全无油往复压缩机用碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料的性能研究

杨家义，杨博峰，李 香，沈宗沼，刘 杰，鲍 军

(合肥通用机械研究院 压缩机技术国家重点实验室 合肥压缩机技术省级实验室通用机械复合材料技术安徽省重点实验室，安徽合肥 230031)

全无油往复压缩机用碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料的性能研究

杨家义，杨博峰，李 香，沈宗沼，刘 杰，鲍 军

(合肥通用机械研究院 压缩机技术国家重点实验室 合肥压缩机技术省级实验室通用机械复合材料技术安徽省重点实验室，安徽合肥 230031)

随着全无油往复压缩机排气压力的不断升高，普通配方增强聚四氟乙烯密封材料无法满足使用寿命要求。碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料具有更加优异的耐磨性、自润滑性和力学性能。本文选用不同类型的直线型碳纤维采用模压法制备了碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料，并对其断面形态、表面硬度、弯曲性能、摩擦磨损性能等进行了测试研究，结果表明：采用高强度、低颗粒度含量的CF-1碳纤维制得的1#密封材料具有最佳的综合力学性能；采用低强度、低长径比的CF-3碳纤维制得的3#密封材料具有最高的表面硬度和弯曲强度。

全无油往复压缩机；碳纤维；聚四氟乙烯；密封材料；性能研究

1 前言

全无油往复压缩机具有气缸无油自润滑，排出的气体洁净，能简化设备和延长触媒使用寿命等优点，在化工、国防、冶金、石油炼制、仪表、食品、医疗、纺织等领域获得广泛应用。为实现无油润滑状态下的密封，通常在活塞和气缸间使用增强聚四氟乙烯自润滑密封材料予以保证[1]。

随着全无油往复压缩机排气压力的不断升高，普通配方增强聚四氟乙烯材料无法满足使用寿命要求[2～5]。碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料具有更加优异的耐磨性、自润滑性和力学性能，国内有很多学者对此进行了研究[6～12]：孙春峰等通过冷压成型和烧结固化工艺制备了不同配方下碳纤维增强聚四氟乙烯(PTFE)试样,测试结果表明：随着碳纤维质量份数的增加，碳纤维增强PTFE材料的冲击性能有所下降；而拉伸强度和硬度则呈递增趋势，抗磨损性能明显提高；碳纤维与PTFE在偶联剂的作用下能够很好相容[6]。何丽红等研究了不同碳纤维填充比例对聚四氟乙烯(PTFE)耐磨性、摩擦系数、表面硬度、冲击韧度等性能的影响，结果表明：添加碳纤维使PTFE的耐磨性大大提高，摩擦系数增大，表面硬度增大，但冲击韧度大大降低[8]。项东虎等选用螺旋碳纤维(CMCs)和直碳纤维(SCF)填充改善聚四氟乙烯(PTFE)的综合性能[10]，添加其中任何一种碳纤维都会不同程度地提高PTFE复合材料的摩擦系数，高载下的摩擦系数稍低于低载下的摩擦系数；另外，随着碳纤维含量的增加，其耐磨性能逐步提高,磨损率下降；直纤维增强复合材料的硬度呈先增大后减小的趋势，螺旋碳纤维增强复合材料的硬度则缓慢提高，2种纤维均可使抗压强度提高，且螺旋碳纤维的效果更为明显，从断裂位移可以看出，碳纤维的添加大大改善了纯PTFE的塑性性能。姚荣庆等研究了碳纤维填充改性聚四氟乙烯密封环的力学性能和抗蠕变性能[11]，结果表明：空气氧化法加涂层的组合表面处理方式能提高碳纤维与聚四氟乙烯树脂间的界面结合能力。随着碳纤维用量的增加，密封环的抗蠕变性能得到改善，当碳纤维质量分数为25%时得到最佳的效果，同时，特殊的热处理工艺能使密封环获得较好的低蠕变性能和稳定的尺寸。

