可熔融加工PTFE對FEP在干/濕環(huán)境中摩擦磨損性能的影響

唐思琪,邱孝濤,顧愛群,余自力

(四川大學(xué) 分析測試中心,四川 成都 610064)

聚四氟乙烯(PTFE)是結(jié)構(gòu)最簡單的全氟聚合物，具有優(yōu)異的耐化學(xué)性、絕緣性以及極低的表面能等性能[1].光滑的分子輪廓賦予PTFE良好的自潤滑性，但高度規(guī)整的分子鏈又帶來結(jié)晶度高及熔融粘度大的特點(diǎn)，即使升溫至分解溫度也無熔融流動性，因而不能采用熱塑性聚合物的常用加工手段進(jìn)行成型加工[2].同時，PTFE存在的冷流[3]以及蠕變[3-4]特性在一定程度上限制了其部分應(yīng)用.為改善PTFE的熔融可加工性，研究者們通過對其化學(xué)結(jié)構(gòu)改性發(fā)展了聚全氟乙丙烯(FEP)等品種.FEP作為一種全氟聚合物，同樣具有優(yōu)異的綜合性能，但-CF3側(cè)基使其分子鏈的規(guī)整性不如PTFE，結(jié)晶度較PTFE有所下降[5-6].極為重要的是，F(xiàn)EP的熔融粘度比PTFE低得多，在一定溫度下有良好熔融流動性，能夠使用擠出和注塑等成型方式加工成產(chǎn)品，克服了PTFE通過燒結(jié)工藝進(jìn)行成型加工的缺點(diǎn)，因而在機(jī)械、電子和航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用.

近年來，隨著科技進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)發(fā)展，電纜光纜的使用量在各行各業(yè)大幅度增大.FEP憑借其優(yōu)異性能，常用作線纜表面絕緣層及其他結(jié)構(gòu)部件的疏水涂層[7]和耐磨涂層[8]等，其共同特征是FEP為薄層.由于在安裝使用等過程中，F(xiàn)EP會與周圍物品發(fā)生接觸和摩擦，可能導(dǎo)致材料表面磨損而影響使用性能.因此，F(xiàn)EP在涉及摩擦環(huán)境下的安全服役行為就顯得十分重要.曹志強(qiáng)等[9]對比研究了FEP和PTFE涂層的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)FEP的摩擦系數(shù)明顯高于PTFE，其自潤滑性能相對較差.曹翠玲等[10]將FEP作為添加劑，利用機(jī)械共混和冷壓燒結(jié)的方法探究了FEP對PTFE共混物的摩擦磨損行為的影響，發(fā)現(xiàn)添加FEP所得共混物的摩擦磨損性能明顯下降，同樣說明FEP摩擦磨損性能比PTFE差.因此，進(jìn)一步提升FEP的摩擦磨損性能顯得很有必要.

為了在保留FEP固有性能的同時提高摩擦磨損性能，要求改性材料的性能不能明顯低于FEP.由于PTFE的理化性能與FEP相似，和FEP具有良好的相容性且摩擦學(xué)性能優(yōu)于FEP，因而PTFE是理想的改性材料.但傳統(tǒng)PTFE無熔融流動性，會降低改性效果，因此改進(jìn)加工性能一度是PTFE的重要研究內(nèi)容.前期的研究結(jié)果[11]顯示，采用電子加速器對PTFE進(jìn)行輻照可制備熔融可流動PTFE (M-PTFE)，并基本保留其固有性能.為此，本文中采用M-PTFE為改性劑，制備了MPTFE/FEP共混物，并對其在干、濕摩擦環(huán)境下的摩擦磨損行為進(jìn)行了研究.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

PTFE微粉：商品牌號為002A，上海三愛富新材料股份有限公司產(chǎn)品.

M-PTFE微粉：本實(shí)驗(yàn)室采用商品PTFE經(jīng)輻照后的產(chǎn)品[11]，其粒徑分布列于表1中，熔融峰值溫度約為288 ℃ [熔程為288.9～320.7 ℃，由差式掃描量熱儀(DSC)測試，見后文]，結(jié)晶度為51.0%.

