聚四氟乙烯改性聚酮摩擦磨损性能的研究

孙 丹,金石磊

(1.上海材料研究所，上海 200437； 2.上海市工程材料应用评价重点实验室，上海 200437)

0 前言

聚酮(PK)是由α-烯烃和一氧化碳(CO)线性交替聚合的结晶性热塑性工程塑料, 它的熔点较高，具有优良的弹性、急变特性、耐冲击性、耐磨性、耐水解性和化学稳定性等特点，是一种可光降解的绿色高分子材料，对环境无污染[1-6]。

虽然PK具有优异的耐磨性能，但是在干摩擦条件下其摩擦因数相对较高，在0.50左右[7]，与现有自润滑工程塑料相比，其减摩性能还有待提高。目前，关于PK在减摩、耐磨改性方面的研究报道较少，为了进一步拓宽PK环保型高分子材料的应用，需要探索改性PK材料，提高减摩、耐磨性能。笔者选用聚四氟乙烯(PTFE)微粉作为改性填料，研究PTFE微粉添加质量分数对PK摩擦磨损性能以及力学性能的影响，并探讨其作用机理。

1 实验部分

1.1 主要原料

PK,M630A，韩国晓星集团；

PTFE微粉，CR-c3420，浙江巨化股份有限公司；

抗氧剂、光稳定剂、热稳定剂，市售；

润滑油，长城L-HM 46抗磨液压油，中国石化润滑油有限公司。

1.2 仪器与设备

高速混合机，SHR-25A，张家港通沙塑料机械公司；

双螺杆挤出机，AK36，南京科亚成套装备有限公司；

摩擦磨损试验机，135/305，瑞士阿穆斯朗试验机有限公司；

万能力学试验机，CMT5305，美特斯工业系统(中国)有限公司；

注塑机，JW-120S，台湾综伟塑机有限公司。

1.3 试样制备

各组试样主要配方见表1，其中，每组配方中的抗氧剂和稳定剂比例相同。

表1 PK复合材料配方 %

各种原料按照配方称量后，通过高速混合机混合均匀，并采用双螺杆挤出机挤出造粒，得到改性PK，再通过注塑机注塑成标准试样。

1.4 性能测试

按照GB/T 1040.2—2006 《塑料 拉伸性能的测定 第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件》进行拉伸试验。试样为哑铃型试样，平直部分尺寸为60 mm×10 mm×4 mm。拉伸速度为50 mm/min。

按照GB/T 1041—2008 《塑料 压缩性能的测定》进行压缩试验。试样尺寸为10 mm×10 mm×4 mm。压缩速度为5 mm/min。

按照GB/T 3960—2016 《塑料 滑动摩擦磨损试验方法》进行摩擦磨损试验。磨损试样尺寸为6 mm×7 mm×30 mm。试验条件为：负荷245 N，线速度0.41 m/s，时间2 h，摩擦行程3 024 m，对磨件为45#钢，表面硬度40HRC～45HRC，表面粗糙度0.4 μm。

按照GB/T 2411—2008 《塑料和硬橡胶 使用硬度计测定压痕硬度(邵氏硬度)》进行硬度测试，试样直径为50 mm,壁厚为4 mm。

2 结果与讨论

2.1 PTFE微粉质量分数对PK复合材料力学性能的影响

PK复合材料的拉伸强度随PTFE微粉质量分数的变化趋势见图1。

图1 PK复合材料的拉伸强度

由图1可以看出：随着PTFE微粉质量分数的增加，PK复合材料的拉伸强度呈下降趋势。这主要是由于PTFE材料本身与其他材料的相容性差，且PTFE熔点为327 ℃，在PK复合材料挤出加工过程(温度为230 ℃)中，PTFE微粉无法熔融分散，而是宏观分散在复合材料体系中；在拉伸过程中PTFE微粉形成应力集中点，在复合材料受到拉应力时，PTFE微粉与基体PK树脂容易发生剥离，造成拉伸强度下降[8]，且随着PTFE微粉质量分数的增加，应力集中点增加，因此拉伸强度呈下降趋势。

PK复合材料的压缩强度和硬度随PTFE微粉质量分数的变化趋势见图2。由图2可以看出：随着PTFE微粉质量分数的增加，PK复合材料的压缩强度和硬度均呈下降趋势。这主要是由于PTFE材料本身的压缩强度在30 MPa、邵氏D硬度为55HD，而PK的压缩强度为82 MPa、邵氏D硬度为80HD，在PTFE微粉填充PK的挤出改性过程中，两者未发生化学结合，因此填充PTFE微粉后，随着PTFE微粉质量分数的增加，复合材料体系中低强度和低硬度材料比例变多，复合材料的压缩强度、硬度随之下降。