碳纤维是增强聚四氟乙烯密封材料的常用改性剂，以上文献就碳纤维的用量对聚四氟乙烯密封材料的性能影响进行了深入的研究。但是对于常用的直线型碳纤维，由于类别不同，其原材料品种、结构尺寸、碳含量、颗粒状含量等均有所不同，对聚四氟乙烯密封材料的表面硬度、弯曲、耐磨等性能的增强效果也不尽相同。本文采用3种直线型碳纤维制备增强聚四氟乙烯密封材料，并对其相关性能进行对比研究，研究结果对于碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料的深入研究有一定的借鉴意义，而且有助于机械设计人员对密封材料配方的选择。目前，国内对此方向还未见相关研究报道。

2 密封材料的制备

2.1 原材料

采用的聚四氟乙烯为悬浮法合成的细颗粒树脂粉末，粒径25～35 μm，拉伸强度≥35 MPa，拉伸断裂伸长率≥350%；采用的碳纤维为PAN基磨碎碳纤维和沥青基碳纤维，纤维长径比为5∶1～10∶1，纤维直径5～15 μm，碳含量96%～98%，主要分为3种，见表1。

表1 不同类别碳纤维的编号及性能参数

从表1可以看出，CF-1类碳纤维材料具有最高的拉伸强度和拉伸模量，但颗粒状含量最低，仅为1%，碳含量95%，纤维直径与长径比与CF-2类碳纤维相同，价位最高；CF-2类碳纤维材料拉伸强度低于CF-1类碳纤维，但远高于CF-3类碳纤维，颗粒状含量最高，为10%，碳含量最低，价位最低；CF-3类碳纤维材料的拉伸强度和拉伸模量最低，纤维直径最粗，长径比最小，颗粒状含量适中，碳含量最高，价位中等。

2.2 制备工艺方法

碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料采用粉末冶金的方法制备，主要过程包括：混料、压制、烧结、热处理等。碳纤维在使用前采用自制的含氟偶联剂对其进行表面处理，以提高碳纤维与聚四氟乙烯基体间的亲和力，改善界面浸润状态。

分别取3种不同类别的碳纤维(已经过偶联剂表面处理)，与聚四氟乙烯粉末在专用混合机上进行混合(碳纤维质量份20%，聚四氟乙烯质量份为80%)，混合好的材料编号为1#，2#，3#，见表2。取一定量的混合料，在规定的模具中室温压制成型，压力为40～50 MPa，多次排气。将毛坯放入烘箱中进行烧结，烧结程序如下：室温到300 ℃，升温速率为70 ℃/h，300 ℃保温1 h， 300 ℃到375 ℃，升温速率为50 ℃/h，375 ℃保温1～3 h，375 ℃降到室温，降温速率为70 ℃/h，室温后取出试验材料，在固定的模具中进行热处理，得到碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料的试验毛坯。

表2 不同类别碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料的编号及各组分含量

3 密封材料的性能研究

按照GB/T 2411-2008的要求，对不同配方的碳纤维增强聚四氟乙烯试验材料进行表面硬度的测试，测试工具为邵氏硬度计(D型)；按照GB/T 9341-2008的要求对不同配方的碳纤维增强聚四氟乙烯试验材料进行弯曲性能的测试，试验件尺寸为80 mm×10 mm×4 mm，测试设备为CMT4304型微机控制电子万能试验机；按照GB 3960-1983的要求对不同配方的碳纤维增强聚四氟乙烯试验材料进行摩擦磨损性能的测试，试验件尺寸为30 mm×6 mm×7 mm，测试装置为M-200型摩擦磨损试验机，试验转速200 r/min，载荷200 N，干摩擦，对应摩擦副为表面淬火处理的45#钢环，硬度HRC35～38。采用冷场发射电子束流观察不同配方碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料的断面形态，测试设备为SU8020场发射扫描电子显微镜。

