芳砜纶纤维/聚四氟乙烯复合材料的性能

刘立起,王旭,谢旺,俞鸣明,方琳,李红,杨敏,肖依,任慕苏,孙晋良

(上海大学复合材料研究中心,上海200072)

芳砜纶纤维/聚四氟乙烯复合材料的性能

刘立起,王旭,谢旺,俞鸣明,方琳,李红,杨敏,肖依,任慕苏,孙晋良

(上海大学复合材料研究中心,上海200072)

采用热压工艺制备芳砜纶纤维(polysulfonamide fiber,PSAF)/聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)复合材料,然后采用热重分析仪(thermal gravimetric analyzer,TGA)、差示扫描量热(differential scanning calorimetry,DSC)法、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、傅里叶转换红外(Fourier transform infrared,FTIR)、热场发射扫描式电子显微镜(thermal field scanning electron microscope,TFSEM)等方法研究了PSAF对所制备复合材料的力学性能、热稳定性、结构和微观形貌等的影响.研究结果表明,PSAF的加入提高了复合材料的力学性能,使其具有优异的热稳定性能.适量的PSAF较好地分散在PTFE基体中,PSAF与PTFE基体的界面结合较好,且同时存在物理与化学结合.

芳砜纶纤维(polysulfonamide fiber,PSAF);聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE);力学性能;热稳定性;结构表征

聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)作为自润滑材料应用广泛,原因是其具有不受化学品的影响、连续耐温范围为−240～260°C、极低的摩擦因数等性质.但是PTFE又具有强度较低、抗蠕变性、耐磨性较差等缺陷,这限制了该材料在机械及其他领域中的应用[1-15].芳砜纶纤维(polysulfonamide fiber,PSAF)[16-18]是一种人造聚芳酰胺有机纤维,其分子链中含有砜基,具有强度较高、弹性模量中等、密度小、耐热、高温下尺寸稳定性好及耐磨等特性. PSAF在非复合形式下韧性较高,适合制作高温高负荷下工作的摩擦材料.本工作制备的复合材料承载能力提高,摩擦因数降低,润滑效果增强,耐磨寿命延长,因为该材料既保持了PTFE 与PSAF各自的自润滑、耐磨损等特点,又使得PTFE和PSAF的性能相互补充.

本工作采用模压工艺制备了PSAF/PTFE复合材料,并对该复合材料的热性能、力学性能、微观结构等进行了研究.

1 实验

1.1 实验材料

芳砜纶,长度3 mm,直径60µm,上海特安纶纤维有限公司提供;聚四氟乙烯微粉,上海市塑料研究所提供.

1.2 复合材料的制备

将一定比例的PSAF加入到PTFE微粉粒中,混合均匀;然后放入真空干燥箱中除去水分,脱气完成后,将预制件放入预热好的模具中进行升温;达到一定的温度后,加压成型,冷却到室温脱模.本实验使用模压成型法,PSAF的质量分数分别为0,5%,10%,15%和20%.

PSAF/PTFE复合材料压缩试样模压制备工艺如下:首先将模具150°C预热后,施加70 V电压;然后微量调节电压,升温至370°C;接着加压至60 MPa,保温1 min;最后关闭电压,保压降温至150°C.

1.3 性能测试与结构表征

1.3.1 力学性能测试

按GB/T 1041—2008测试材料的压缩性能,压缩速率为1 mm/min,测定温度为25°C. 按GB/T 2411—1980测试材料的邵氏硬度,使用D型硬度计,测定温度为25°C.

1.3.2 热性能测试

采用德国耐驰公司的LFA 457型激光导热仪测量PSAF/PTFE复合材料的导热系数.

热重分析仪(thermal gravimetric analyzer,TGA)的测量条件如下:样品质量5～8 mg,升温速率10°C/min,测试温度25～700°C.

1.3.3 材料结构分析

将制备的复合材料均匀涂在KBr片表面,用美国Nicolet 380 Avatar Gripper型傅里叶变换红外(Fourier transform infrared,FTIR)光谱仪进行红外光谱分析,测试范围为5 000～300 cm−1.

X射线衍射仪测试条件如下:Cu靶辐射,波长λ为0.154 nm,辐射管电压为50 kV,辐射管电流为200 mA,扫描范围2θ为5°～60°,扫描速度为2°/min.