表1 兩種PTFE原料的粒徑分布Table 1 Particle size distribution of PTFE and M-PTFE

FEP微粉：商品牌號為FR462，上海三愛富新材料股份有限公司產(chǎn)品.

1.2 材料制備

試驗(yàn)前，將所有原料在120 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥6 h，并置于保干器保存.將M-PTFE與FEP分別按照0:10、1:9、2:8和3:7的質(zhì)量比進(jìn)行配料和預(yù)混，然后在SJZS-10A型微型雙螺桿擠出機(jī)(武漢瑞鳴塑料機(jī)械有限公司生產(chǎn))上熔融共混擠出，擠出機(jī)的四段溫度分別為290、300、310和280 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為22.7 r/min.共混擠出后的樣品經(jīng)SZS-20型微型注塑機(jī)(武漢瑞鳴塑料機(jī)械有限公司生產(chǎn))注塑，制得符合國標(biāo)測量規(guī)格的拉伸樣條及摩擦樣條.注塑成型時的料筒溫度為320 ℃，模具溫度為150 ℃，注塑時間和保壓時間分別為25和 30 s，合模時間為50 s，注塑壓力和保壓壓力均為0.54 MPa.

上述擠出注塑成型方法可加工FEP測試樣條，但不能加工PTFE材料.為比較商品PTFE與FEP材料的摩擦學(xué)性能差異，采用熱壓成型方法制備了PTFE樣條.熱壓步驟分兩步，先在300 ℃條件下預(yù)熱5 min，再升溫至330 ℃熱壓5 min后減壓，于模具中緩慢冷卻至室溫后得到測試樣.

1.3 測試與表征

按照GB/T 3960-2016標(biāo)準(zhǔn)，在M-200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(北京冠測精電儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn))上進(jìn)行摩擦磨損測試.測試前，先用400#砂紙對鋼環(huán)表面進(jìn)行打磨處理，并依次用乙醇和去離子水對打磨面進(jìn)行清洗并干燥.將待測樣品放入鋼環(huán)正下方的凹槽中，施加所需載荷，進(jìn)行測試，測試示意圖如圖1所示.

Fig.1 Schematic diagrams of ring-block friction and wear test: (a)dry friction and wear test;(b)wet friction and wear test; (c)worn width圖1 環(huán)-塊式摩擦磨損試驗(yàn)示意圖(a)干摩擦磨損；(b)濕摩擦磨損；(c)試樣磨痕寬度

摩擦試樣的規(guī)格統(tǒng)一為6 mm×7 mm×30 mm，其摩擦系數(shù)(μ)由摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)儀器直接給出，體積磨損(ΔV)則參照國標(biāo)進(jìn)行計算.試驗(yàn)結(jié)果中涉及的體積磨損率(V)定義如下：

式中，ΔS是試樣在摩擦磨損試驗(yàn)中的總路程.

采用紅外光譜(FT-IR，Bruker公司的INVENIO?R型)對加工成片狀的樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，檢測模式為衰減全反射(ATR)，分辨率2 cm-1，掃描次數(shù)為16次，波數(shù)范圍為4 000～400 cm-1.

按照GB/T1040.1-2006標(biāo)準(zhǔn)，使用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)(5967型，Instron有限公司生產(chǎn))對材料的力學(xué)性能進(jìn)行測試，測試前將檢測樣在(23±2 ℃)環(huán)境下放置24 h，然后在該溫度下進(jìn)行測試，測試采用的拉伸速度為10 mm/min.每組樣品進(jìn)行5次平行測試后取平均值作為該組樣品的拉伸強(qiáng)度.

