聚四氟乙烯/聚苯酯復合材料的結晶及摩擦性能研究

侯 梅，寇開昌，張冬娜，蔣 洋，李 寧

（西北工業大學理學院，陜西 西安710129）

聚四氟乙烯/聚苯酯復合材料的結晶及摩擦性能研究

侯 梅，寇開昌，張冬娜，蔣 洋，李 寧

（西北工業大學理學院，陜西 西安710129）

采用差示掃描量熱儀分析了聚四氟乙烯/聚苯酯（PTFE/POB）復合材料的結晶性能，研究了復合材料在干摩擦條件下和45號鋼對磨的摩擦性能，采用掃描電鏡觀察了復合材料的磨損表面形貌，并探討了POB含量對復合材料結晶性能和摩擦性能的影響。結果表明，加入POB后，復合材料的結晶度增大，在POB含量為20%時結晶度出現峰值。復合材料的結晶速率和摩擦因數均隨POB含量的增加而增大，磨痕寬度隨POB的含量增加而大幅減小。

聚四氟乙烯；聚苯酯；結晶性能；摩擦性能

0 前言

PTFE是一種半結晶型聚合物，具有優異的高低溫性能、化學穩定性、極好的電絕緣性及低的摩擦因數，是目前航空航天材料中用量最大的高性能材料之一，尤其是航空密封材料。但PTFE的硬度低、耐磨損和耐高溫蠕變性能差，限制了其應用范圍［1］。

POB又稱聚對羥基苯甲酸苯酯，為鏈狀線形分子，結晶度很高（大于90%），具有優異的耐熱性、化學穩定性、良好的耐蠕變性、較高的硬度和優異的自潤滑性和耐磨性，不損傷對磨件，能與PTFE在性能上形成很好的互補，且POB可與PTFE以任意比例共混［2］。本文針對PTFE/POB復合材料的結晶性能及摩擦學性能進行了研究。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PTFE，JF－4TM，浙江巨圣氟化工；

POB，CGZ－351－4，中昊晨光研究所；

丙酮，分析純，天津市天大化學試劑。

1.2 主要設備及儀器

高剪切分散乳化機，FM200，上海弗魯克機電設備有限公司；

平板硫化機，QLB－D400×40×2，西安機床附件廠；

高溫試驗箱，WG－4501，重慶銀河實驗儀器有限公司；

差示掃描量熱儀（DSC），Q1000，美國TA公司；

磨損試驗機，M－200，宣化材料試驗機廠；

環境掃描電子顯微鏡（SEM），Quanta 200，荷蘭Philips－FEI公司。

1.3 試樣制備

將PTFE和POB混合于適量丙酮溶劑中，經高剪切分散乳化機充分攪拌后，在120℃下烘干2h，冷卻后在30～50MPa下模壓成型，保壓10～15min，脫模后在高溫試驗箱中按一定程序冷壓燒結，獲得80mm×10mm×2mm的條形試樣和30mm×7mm×6mm的摩擦試樣。復合材料中POB含量分別為0、5%、10%、15%、20%、25%、30%，依次記為 F－0、F－5、F－10、F－15、F－20、F－25和 F－30。

1.4 性能測試與結構表征

將條形試樣磨成粉末，稱取5～10mg，在N2氣氛下以10℃/min的速率升溫至380℃，保溫5min以消除熱歷史，再以10℃/min的速率降溫至260℃，記錄DSC曲線；

按照GB 3960—1983采用磨損試驗機測試復合材料在干摩擦狀況下的摩擦磨損性能，對磨環為45號鋼，載荷為20kg，轉速為200r/min，復合材料的對磨時間為2h，純PTFE的對磨時間為30min；試驗前，用金相砂紙打磨試樣和對磨環，并用丙酮擦拭，晾干后使用。磨痕寬度直接測量，摩擦因數（μ）按式（1）計算。

式中 M——趨向穩定的摩擦力矩，kg·cm

F——負荷，kg

r——圓環半徑，cm

采用環境掃描電子顯微鏡觀察復合材料摩擦面的形貌。

2 結果與討論

2.1 POB含量對復合材料結晶度的影響

PTFE/POB復合材料的結晶度（Xc）可通過式（2）來計算。

式中 ΔHm——試樣的熔融熱，J/g

α——復合材料中PTFE的質量分數

從表1可以看出，加入POB后，復合材料的結晶度都有所提高，這是因為POB起到了異相成核的作用；當POB含量為20%時，復合材料的結晶度達到最大值。說明隨著POB含量的增加，成核劑含量增加，有利于結晶的進行，復合材料的結晶度提高。但當POB含量超過20%后，復合材料的結晶度又有所下降，但下降幅度較低。這是因為POB阻礙了PTFE分子鏈的運動，使其結晶度下降，但在結晶過程中異相成核占主要作用，故降幅較小。

表1 PTFE/POB復合材料的熔融熱及結晶度Tab.1 Melting enthalpy and crystallinity of PTFE/POB composites

2.2 POB含量對結晶溫度和結晶速率的影響

從圖1和表2可以看出，隨著POB含量的增加，PTFE/POB復合材料的初始結晶溫度（T0）和結晶峰溫度（Tp）均有一定程度的變化，但無規律可循，且其變化幅度都在1℃以內。這表明POB含量對PTFE/POB復合材料結晶溫度的影響較小。在實際應用中，經常用結晶進行到一半時所需時間（t1/2）的倒數τ1/2來表征結晶速率，τ1/2越大，結晶速率越高。由表2可知，隨著POB含量的增加，PTFE/POB復合材料的結晶速率增大。