1.3.4 微观形貌分析

冲击样条在液氮中进行冷冻脆断,然后对其断面进行喷金处理,最后使用钨灯丝扫描电镜进行观察.

2 结果与讨论

2.1 复合材料的压缩性能

PSAF/PTFE复合材料的压缩性能测试曲线如图1所示.相比纯PTFE,PSAF/PTFE复合材料的初始模量较高,这是由于PSAF具有高强高模的特性,在压缩过程中优先承载压力而阻止了PTFE分子链的横向移动,从而使初始压缩模量增加;但PSAF/PTFE的压缩强度较低,开始发生明显塑性变形的强度均在18 MPa左右.当PSAF的质量分数为20%时,塑性变形的强度为40 MPa.当纤维含量较低时PSAF对复合材料的初始压缩模量影响较大,而对初始压缩强度影响较小;只有PSAF的质量分数为20%时,增强效果明显.

图1 PSAF/PTFE复合材料压缩性能测试曲线Fig.1 Curves of PSAF/PTFE composites compression performance

2.2 PSAF的质量分数对复合材料硬度的影响

PSAF的质量分数对PTFE基复合材料的硬度影响如表1所示.可以看出,PSAF的加入使得复合材料的硬度增加,PSAF的质量分数越高影响越大.PSAF/PTFE复合材料较纯PTFE材料的硬度约提高4.86%(平均值),但复合材料之间的硬度差值较小.这是由于PTFE分子间引力小、硬度低,而PSAF属于高刚性聚合物,同时PSAF可以较好地分散在PTFE材料中,并可以与PTFE分子之间形成结合力,从而增强了PTFE分子之间的作用力.由于PSAF分子链之间的作用力降低,因此总体上使复合材料的硬度有所增加.

表1 PSAF/PTFE复合材料硬度测试结果Table 1 Hardness results of PSAF/PTFE composites

2.3 复合材料的热稳定性能

图2为纯PTFE、纯PSAF及PSAF/PTFE复合材料的热重分析曲线.可以看出,曲线1, 3,4,5比较类似,即复合材料的热重曲线类似纯PTFE.另外,图2中曲线有两个台阶:在第一个台阶(320～420°C),所有材料由于水分的移除,质量逐渐减小;在第二个台阶(440°C以上), 纯PTFE和PASF/PTFE复合材料发生破坏,伴随着明显的质量损失.

由TGA曲线分析可知,PSAF的初始分解温度约为440°C,PTFE的初始分解温度约为500°C,因此在温度达到440和500°C时,曲线3,4,5和6皆出现了分解拐点,即复合材料中的PSAF在440°C开始分解,PTFE在500°C开始分解.由图2中各条热重分析曲线的趋势得出:PSAF/PTFE复合材料的曲线与PSAF质量分数最大(20%)的复合材料有些不同,正如图3中曲线2和6所示.原因是PSAF的热稳定低于PTFE,而PTFE和PSAf/PTFE复合材料都具有较高的热稳定性能.

图2 PTFE,PSAF和PSAF/PTFE复合材料的热重分析曲线Fig.2 TGA curves of PTFE,PSAF and PSAF/PTFE composites

2.4 PSAF对复合材料结构的影响

图3为纯PTFE、纯PSAF和PSAF/PTFE复合材料的X射线衍射分析.可以看出, PSAF在衍射峰位角为17°附近有较宽而弱的衍射峰,这是因为PSAF是三元无规共聚物,结晶度比较低.另外,在衍射峰位角为17°,30°,35°时均出现了明显的PTFE的(1,0,0),(1,1,1), (2,0,0)晶面,相比于纯PTFE,其他材料的衍射峰的强度及位置均没有变化,说明PSAF与PTFE复合后对PTFE的晶体结构没有影响.

图3 PTFE,PSAF和PSAF/PTFE复合材料的X射线衍射分析Fig.3 X-ray diffraction analysis of PTFE,PSAF and PSAF/PTFE composites

2.5 傅里叶变换红外分析

对纯PTFE、纯PSAF以及PSAF的质量分数分别为5%,10%,15%,20%的PASF/PTFE复合材料进行傅里叶变换红外分析,结果如图4所示.

