

表2 為兩種高嶺土填料粒徑分析結(jié)果，其中Dx表示粒度測試樣中體積分數(shù)為x%的顆粒粒徑不超過該值（x=50，90，95）。由表2 可知，高嶺土B 的D50，D90及D95均低于高嶺土A；高嶺土B 的比表面積（47 880.0 m2/kg）較高，是高嶺土A 的83 倍左右。

表2 兩種高嶺土粉末粒徑分析結(jié)果匯總

表3 為兩種高嶺土填料填充改性酚醛/聚酰胺浸膠液制備的兩種襯墊試樣的力學(xué)性能及摩擦磨損性能匯總情況，圖1 為各襯墊試樣摩擦磨損測試的典型摩擦因數(shù)-時間曲線。由表3 可知：加入高嶺土A 后，襯墊材料的經(jīng)/緯紗斷裂強力略下降，斷裂伸長率變化不大，可知高嶺土A 未能起到補強作用，甚至對材料的強力有所損傷；而加入高嶺土B 后，材料的經(jīng)/緯紗斷裂強力及斷裂伸長率均有提升，補強作用明顯。摩擦磨損性能測試數(shù)據(jù)表明：加入高嶺土A 后，襯墊摩擦因數(shù)由未添加的0.117 上升至0.132，磨痕寬度由0.049 mm 增大至0.056 mm，且摩擦因數(shù)-時間曲線波動較大，未能起到減摩降磨的效果；而加入高嶺土B 的試樣摩擦因數(shù)及磨損量均明顯下降，摩擦因數(shù)-時間曲線平穩(wěn)，在短暫磨合后進入穩(wěn)定對磨狀態(tài)。綜上可知，高嶺土B 更適于襯墊材料的力學(xué)和摩擦磨損改性，主要原因在于其粒徑小、比表面積大，能與樹脂基體形成更大的相互作用界面，充分發(fā)揮填料高承載的補強作用，并起到減摩降磨的效果。

表3 各配方樣品拉伸性能匯總

圖1 各配方襯墊樣品摩擦因數(shù)-時間變化曲線

2.2 填料含量對高嶺土改性效果的影響

填料添加量是填料改性配方設(shè)計過程中重點考察的變量之一。選擇改性效果較理想的高嶺土B 作為填料，考察不同添加量下改性后襯墊材料的力學(xué)性能及摩擦磨損性能，結(jié)果如圖2，圖3 所示。

圖2 各填料含量下襯墊樣品的拉伸性能

圖3 各填料含量下襯墊樣品（a）摩擦因數(shù)-時間變化曲線及（b）摩擦磨損性能

由圖2 可知：當高嶺土B 的添加質(zhì)量分數(shù)為1%時，經(jīng)/緯紗的斷裂強力和斷裂伸長率變化不明顯；當添加質(zhì)量分數(shù)為2%時，經(jīng)/緯紗的斷裂強力和斷裂伸長率提高；進一步提高至4%時，經(jīng)/緯紗的斷裂強力及緯紗的斷裂伸長率進一步提升；而當添加量達到6%時，經(jīng)/緯紗的斷裂強力和斷裂伸長率不再進一步提高而是減小。由此可知，隨著高嶺土B 添加量的增加，改性后襯墊材料拉伸性能出現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在4%時，拉伸性能達到最佳，說明高嶺土B 在1%～4%添加量范圍內(nèi)可起到較好的補強作用，而當質(zhì)量分數(shù)達到6%時，微米級的填料在樹脂基體中不易分散，而形成團聚體，引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致力學(xué)性能下降。