(a) 压缩强度

2.2 PTFE微粉质量分数对PK复合材料摩擦磨损性能的影响

PK复合材料在干摩擦条件下的摩擦磨损性能随PTFE微粉质量分数的变化趋势见图3。由图3可以看出：随着PTFE微粉质量分数的增加，PK复合材料在干摩擦条件下的摩擦因数呈下降趋势，这主要是由于PTFE材料本身具有优异的自润滑性能，且金属对偶件的硬度和强度远大于PTFE，在摩擦力的作用下，PTFE大分子脱落转移到摩擦对偶件上，形成了一层转移膜，进而降低了复合材料的摩擦因数。

(a) 摩擦因数

图4为在干摩擦条件下各配方PK复合材料对偶面的扫描电镜(SEM)图。由图4可以看出：随着PTFE微粉质量分数的增加，对偶面的转移膜逐渐变多且连续，并在PTFE微粉质量分数为6%时转移膜最多且连续(见图4(d));当PTFE微粉质量分数为8%时，对偶面的转移膜较PTFE质量分数为6%时少(见图4(e))。结合图3、图4可以看出PK复合材料在干摩擦条件下的磨痕宽度与PTFE微粉质量分数的关系:PTFE微粉质量分数为6%时复合材料的磨痕宽度最小，且随着PTFE微粉质量分数的增加，PK复合材料的磨痕宽度基本呈下降趋势，这说明对偶面上转移膜存在抵抗了外界摩擦力的作用，进而降低了PK复合材料的磨痕宽度。

(a) 1#

图5为在干摩擦条件下1#PK复合材料对偶面能谱和SEM图。由图5可以看出：1#PK复合材料的转移膜主要为PK，但是由于PK本身的摩擦因数较大且转移膜较少，1#PK复合材料的磨痕宽度偏大。

图5 干摩擦条件下1#对偶面能谱和SEM图

图6为在干摩擦条件下4#PK复合材料对偶面能谱和SEM图。由图6可以看出：4#PK复合材料转移膜中含有F元素，说明在摩擦过程中PTFE在对偶面上形成了转移膜，减小了材料的磨损。

图6 干摩擦条件下4#PK复合材料对偶面能谱和SEM图

图7为在干摩擦条件下4#PK复合材料的SEM图。

图7 干摩擦条件下4#PK复合材料的SEM图

由图7可以看出：4#PK复合材料的磨损表面无明显划痕，表面较为光滑，这说明PK复合材料在磨损过程中未出现磨粒磨损的现象，磨损过程主要以黏着磨损为主。

PK复合材料在油润滑条件下的摩擦磨损性能随PTFE微粉质量分数的变化趋势见图8。由图8可以看出：相比在干摩擦条件下，PK复合材料在油润滑条件下的摩擦因数和磨痕宽度均明显下降。这是由于在摩擦过程中，在润滑油和PTFE的协同作用下，摩擦副表面形成了稳定的润滑膜，降低材料的摩擦因数。

(a) 摩擦因数

图9为在油润滑条件下4#PK复合材料对偶面能谱和SEM图。由图9可以看出：在油润滑条件下，对偶面无F元素，这说明在油润滑条件下PTFE并未转移或很少转移至对偶面上，PK复合材料磨痕宽度的降低主要依靠磨损界面中的油膜，这层油膜阻隔了PK复合材料和对偶件的直接接触，同时由于润滑油的存在，摩擦时所产生的热量能够快速并及时散出降低了复合材料体系的温度[9]，减小了材料压缩强度随温度升高而下降的趋势，提高了复合材料的抗压能力，因此PK复合材料的在油润滑条件下的磨痕宽度比干摩擦条件下的磨痕宽度有所降低。

图9 油润滑条件下4#PK复合材料对偶面能谱和SEM图

3 结语

(1) 随着PTFE微粉质量分数的增加，PK复合材料的拉伸强度、压缩强度及邵氏硬度随之下降。

(2) 在干摩擦条件下，随着PTFE微粉质量分数的增加，PK复合材料的摩擦因数和磨痕宽度基本呈下降趋势，在PTFE质量分数为6%时，转移膜最连续，磨痕宽度最小，磨损过程以黏着磨损为主。

(3) 在油润滑条件下，润滑油和PTFE微粉协同作用，PK复合材料的摩擦因数和磨痕宽度均较干摩擦时明显下降，润滑油在磨损过程中起到了润滑和散热的作用。