聚合物的熔點(diǎn)通過差示掃描量熱法(DSC1型，瑞士Mettler Toledo公司生產(chǎn))進(jìn)行表征，采用的升溫速率與降溫速率統(tǒng)一設(shè)定為10 ℃/min，測試氣氛為氮?dú)?為了消除熱歷史對測試結(jié)果的影響，將樣品升溫至350 ℃，保溫5 min，再等速降溫至30 ℃，保溫5 min后進(jìn)行重復(fù)操作.將第二次升溫過程和降溫過程中所測得的數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)結(jié)果.

聚合物的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)分析通過X射線衍射(XRD)進(jìn)行表征，采用的儀器為荷蘭帕納科公司的Empyrean型，以CuKα作為輻照源，電流為40 mA，電壓為40 kV，步進(jìn)為0.026 261°/s.

對待測表面進(jìn)行噴金處理后，采用掃描電子顯微鏡(JSM7500F型SEM，日本電子生產(chǎn))對試樣的脆斷面以及磨面形貌進(jìn)行分析，采用的電子束加速電壓為15 kV.其中，脆斷面的制備方式是將樣條浸入液氮1 min后，直接外力脆斷所得.

2 結(jié)果與討論

2.1 FEP及M-PTFE/FEP共混物的結(jié)構(gòu)與形貌表征

2.1.1 結(jié)構(gòu)表征

不同M-PTFE添加量的FEP共混物的FT-IR結(jié)果顯示，其紅外光譜與FEP的吸收峰相同，無新峰出現(xiàn)說明共混過程中未發(fā)生明顯化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化.同時，隨著M-PTFE填充量的增加，歸屬于-CF2特征峰的強(qiáng)度逐漸增大，這是由于M-PTFE分子主要由-CF2基團(tuán)構(gòu)成，符合加合規(guī)律.

圖2(a)所示為所有試樣的XRD圖譜，它顯示所有樣品均具有結(jié)晶性，最強(qiáng)峰的衍射角(2θ)出現(xiàn)在17°～19° [(100)晶面].當(dāng)加入M-PTFE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，2θ值從FEP的17.36°升高到17.79°.同時，隨MPTFE添加量的增大，2θ值繼續(xù)升高，直至M-PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時，M-PTFE共混材料的2θ增大至17.86°，并與M-PTFE的17.88°和商品PTFE的18.31°越來越相近[圖2(b)]，呈現(xiàn)向PTFE均聚物的晶型靠近的趨勢，王超等[12]也有類似報道.同時，(100)晶面對應(yīng)的峰以及其他兩個弱峰的強(qiáng)度隨著M-PTFE添加量的增大而增大，這些現(xiàn)象均說明共混加工過程中聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化.White等[5]對不同六氟丙烯(hexafluoropropylene,HFP)含量共聚所得FEP的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究后，發(fā)現(xiàn)HFP鏈段中的-CF3并不是存在于晶胞表面或非晶區(qū)，而是存在于PTFE的晶胞結(jié)構(gòu)中形成了點(diǎn)缺陷；隨HFP含量的增加，所得FEP的XRD中衍射峰對應(yīng)的衍射角減小，衍射峰會變寬.因此隨著M-PTFE的加入，形成的共混物中的HFP單元含量降低，造成了衍射角的增加，充分說明共混物中兩種聚合物的相容性良好，也與PTFE共聚物共混時發(fā)生共結(jié)晶的報道一致[13].隨著M-PTFE添加量的增大，樣品的結(jié)晶峰變得更加尖銳，強(qiáng)度也逐漸增加，說明結(jié)晶度有升高的趨勢，有可能賦予FEP共混物更高的拉伸強(qiáng)度.