3.1 断面形态

采用扫描电镜对不同配方碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料的断面形态进行了放大分析，具体的SEM照片见图1～3(放大500倍和4000倍)。从图1(a)中可看出，1#材料断面有大量的短切纤维，长度均小于50 μm，直径5～7 μm，颗粒状较少，从图1(b)中可以看到，碳纤维和聚四氟乙烯树脂之间有明显的拉伸银纹；从图2中可看出，2#材料断面有少量的纤维体，长度小于50 μm，颗粒状较多，分布不均匀，材料断面导电性差，照片不清晰；从图3(a)中可看出，3#材料断面有一些明显的短切纤维，长度大于50 μm，颗粒状也较少，照片清晰，纤维体基本被树脂包裹，从图3(b)中可以看到，纤维体的直径较粗，大于10 μm，但长径比不高，碳纤维基本插入到聚四氟乙烯树脂基体中。

(a)放大500倍

(b)放大4000倍

图2 2#材料的断面形态(放大500倍)

(a)放大500倍

(b)放大1400倍

3.2 表面硬度

采用D型邵氏硬度计对不同配方碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料的表面硬度进行测试(环境温度12℃)，测试结果如图4。从图4可看出，采用CF-1和CF-3碳纤维制得的1#和3#材料的表面硬度最高，大于70，采用CF-2碳纤维制得的2#材料，表面硬度最低，为69.7。材料的表面硬度与碳纤维在复合材料中的分散状态、碳纤维结构形态和碳纤维本身的碳含量有关，在碳纤维用量相同的情况下，混合状态越均匀，纤维体含量越高，复合材料的表面硬度越高，因为3#材料中CF-3碳纤维在聚四氟乙烯树脂中混合状态较好，颗粒状含量少，而且具有96%的碳含量，所以3#材料的表面硬度最高，而采用CF-2碳纤维制得的2#材料表面硬度最低。

图4 不同配方碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料的表面硬度

3.3 弯曲性能

采用电子万能试验机对不同配方碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料的弯曲强度、弯曲模量进行测试，测试结果如图5，6。从图5中可看出，采用CF-3碳纤维制得的3#材料的弯曲强度最高，数值为24.84 MPa，采用CF-2碳纤维制得的2#材料，弯曲强度最低，数值为22.49 MPa。虽然CF-1和CF-2碳纤维材料本身的强度很高(CF-1：4800 MPa ，CF-2：3000 MPa)，但在制成增强聚四氟乙烯密封材料后，其弯曲强度并非最高，反而CF-3增强聚四氟乙烯密封材料的弯曲强度最高，这可能是因为CF-3碳纤维材料长径比最短，与聚四氟乙烯粉末粒径接近，混合效果更好，在弯曲试验中，有效承载了弯曲应力，从而表现出更高的弯曲强度。因此，在要求提高密封材料弯曲强度时，不可盲目选用高强度的碳纤维品种。

图5 不同配方碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料的弯曲强度

图6 不同配方碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料的弯曲模量

从图6中可看出，采用CF-1碳纤维制得的1#材料的弯曲模量最高，可以达到1.78 GPa，采用CF-2碳纤维制得的2#材料，弯曲模量最低，为1.45 GPa。

3.4 摩擦磨损性能

采用摩擦磨损试验机对不同配方碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料的磨耗量、磨痕宽度进行测试，测试结果如图7所示。

图7 不同配方碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料的磨耗量和磨痕宽度

从图7中可看出，采用CF-1碳纤维制得的1#材料的磨耗量最小，为0.0006 mg，采用CF-3碳纤维制得的3#材料，磨耗量最大，为0.00087 mg。采用CF-2碳纤维制得的2#材料的磨痕宽度最小，为3.27 mm，采用CF-3碳纤维制得的3#材料，磨痕宽度最大，为3.92 mm。由此可见，采用CF-3碳纤维制得的3#材料在标准的干摩擦试验条件下表现出的耐磨损性能最差，而1#、2#材料表现出的耐磨损性能较好，这是因为CF-1，CF-2碳纤维的拉伸强度较高，与聚四氟乙烯树脂界面结合情况良好，局部位置甚至出现了银纹，在摩擦磨损试验过程中，碳纤维链段有效牵制了聚四氟乙烯分子链的滑移，减小了磨耗量和磨痕宽度。