图4中,PTFE的红外图谱曲线中1 210.2,1 152.4 cm−1表示C—F的特征峰, 642.5 cm−1表示C—F的弯曲振动峰,567.3,505.6 cm−1表示C—F键变形振动的吸收带,这些都是PTFE的特征峰;与PTFE对比,PSAF/PTFE复合材料没有出现新的特征峰,说明PSAF与PTFE的表面相互作用归属于同一种物理作用.

2.6 复合材料微观形貌分析

冲击样条在液氮中脆断后,通过钨灯丝扫描电镜对其断面进行分析,结果如图5所示.

图4 PSAF,PTFE和PSAf/PTFE复合材料的FTIR曲线Fig.4 FTIR curves of PSAF,PTFE and PSAF/PTFE composites

图5 PTFE和PSAF/PTFE复合材料脆断面SEM图Fig.5 Brittle fracture SEM images of PTFE and PSAF/PTFE composites

由图5可见,对于PTFE,其断面上形成了明显的突起,具有明显抗撕裂的韧性特征.由于纤维在基体中分布取向是无规则的,当材料受力时,往往会先在平行于受力方向分布的纤维与基体的界面处开裂,因此在断面上可看到许多纤维留下的平行于断面的横向凹痕(见图5(d) 和(e)),但仔细观察这些凹痕(见图5(c))可看到表面有明显的拉丝现象,说明纤维与界面具有一定黏结强度.同时,在材料的断面上还可看到一些纤维被拔出留下的微孔(见图5(b)),这可能主要是因为纤维太短,容易拔出.

由图5(b)可以看出,材料断面比较光滑且PSAF均匀分散在基体中,还可以看出明显的拉丝现象和PSAF拔出后留下的孔穴,冲击断面呈韧性断裂,这与图1中和表1中PSAF/PTFE复合材料的压缩性能提高和冲击性能显著提升的现象相吻合.

3 结论

(1)在PTFE中加入PSAF后,PSAF/PTFE复合材料的力学性能有小幅提高,其压缩强度及硬度随PSAF质量分数的增加而增大.

(2)XRD,FTIR测试分析结果显示,PSAF与PTFE复合后,二者未产生化学反应及新结构,仍为单纯的物理结合.

(3)PSAF的加入使得PSAF/PTFE复合材料的热稳定性降低,在PSAF质量分数较低的情况下,PSAF/PTFE复合材料展现出相似的热分解行为,而当PSAF质量分数为20%时, PSAF/PTFE复合材料的热性能明显下降.

(4)PSAF/PTFE复合材料中PSAF与PTFE的黏结提高了PSAF/PTFE复合材料的断裂韧性.

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本文彩色版可登陆本刊网站查询:http://www.journal.shu.edu.cn

Properties of polysulfonamide fiber(PSAF)/ polytetrafluoroethylene(PTFE)composites

LIU Liqi,WANG Xu,XIE Wang,YU Mingming,FANG Lin,LI Hong, YANG Min,XIAO Yi,REN Musu,SUN Jinliang
(Research Center for Composite Materials,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

Polysulfonamide fiber(PSAF)/polytetrafluoroethylene(PTFE)composites were prepared by hot pressing process.The effect of PSAF on material mechanical properties, thermal stability,structure and morphology was studied with thermal gravimetric analyzer(TGA),differential scanning calorimetry(DSC),X-ray diffraction(XRD),Fourier transform infrared(FTIR),and thermal field scanning electron microscope(TFSEM).The results show that PSAF can improve mechanical properties of the composite materials, and the composites have good thermal stability.A moderate amount of PSAF can be well dispersed in the PTFE matrix.Bonding of the PSAF and PTFE matrix interfacial is good, and there is a physical adhesion.

polysulfonamide fiber(PSAF);polytetrafluoroethylene(PTFE);mechanical property;thermal stability;structure characterization

TB 332

A

1007-2861(2017)02-0185-07

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.05.017

2016-01-06

科技部对俄合作资助项目(2014DFR50460);上海市青年教师培养资助项目(37011015209)

俞鸣明(1984—),男,博士,研究方向为复合材料.E-mail:mmyu@shu.edu.cn