Fig.2 XRD patterns of starting materials and FEP blends with M-PTFE圖2 原材料以及含不同M-PTFE添加量的FEP共混物的XRD圖譜

2.1.2 形貌表征

圖3所示為FEP及加入不同含量M-PTFE的FEP共混材料脆斷面形貌的SEM照片.從圖3(a)可以看出，純FEP的脆斷面較平整均勻，而圖3(b～d)的M-PTFE/FEP共混材料脆斷面的平整度明顯變差，且顯示出韌性斷裂的特征，這可能是由于PTFE在液氮環(huán)境中仍具有一定的撓曲性[14]，改善了共混物的低溫韌性.仔細(xì)觀察M-PTFE/FEP共混材料的脆斷面，還可以看到斷面上存在一些顆粒狀物質(zhì)(圖中箭頭所指顆粒)，且相對數(shù)量隨著M-PTFE含量的增加而增加，根據(jù)FEP以及PTFE的性能推斷，這些顆粒狀物質(zhì)應(yīng)該為M-PTFE.雖然試驗(yàn)中所用的M-PTFE的分子量較低，且熔點(diǎn)低于加工溫度，在加工過程中會發(fā)生熔融并與FEP實(shí)現(xiàn)熔融混合.但輻照所得原料中仍存在一部分較大的顆粒，其熔點(diǎn)較高(可從原料的粒徑分布以及熔程范圍得到證實(shí))，盡管這些較大顆粒在加工過程中也會發(fā)生熔融，但其熔融粘度較大，難以與FEP熔體充分混合，在熔體冷卻過程中會單獨(dú)結(jié)晶，再次形成顆粒.由于這種較大顆粒所占的比例較低，因此可以認(rèn)為絕大部分M-PTFE與FEP已經(jīng)均勻共混在一起，這種相容性良好的共混可以限制PTFE以及FEP的獨(dú)立結(jié)晶，也會增大M-PTFE/FEP共混物的韌性，導(dǎo)致低溫韌性斷裂.

圖4所示為按照相同質(zhì)量比制備的PTFE/FEP共混材料脆斷面形貌的SEM照片.對比圖3可以發(fā)現(xiàn)，三組PTFE/FEP平行樣的斷面上同樣存在顆粒狀物質(zhì)，且顆粒尺寸更大，表面粗糙不平并伴有纖維狀細(xì)絲，出現(xiàn)的量也明顯多于M-PTFE/FEP樣品，說明上述推斷是合理的，即M-PTFE與FEP的相容性更好.

Fig.3 SEM micrographs of cryo-fractured surface of FEP and M-PTFE/FEP blends圖3 FEP材料及M-PTFE/FEP共混物脆斷面的SEM照片

Fig.4 SEM micrographs of the cryo-fractured surface of FEP with indicated PTFE contents圖4 不同PTFE添加量的FEP共混物脆斷面的SEM照片

2.2 FEP共混材料的熱性能

原材料以及M-PTFE/FEP共混物的DSC曲線如圖5所示.其中圖5(a)所示為經(jīng)輻照改性前后PTFE的DSC曲線圖，在288.9和 320.7 ℃附近出現(xiàn)了較寬的熔融峰，說明輻照的均勻性不是很理想，證實(shí)了上述SEM中對存在顆粒物的解釋.與PTFE比較，M-PTFE的熔點(diǎn)明顯更低.圖5(b)和(c)所示結(jié)果顯示，F(xiàn)EP及其共混物的DSC曲線均顯示了明顯的結(jié)晶和晶體熔化過程，但較寬的溫度范圍說明晶體的完善度較差.共混所得樣品的熔融以及結(jié)晶溫度范圍進(jìn)一步變寬，且隨M-PTFE含量的增加有增大的趨勢，說明M-PTFE與FEP形成了相容性良好的共混物.特別是共混物中M-PTFE的結(jié)晶峰消失，使得共混物的結(jié)晶峰和熔融峰的峰位均接近于FEP的對應(yīng)峰，說明M-PTFE已經(jīng)較均勻地分散在FEP中，難以單獨(dú)結(jié)晶.由于FEP結(jié)構(gòu)中的主要結(jié)構(gòu)單元與PTFE相同，它們的結(jié)構(gòu)相似，很好地解釋了相容性良好的結(jié)果，也與XRD的測試結(jié)果一致.DSC測試中出現(xiàn)的結(jié)晶峰變寬的現(xiàn)象，推測其原因與結(jié)晶過程有關(guān)：由于加入的M-PTFE的量較少，且與FEP相容性良好，因此其僅分散在FEP中并對FEP的結(jié)晶過程產(chǎn)生一定程度的影響，例如結(jié)晶速率以及晶體的完善程度.較寬大的熔融峰也說明共混物的結(jié)晶度隨M-PTFE的增加有增加的趨勢，Pucciariello等[15]研究的FEP/PFMVE (四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚共混物)也有類似結(jié)果報道.