采用摩擦磨损试验机对不同配方碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料的摩擦系数进行测试，测试结果如图8所示。从图8中可看出，采用CF-3碳纤维制得的3#材料的平均摩擦系数最小，为0.192，采用CF-2碳纤维制得的2#材料，平均摩擦系数最大，为0.206。碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料的摩擦系数的高低与材料中石墨结构的碳含量有关，具有石墨结构的碳含量越高，材料的摩擦系数越低，自润滑性越好，CF-3碳纤维中的碳含量最高，颗粒状含量为5%，这可能是导致其摩擦系数最低的原因。从摩擦磨损试验曲线来看，采用CF-1碳纤维制得的1#材料摩擦状态最为稳定，摩擦系数变化不大，数值为0.183～0.213，而2#、3#材料摩擦状态不稳定，摩擦系数变化较大，2#材料为0.158～0.254，3#材料为0.15～0.233，所以总体而言，1#材料的耐干摩擦性能最好，磨耗量最小，摩擦状态最稳定。

图8 不同配方碳纤维增强聚四氟乙烯密封材料的平均摩擦系数

4 结论

(1)采用CF-1碳纤维制备的1#材料具有中等的表面硬度、弯曲强度，但弯曲模量最高，磨耗量最小，摩擦磨损试验状态最稳定，具有最佳的综合性能。从扫描电镜照片中也可看出，碳纤维与树脂基体结合状况良好，拉伸部位出现了银纹，该配方的材料适用于摩擦状况恶劣的高压差压缩机领域。

(2)采用CF-2碳纤维制得的2#材料具有最低的表面硬度、弯曲强度和弯曲模量，平均摩擦系数最大，磨耗量中等，摩擦磨损试验状态稳定，综合性能一般。

(3)采用CF-3碳纤维制得的3#材料具有最高的表面硬度和弯曲强度，虽然平均摩擦系数最小，但磨耗量和磨痕宽度最大，磨损状态不稳定，适用于一般摩擦状况的低压差压缩机领域。

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Study on Properties of Carbon Fiber Reinforced PTFE Sealing Material Applied in Non-lubricated Reciprocating Compressor

YANG Jia-yi,YANG Bo-feng,LI Xiang,SHEN Zong-zhao,LIU Jie,BAO Jun

(Hefei General Machinery Research Institute,State Key Laboratory of Compressor Technology,Hefei Provincial Laboratory of Compressor Technology,Anhui Key Laboratory of General Mechanical Composite Technology,Hefei 230031,China)

The general formula PTFE sealing material could not meet the requirements of service life,with the increasing of the exhaust pressure of non-lubricated reciprocating compressor.Carbon fiber reinforced PTFE sealing material had excellent wear resistance,self lubrication and mechanical properties.Different types of linear type carbon fiber reinforced PTFE sealing material were prepared by molding method.The fracture morphology,surface hardness,bending properties and tribological properties of PTFE/CF sealing material were studied.The results showed that 1#material made by CF-1 had the best comprehensive mechanical property,and 3#material made by CF-3 had the highest surface hardness and bend strength.

non-lubricated reciprocating compressor;carbon fiber;PTFE;sealing material;study on properties

1005-0329(2017)03-0006-05

2016-06-07

2016-08-01

安徽省科技攻关计划项目(1604a0902174)

TH45；TB743

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.002

杨家义(1983-)，高级工程师，主要从事聚合物基高性能复合材料的研究，通讯地址：230031 安徽合肥市长江西路888号合肥通用机械研究院，E-mail:13721031270@163.com。