氧化铝微粉改性PTFE内衬管的摩擦性能研究

2022-06-30周生泰

上海化工 2022年3期

周生泰

上海长园电子材料有限公司（上海 201802）

机动车的档位变化通过一套机械式选换档结构来实现，其基本原理是拨动档杆后产生的位移变化使内部旋转结构处在不同的档位上。实现位移变化的零部件是操纵软轴[1-2]，其主要结构可以简化为3部分，即外侧的索导管、中心的钢索以及两侧的附属结构。聚四氟乙烯（PTFE）管由于具有优异的耐高低温特性、极低的摩擦因数以及阻燃自熄的特性，常被作为索导管的内衬管[1，3]使用，也被广泛应用于船舶、交通、机械等工业中。但PTFE材料耐磨损性能较差，材质较软，为改善其磨损率大、不耐蠕变等缺点，有研究者尝试在其中添加铜粉、石墨、玻璃纤维等无机填料[4-8]，并取得了一些有意义的成果。氧化铝，俗称“刚玉”，其熔点高、硬度高，常被作为耐火材料、阻燃剂和研磨料使用。有研究者采用纳米氧化铝[5]改性有机高分子材料的硬度、抗磨损性，但对工业使用而言，能否使用更加便宜的微米级粉体是一项更有意义的课题。需要指出的是，这些研究往往使用PTFE悬浮树脂做成的塑料块进行摩擦磨损测试，对于工业中使用的PTFE分散树脂管状物实际意义不大，不能贴合实际。为此，本研究采用PTFE分散树脂挤出壁厚为0.4 mm的软管进行台架试验，模拟和评估了材料的硬度、力学性能、摩擦磨损特性。

1 实验部分

1.1 原材料

F-20XPTFE分散树脂，大金氟化工（中国）有限公司；氧化铝微粉，其粒径（D50）分别为5，10，20和40μm，郑州西德利化工新材料有限公司；助剂油，市售。

1.2 仪器与设备

混料机、振动机、挤出烧结机、耐磨试验机，自制；GT-TCS-2000电子拉力机，台湾高铁检测仪器有限公司；MXG-2500光学显微镜，基恩士（中国）有限公司。

1.3 工艺过程

将氧化铝微粉与PTFE树脂、助剂油按一定比例混合均匀后，按照图1的工序挤出管材并烧结。烧结温度为420℃，挤出速率为3.5 m/min。

图1 聚四氟乙烯管材生产流程

1.4 性能测试

力学性能：按照GB/T 1040.1—2018《塑料拉伸性能的测定第1部分：总则》测试拉伸强度和断裂伸长率。

硬度：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）》测试邵氏硬度。

磨损性能：按照QC/T 29101—1992《汽车用操纵拉索总成》的要求[9]进行测试，负载为8 kg，速率为2次/min，干摩擦，不添加润滑油，中间拉线为普通钢丝绳。

微观形貌：用光学显微镜观察再生PTFE微粉和填充改性后的PTFE制品。

2 结果与讨论

2.1 氧化铝微粉粒径对PTFE管材的外观影响

不同粒径氧化铝改性PTFE挤出的管材外观各不相同，具体如表1所示。在添加大粒径（40μm）的氧化铝微粉后，其外观不光滑，粗糙拉丝，不满足工程要求；填充粒径为5～20μm氧化铝微粉的管材表面光滑，符合工程要求，但从国外竞品的外观来看，目标产品的透光性较差，更接近于不透明。从表1可以看出，氧化铝微粉的添加提高了改性PTFE管的硬度，增强了PTFE表面抵抗探针刺入的能力；随着微粉粒径的增大，填充相同比例的微粉，粒子团数量在减少，这就解释了粒径大的微粉填充后材料相对硬度有所下降。因此，需要进一步研究微粉粒径和填充比例对PTFE管材外观和性能的影响。

表1 氧化铝微粉填充后的PTFE管材的外观

2.2 氧化铝微粉填充比例对PTFE力学性能的影响

按照表2的配比制备了不同填充比例下的PTFE改性管。随着氧化铝填充比例的增大，其外观逐渐变差，集中表现为粗糙、表面不光滑，这将直接导致管材的摩擦因数增大，增加钢索的摩擦阻力，会使操纵软轴的位移效率和负载效率劣化，在工程上是不可取的。改性材料的力学性能如图2所示，从图2可以看出，随着填充比例的增加，其力学性能也发生了变化。填充9份氧化铝时拉伸强度达到最大，但断裂伸长率逐渐下降。这是由于PTFE分子与氧化铝粉体并不相容，少量的氧化铝微粉在分子链间起到物理缠结点的作用；但大比例的氧化铝微粉破坏了分子间作用力，导致PTFE分子链更容易被拉脱。因此，结合外观和力学性能要求，不建议填充超过9份以上的比例。

表2 不同填充比例的微粉（10μm）改性PTFE管外观

图2 不同填充份数微粉对PTFE力学性能的影响

2.3 不同微粉填充比例对PTFE摩擦磨损性能的影响

磨损是互相接触的物质在相对运动中其表层材料不断损伤的过程，是伴随着摩擦而产生的必然结果。一般研究PTFE的摩擦磨损是使用摩擦试验机来完成的；但对于工程上的需要，往往通过台架模拟其实际使用状态进行评价，本研究采用QC/T 29101—1992中关于磨损（耐久性）的测试方法进行评估。PTFE材料的摩擦因数极低，已由诸多文献所证实，工程上则不再进行判定。耐久性测试示意图如图3所示，耐久性测试结果如图4所示。

图3 QC/T 29101—1992中关于耐久性测试的示意图

从图4可以看出，随着填充比例增大，PTFE管材的耐久性呈现先缓慢上升后下降的趋势，在填充份数为6份时达到峰值；填充9份时材料耐久性变差，填充15份时耐久性能大幅度下降。这说明二者的相容性不好，填充比例过大对耐磨损性能有害，应控制填充比例。这可能是由于填充比例增加后管材的相对硬度提高，增加了对钢索刺入管材的抵抗性；随着填充比例超过9份，被磨损下来的碎屑中氧化铝的比例增大，即形成了磨粒磨损，加速了磨损的发生，导致管材的磨损量增加。

图4 不同填充份数微粉对PTFE耐久性的影响

2.4 氧化铝微粉在改性PTFE管材中的微观形态研究

使用体式光学显微镜观察了经过耐久性磨损试验后的管材以及产生的磨屑，如图5所示。

图5（a）是与钢索反复接触的PTFE衬管的内表面，可以看到磨损表面有线性沟槽，这是由钢索的线性往复运动反复刮擦PTFE管内表面导致的。钢铁的硬度远大于PTFE材料，钢索表面在负载压力作用下嵌入了PTFE表面层，将PTFE表面犁削并产生了薄膜和碎屑；随着磨损的进行，产生的碎屑和薄膜逐渐黏附包围在钢索上，降低了摩擦因数，但由于PTFE表面能太低，不能形成紧密的润滑层，导致磨损继续发生，随后达到平衡状态，最后管壁被磨穿破裂。图5（b）显示的大片磨屑是因为外力促使PTFE的大分子链断裂或者滑移，从而导致材料被拉出PTFE晶区形成膜状物，进而转移到钢索表面形成输送的相转移膜，这是黏着磨损的典型特征。