Fig.5 DSC curves of (a)starting material and (b,c)blends圖5 (a)原材料以及(b,c)共混物的DSC曲線

2.3 FEP共混材料的力學(xué)性能

圖6(a)所示為不同M-PTFE添加量的FEP共混材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.從圖6(a)中可以看出，所有試樣的斷裂類型均為韌性斷裂，隨著M-PTFE添加量的增大，共混物的拉伸屈服強(qiáng)度升高，與XRD測試的結(jié)晶度升高結(jié)果的推測相符.為了更直觀地說明拉伸強(qiáng)度與M-PTFE加入量的關(guān)系，將二者作圖得到圖6(b).當(dāng)M-PTFE添加量為30%時，共混材料的拉伸強(qiáng)度為17.5 MPa，比FEP提高了65%.

Fig.6 Tensile properties of FEP blends with various addition of M-PTFE: (a)stress-strain curve;(b)tensile strength vs. M-PTFE content圖6 不同M-PTFE添加量的FEP共混材料的拉伸性能：(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b)拉伸強(qiáng)度與M-PTFE添加量的關(guān)系

2.4 PTFE和FEP共混物的摩擦磨損性能

2.4.1 PTFE和FEP的摩擦磨損性能

鑒于未增強(qiáng)或填充的高分子材料一般僅用于低載荷情況下的潤滑材料，因此此后主要報道100 N載荷下摩擦2 h的測試結(jié)果.圖7(a～b)顯示，PTFE的摩擦系數(shù)明顯低于FEP，摩擦過程中的生熱也較FEP輕微.PTFE試樣的干摩擦磨損表面形貌照片[圖7(c)]顯示，摩擦過程中PTFE試樣摩擦生熱，發(fā)生了塑性形變(圖中箭頭所指之處)，且PTFE試樣在干摩擦條件下的摩擦機(jī)理以黏著磨損為主.而從FEP磨痕形貌照片[圖7(d)]中則可以看出，其磨痕表面較為粗糙，塑性變形情況更明顯.這與摩擦過程中生熱較PTFE嚴(yán)重且難以有效釋放，造成試樣表面變軟，在鋼環(huán)的剪切作用下發(fā)生明顯形變開裂有關(guān).說明FEP試樣的干摩擦磨損性能較差，與閻逢元等[16]開展的FEP干摩擦研究結(jié)果一致，即不論采用何種摩擦方式(例如球-盤、環(huán)-塊)，F(xiàn)EP在高應(yīng)力作用下均易產(chǎn)生裂紋.FEP磨面磨損主要由疲勞開裂所致，磨損機(jī)理推測為黏著磨損與疲勞磨損的結(jié)合.

Fig.7 Friction and wear properties of PTFE and FEP under dry condition: (a,b)friction coefficient and counterpart temperature; (c,d)SEM micrographs of worn surface圖7 PTFE和FEP的干摩擦性能：(a,b)摩擦系數(shù)和鋼環(huán)溫度；(c,d)干摩擦磨損表面形貌的SEM照片