由圖3 可知，當高嶺土添加質(zhì)量分數(shù)為1%時，襯墊材料的摩擦因數(shù)及磨痕深度較未填充樣品變化不顯著，摩擦因數(shù)-時間曲線較平穩(wěn)但波動較大，填料未起到明顯的減摩降磨的作用；當添加質(zhì)量分數(shù)為2%時，襯墊材料的摩擦因數(shù)及磨痕深度下降明顯；當添加質(zhì)量分數(shù)提高至4%時，摩擦因數(shù)及磨痕深度降至最低，摩擦因數(shù)-時間曲線最平穩(wěn)，波動最?。惶砑淤|(zhì)量分數(shù)為6%時，摩擦因數(shù)與磨痕深度有所提高，約9 000 s 時摩擦因數(shù)-時間曲線波動加大，減摩降磨效果下降。原因可能是當添加量過多時，填料易發(fā)生團聚形成較大尺寸的磨粒，在摩擦對偶之間形成磨粒磨損，使摩擦因數(shù)波動加劇，磨痕深度增加。綜上可知，當高嶺土B 的添加質(zhì)量分數(shù)為4%時，襯墊材料的力學(xué)性能及摩擦磨損性能最佳。

2.3 填料表面改性對高嶺土改性效果的影響

填料/樹脂基體界面性能對填料的改性效果影響很大，良好的界面結(jié)合是實現(xiàn)有效改性的前提之一。采用硅烷偶聯(lián)劑KH550 對高嶺土B 進行表面活化處理，考察對襯墊材料拉伸性能和摩擦性能的影響，結(jié)果見圖4，圖5。

由圖4 可知，當硅烷偶聯(lián)劑處理時間為2.5 h時，經(jīng)/緯紗的斷裂強力和斷裂伸長率變化不大；當處理時間為5 h 時，經(jīng)紗方向樣品的斷裂強力及斷裂伸長率達到最大值，分別為1.88 kN 及31.6%；進一步提高處理時間至7.5 h，經(jīng)/緯紗的斷裂強力及緯紗的斷裂伸長率較5 h 時變化不大。偶聯(lián)劑處理5 h 可有效提高高嶺土B 的表面活性，增加填料顆粒與樹脂基體的界面結(jié)合力，實現(xiàn)有效的應(yīng)力傳遞，對襯墊材料起到有效的補強作用；當填料表面活化基本飽和后，繼續(xù)延長處理時間改性效果不明顯。

圖4 各處理時間下襯墊樣品拉伸性能

由圖5 可知，當表面處理時間為2.5 h 時，改性后襯墊材料的摩擦因數(shù)及磨痕深度較未填充樣品無明顯變化，摩擦因數(shù)-時間曲線波動較大；當處理時間為5 h 時，改性后襯墊材料的摩擦因數(shù)及磨痕深度下降明顯，且摩擦因數(shù)-時間曲線較平穩(wěn)；當處理時間達到7.5 h 時，摩擦因數(shù)及磨痕深度未進一步減小，表明進一步延長處理時間對填料表面活性的改善作用不大。這與拉伸性能變化趨勢相類似，當硅烷偶聯(lián)劑處理時間過短時，填料表面活化不充分，界面修飾程度較低，改性效果不明顯；當處理時間增加到5 h 時，達到較理想的表面改性效果，襯墊材料的力學(xué)性能及摩擦磨損性能最佳。

圖5 各處理時間下襯墊樣品（a）摩擦因數(shù)-時間變化曲線及（b）摩擦磨損性能

3 結(jié)論

（1）超細高嶺土B 的改性效果優(yōu)于粒徑較大的高嶺土A。（2）在1.0%～6.0%間，當超細高嶺土B 質(zhì)量分數(shù)為4.0%時，襯墊材料的經(jīng)向斷裂強力為1.82 kN，斷裂伸長率為30.2%，緯向斷裂強力為1.74 kN，斷裂伸長率為28.6%，摩擦因數(shù)由未添加的0.117降至0.108，磨痕深度由0.049 mm 降至0.040 mm，綜合改性效果最理想。（3）使用硅烷偶聯(lián)劑KH550處理高嶺土B5 h 對襯墊制品的改性效果最佳，襯墊材料的經(jīng)向斷裂強力為1.88 kN，斷裂伸長率為31.6%，緯向斷裂強力為1.82 kN，斷裂伸長率為29.8%，摩擦因數(shù)由未處理的0.108 降至0.101，磨痕深度由0.040 mm 降至0.031 mm。

基于以上工作，通過粒徑篩選、添加量調(diào)配、表面改性處理得到的高嶺土粉末可有效改善襯墊材料的力學(xué)性能和摩擦磨損性能，提升襯墊材料的綜合性能，滿足更高的使用需求。