圖1 PTFE/POB復合材料的DSC曲線Fig.1 DSC curves for PTFE/POB composites

表2 PTFE/POB復合材料的結晶動力學參數Tab.2 Crystallization kinetics parameters of PTFE/POB composites

2.3 POB含量對拉伸強度和硬度的影響

從表3可以看出，復合材料的拉伸強度隨著POB含量的增加而降低，這是因為POB即使在538℃也不熔融，所以在復合材料中始終以顆粒的形式存在，阻礙了PTFE的黏結，從而降低了復合材料的拉伸強度。

表3 PTFE/POB復合材料的拉伸強度和硬度Tab.3 Tensile strength and hardness of PTFE/POB composites

從表3還可以看出，復合材料的硬度（肖D，下同）隨著POB含量的增加而增大，這是因為POB是由苯環和極性氧原子組成的剛性材料，其硬度為87，遠大于PTFE的硬度，二者混合，復合材料的硬度增加。

2.4 POB含量對摩擦性能的影響

純PTFE的內聚能較低，大分子容易解脫，且其硬度和剪切強度較低，容易受到對磨面上金屬凸峰的切削［3－4］，發生剪切變形和滑移。

從圖2（a）可以看出，PTFE/POB復合材料的摩擦因數隨POB含量的增加而增大。據報道，POB的摩擦因數為0.3左右［5］，大于PTFE。復合材料的摩擦因數是由POB和PTFE在摩擦面上所占的面積含量所決定的，隨著POB含量的增加，其在摩擦面上的含量增加，參與摩擦的幾率增大，從而使材料的摩擦因數增大。且POB會破壞PTFE轉移膜，使其不易在對磨面上形成完整的潤滑膜，提高摩擦因數。

圖2 PTFE/POB復合材料的摩擦性能Fig.2 Tribological behaviors of PTFE/POB composites

從圖2（b）可以看出，PTFE/POB復合材料的磨痕寬度隨著POB含量的增加而減小，說明復合材料的磨損量隨著POB含量的增加而減小。PTFE的磨損本質是在外力的作用下，大分子鏈發生滑移和斷裂，從而使PTFE被拉出結晶區并呈現片狀轉移到對磨面，造成黏著磨損［6－8］，且轉移膜與對磨面之間的黏著性較差，轉移膜不停地形成、脫落、再形成，使復合材料的磨損率增大。POB的加入阻止了PTFE帶狀結晶結構的大面積破壞，加強了轉移膜與對磨面之間的黏著性，降低了復合材料的磨損率，提高了其耐磨性。

從圖3可以看出，純PTFE的磨損表面較為光滑、平整，其表面有呈片狀脫落所留下的黏著磨損，沒有明顯的犁溝，說明PTFE是以黏著磨損為主。當加入POB后，復合材料的磨損面變得較為粗糙并且有犁溝產生。隨著POB的增加，復合材料的磨損表面變得越來越粗糙，犁溝增加，黏著磨損減少，磨粒磨損占主導，復合材料的耐磨性提高。

3 結論

（1）復合材料的結晶度均大于純PTFE，隨著POB含量的增加，復合材料的結晶度先增大后降低，當POB含量為20%時，結晶度出現極大值；

圖3 PTFE/POB復合材料摩擦面形貌SEM照片Fig.3 SEM micrographs for worn surface of PTFE/POB composites

（2）復合材料的結晶速率隨著POB含量的增加而增大；但POB對復合材料結晶溫度的影響無規律可循；

（3）POB的加入使PTFE/POB復合材料的摩擦因數增大，磨損率顯著降低，POB含量大于20%后，磨痕寬度基本不變；磨損方式由黏著磨損轉變為磨粒磨損；POB含量為20%時，復合材料的抗磨性較好。

［1］ 繆京媛，葉 枚.氟塑料加工與應用［M］.北京：化學工業出版社，1987：10.

［2］ 陳恩強，張華麗，李國輝.聚苯酯的性能及應用［J］.化工新型材料，2002，30（5）：14－17.

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［4］ 顧傳錦，向定漢.納米高嶺土增強PTFE復合材料的摩擦磨損特性［J］.南京航空航天大學學報，2005，37（5）：621－624.

［5］ Feng S H，Xu H R.New Materials in Hydrothermal Synthesis［J］.Acc Chem Res，2001，34（11）：239－247.

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［8］ Tanaka K，Kawakami S.Effects of Various Fillers on the Friction and Wear of Polytetrafluoroethylene－bassed Composites［J］.Wear，1982，79（2）：221－234.

Study on Crystallization and Tribological Behaviors of PTFE/POB Composites

HOU Mei，KOU Kaichang，ZHANG Dongna，JIANG Yang，LI Ning
（School of Science，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China）

The crystallization behaviors of polytetrafluoroethylene/polybenzoate （PTFE/POB）composites were investigated using differential scanning calorimetry.Tribological behaviors of PTFE/POB composites sliding against 45＃steel under dry condition were discussed，and the worn surfaces of the composites were observed using scanning electron microscope.Effects of POB content on crystallization and tribological behaviors of the composites were studied.It showed that the crystallinity of the composites increased with increasing content of POB up to 20%.The crystallization rate of the composites was enhanced by the addition of POB.With increasing POB content，the friction coefficient of the composites increased，while their wear scar width greatly decreased.

polytetrafluoroethylene；polybenzoate；crystallization behavior；tribological behavior

TQ325.4

B

1001－9278（2011）10－0055－04

2011－06－09

聯系人，hellohoumei＠126.com