圖8所示為PTFE和FEP試樣的濕摩擦試驗(yàn)結(jié)果，其顯示二者的摩擦系數(shù)和生熱相當(dāng).圖8(c)中PTFE磨損表面形貌的SEM照片顯示磨損表面較為平整光滑，但伴有輕微的犁溝.磨損表面的片狀物質(zhì)可能是由磨屑聚集引起的，分析可能是水流沖刷作用導(dǎo)致鋼環(huán)上的PTFE轉(zhuǎn)移膜脫落，亦或是磨屑本身在鋼環(huán)剪切作用下堆積成片并黏著在磨損表面造成磨損表面磨損.水的存在能夠破壞PTFE轉(zhuǎn)移膜的形成，在一定程度上抑制黏著磨損的發(fā)生.而圖8(d)中FEP磨損表面形貌的SEM照片顯示FEP磨損表面雖有輕微塑性變形，但整體顯得干凈平整，無開裂現(xiàn)象，與干摩擦磨損表面有顯著差異.比較干濕條件下的測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，干摩擦狀態(tài)下PTFE轉(zhuǎn)移膜的粘附性很好，受溫度波動的影響小，而水潤滑環(huán)境下的轉(zhuǎn)移膜則穩(wěn)定性不好[圖8(c)]，難以均勻形成牢固的保護(hù)性轉(zhuǎn)移膜[17].因此FEP在濕摩擦環(huán)境中的磨損機(jī)制主要是犁溝磨損.

Fig.8 Friction and wear properties of PTFE and FEP under wet friction: (a,b)friction coefficient and counterpart temperature; (c,d)SEM micrographs of worn surface圖8 PTFE和FEP的濕摩擦性能：(a,b)摩擦系數(shù)和鋼環(huán)溫度；(c,d)濕摩擦磨損表面形貌的SEM照片

作為一種與PTFE化學(xué)結(jié)構(gòu)類似的全氟聚合物，F(xiàn)EP盡管具有與PTFE相近的耐熱和耐腐蝕等性能，但其自潤滑性能與PTFE仍有一定差別.上述試驗(yàn)結(jié)果表明，在干摩擦條件下PTFE的摩擦系數(shù)明顯低于FEP，而濕摩擦情況下由于水的潤滑和冷卻，導(dǎo)致這一優(yōu)勢有所弱化.但是通過試驗(yàn)中多組試樣的統(tǒng)計分析可知，PTFE整體的摩擦系數(shù)仍然略低于FEP，說明在FEP中加入PTFE在一定程度上會改善FEP的自潤滑性能.因此后續(xù)將利用擠出注塑手段以M-PTFE作為改性劑制備不同含量的M-PTFE/FEP共混物，并探究其在干、濕環(huán)境下的摩擦磨損行為.

2.4.2 M-PTFE/FEP共混物的摩擦性能

圖9所示為FEP和M-PTFE/FEP共混物在不同環(huán)境下的干摩擦行為.對比圖9(a)和圖9(b)發(fā)現(xiàn)，M-PTFE的加入明顯降低了FEP的摩擦系數(shù)，且摩擦系數(shù)隨MPTFE添加量的增加而降低.

Fig.9 Friction and wear properties of FEP blends under dry condition: (a)friction coefficient;(b)average friction coefficient; (c)volume wear rate圖9 FEP及M-PTFE/FEP共混物的干摩擦磨損性能：(a)摩擦系數(shù)；(b)平均摩擦系數(shù)；(c)體積磨損率

值得注意的是，在FEP中加入一定量的M-PTFE后，其體積磨損率有所下降.在本試驗(yàn)中的范圍內(nèi)，當(dāng)M-PTFE添加量為20%時體積磨損率出現(xiàn)了最低值.這是由于FEP與M-PTFE分子結(jié)構(gòu)相似，相似相容原理導(dǎo)致兩者并非簡單的機(jī)械共混[18].因此，當(dāng)M-PTFE添加量適當(dāng)時，形成穩(wěn)定牢固的轉(zhuǎn)移膜，使得FEP共混物的自潤滑性能及耐磨性能均能夠得到有效改善.由于M-PTFE本身耐磨性較差[19]，所以當(dāng)添加量達(dá)到30%時，在整個體系中所占比例增大，盡管所得材料的摩擦系數(shù)有所降低，但體積磨損率相應(yīng)提高.

FEP共混物在水環(huán)境下的摩擦試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示.從圖10(a～c)中可以看出，水環(huán)境下共混物的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)均處于0.1以下，明顯低于干摩擦條件的摩擦系數(shù)，與FEP的摩擦試驗(yàn)結(jié)果類似.從圖10(b)和圖10(c)可知，共混物的摩擦系數(shù)更易受M-PTFE添加量的影響.由于試樣在水環(huán)境中形成的M-PTFE轉(zhuǎn)移膜被水流沖刷易導(dǎo)致脫落[20]，因此當(dāng)M-PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、10%和20%時，隨著M-PTFE含量的增大，共混物的摩擦系數(shù)先增大后減小.同時，產(chǎn)生的少量磨屑隨著水流的運(yùn)動轉(zhuǎn)移至磨面外的過程中起著粗化表面的作用[21]，導(dǎo)致體積磨損率卻隨著M-PTFE含量的增加而增加.但當(dāng)M-PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大至30%時，由于M-PTFE轉(zhuǎn)移膜在摩擦過程中的脫落較多，水流嵌入基體材料的缺陷處被壓縮，因而產(chǎn)生了高壓區(qū)域抵消載荷，緩解了磨面的磨損[21]，使得試樣的體積磨損率反而降低，但摩擦系數(shù)卻相對提高.因此試樣在水潤滑條件下，由于水分子阻止轉(zhuǎn)移膜的形成，使得共混物的摩擦系數(shù)相對較小，但體積磨損率整體上稍微增大[20]，且出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，與干摩擦試驗(yàn)呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律.

Fig.10 Wet friction coefficient and volume wear rate of FEP blends: (a)friction coefficient;(b)average friction coefficient; (c)volume wear rate圖10 FEP及M-PTFE/FEP共混物的濕摩擦磨損性能：(a)摩擦系數(shù)；(b)平均摩擦系數(shù)；(c)體積磨損率

2.5 FEP共混物的摩擦磨損機(jī)理討論

為了深入探討M-PTFE對FEP摩擦磨損行為的影響以及其在干、濕摩擦環(huán)境中的摩擦磨損行為差異，采用SEM對試樣磨面的磨痕形貌進(jìn)行表征，如圖11所示.從圖11(a～c)可以發(fā)現(xiàn)，M-PTFE的加入能夠有效緩解磨面塑性形變，且M-PTFE的添加量越大，磨面越光滑.作為一種自潤滑添加劑，磨損后的M-PTFE碎屑經(jīng)再循環(huán)最終形成薄而均勻且牢固的轉(zhuǎn)移膜粘附在對偶面[22]，從而有效減少鋼環(huán)與試樣的直接接觸，這將會使得鋼環(huán)對試樣表面的摩擦降低，從而減少了摩擦熱的產(chǎn)生，也就使得磨痕面變得更加平整.

圖11(d～f)所示為共混物在水潤滑條件下磨痕形貌的SEM照片.值得注意的是，水潤滑條件下共混物磨痕形貌的變化趨勢與干摩擦條件下差異較大.具體表現(xiàn)為：隨著M-PTFE添加量的增大，共混物磨面的粗糙度逐漸增大，這與干摩擦條件下剛好呈現(xiàn)出相反的趨勢.在M-PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤10%時，由于與水在作相對運(yùn)動，使原本少量的磨屑不易堆積在磨面，且在轉(zhuǎn)移至磨痕邊緣的過程中直接從側(cè)面落入水中，因此磨屑在磨面上的停留時間較少，不易團(tuán)聚.但從圖11(e)和(f)中明顯看出，M-PTFE含量進(jìn)一步增大時，磨面除了出現(xiàn)大量細(xì)窄的犁溝外，還存在部分細(xì)小的磨屑分布在磨面.尤其是對M-PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的共混物而言，磨面出現(xiàn)明顯的片層物質(zhì)覆蓋現(xiàn)象，這是黏著磨損的典型形貌特征.

Fig.11 SEM micrographs of worn surface of FEP blends with various content of M-PTFE under dry/wet condition: (a～c)worn surface under dry condition; (d～f)worn surface under wet condition圖11 不同添加量M-PTFE的FEP共混物在干/濕條件下的磨面形貌的SEM照片：(a～c)干摩擦磨面；(d～f)濕摩擦磨面

圖12所示的少量細(xì)長纖維是添加了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的M-PTFE的三組FEP基共混物經(jīng)2 h濕摩擦后均出現(xiàn)的物質(zhì).結(jié)合Wang等[21]的研究結(jié)果推斷，這可能是在摩擦過程中，柔軟的PTFE被磨出后在剪切力作用下發(fā)生纖維化，并聚集形成了結(jié)晶帯.由于其高強(qiáng)度的特點(diǎn)，與水協(xié)同承擔(dān)了施加在磨面上的一部分載荷，這也是純FEP試樣的濕摩擦磨面較光滑而共混物試樣犁溝較多的原因之一.

Fig.12 M-PTFE crystalline bands on SEM micrographs of worn surface of FEP-based blends at indicated M-PTFE addition圖12 在不同M-PTFE質(zhì)量比的FEP基共混物磨面的SEM照片上呈現(xiàn)的M-PTFE結(jié)晶帯

綜上所述，濕摩擦條件下，由于水在摩擦過程中起著導(dǎo)熱散熱的作用，可以通過吸收摩擦產(chǎn)生的熱而降低試樣發(fā)生塑性形變的程度.但水流的波動也會增加M-PTFE在鋼環(huán)上形成轉(zhuǎn)移膜的難度，或者使轉(zhuǎn)移膜易從鋼環(huán)上脫落，還會抑制磨屑在磨面上的堆積[23].同時，磨面上形成的大量淺而細(xì)的犁溝表明，M-PTFE磨損聚集而成的一部分結(jié)晶帶可能對磨面造成一定程度的犁溝磨損.因此，共混物在濕摩擦條件下的摩擦磨損機(jī)理是黏著磨損與犁溝磨損的結(jié)合.

3 結(jié)論

將M-PTFE與FEP進(jìn)行熔融共混制備了共混物，并對其在干、濕條件下的摩擦磨損行為進(jìn)行了研究，通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析，總結(jié)得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a.FEP及M-PTFE/FEP共混物的拉伸斷裂方式均為韌性斷裂，并且M-PTFE的加入可以提高FEP共混物的拉伸強(qiáng)度.

b.與FEP比較，干摩擦條件下PTFE具有更低的低摩擦系數(shù)，且磨面更為平整；而濕摩擦條件下的差異不明顯.

c.加入M-PTFE可以有效改善FEP的干摩擦磨損性能，但對濕摩擦磨損性能的改善不太顯著.由此說明，M-PTFE轉(zhuǎn)移膜在干摩擦環(huán)境下的附著穩(wěn)定性優(yōu)于濕摩擦環(huán)境.

d.在本文中的研究范圍內(nèi)，當(dāng)M-PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，可有效改善FEP材料在干環(huán)境下的摩擦系數(shù)與體積磨損率，這將有利于為今后在具備特殊需求的各類涂層以及絕緣層等方面擴(kuò)大應(yīng)用市場，進(jìn)一步提升全氟聚合物在摩擦領(lǐng)域的地位.同時，水潤滑條件下，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的M-PTFE后可降低FEP的摩擦系數(shù)，但體積磨損率呈輕微上升趨勢，因此整體上綜合評判可知，M-PTFE對FEP濕摩擦磨損性能有一定程度的改善，但效果不太理想.

e.比較含相同質(zhì)量比的M-PTFE/FEP共混物可知，試樣在濕摩擦條件下的摩擦系數(shù)與體積磨損率均低于干摩擦條件，即M-PTFE/FEP共混物的濕摩擦磨損性能優(yōu)于干摩擦磨損性能.