耐磨聚甲醛高性能化材料的制備及性能研究

（1．開灤煤化工研發(fā)中心，河北 唐山 063611；2．河北省煤基材料與化學(xué)品技術(shù)中心，河北 唐山 063018）

聚甲醛（POM）在現(xiàn)代工業(yè)、醫(yī)療、生活等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。常規(guī)條件下，POM 的耐磨性和自潤(rùn)滑性較好，但在高溫、高速、高負(fù)荷下，POM 的摩擦性能難以滿足要求，需耐磨改性。Tang[1]等人研究了納米級(jí)和微米級(jí)的PTFE 粉末對(duì)POM 的改性效果。結(jié)果表明，PTFE 粉末能有效改善耐磨性能，但整體力學(xué)性能下降。傅全樂[2]等人用PTFE、石墨和二硫化鉬分別改性POM，3 種助劑均能提高POM 的耐摩擦磨損性能，但改性材料的力學(xué)性能也有所下降。

碳纖維（CF）和玄武巖纖維（BF）是常用的POM 增強(qiáng)改性材料。碳纖維比強(qiáng)度高、比重低，對(duì)POM 的增強(qiáng)改性效果顯著，同時(shí)復(fù)合材料的耐磨性、導(dǎo)電性和耐疲勞性均有提高[3]。馬小豐[4]等人用碳纖維（CF）來增強(qiáng)POM，得到了CF 含量為25%的POM 增強(qiáng)改性產(chǎn)品，其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度分別能達(dá)到153 MPa、187 MPa 和16.2 kJ/m2。王亞濤[5]等人用玄武巖纖維（BF）增強(qiáng)POM，改性材料不僅力學(xué)性能良好，且耐磨性能也有一定程度的改善。

PTFE 和POM 的相容性并不理想，導(dǎo)致耐磨材料韌性不佳。筆者在此基礎(chǔ)上引入聚氧乙烯（PEO）作為增容劑，得到了較好的耐磨增韌改性效果。為進(jìn)一步降低復(fù)合材料的摩擦性能，改善力學(xué)性能，該研究利用雙螺桿擠出機(jī)共混擠出法，在POM/PTFE/PEO 耐磨增韌體系中加入碳纖維（CF）和玄武巖纖維（BF），以此來進(jìn)一步提高復(fù)合材料的耐磨性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

POM：M90，唐山中浩化工有限公司。

PTFE 纖維：SFS-2-120，杭州宇峰密封材料有限公司。

PEO：吉林省精細(xì)化工有限公司。

CF：T300，日本東麗公司。

BF：BFCS-13-6，浙江石金玄武巖有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

真空烘箱：ZK-1S，天津中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐廠。

雙螺桿擠出機(jī)：SHJ-30 型，蘭州天華設(shè)計(jì)研究院。

注塑機(jī)：victory 80 型，奧地利ENGEL 公司。

萬能材料試驗(yàn)機(jī)：5966 型，美國(guó)INSTRON 公司。擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)：7550-B，美國(guó)美特斯公司。

切口機(jī)：6898 型，意大利CEAST 公司。

摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，M-200，北京冠測(cè)試驗(yàn)儀器有限公司。

掃描電子顯微鏡：S-4700，日本日立公司。

電子天平：CPA2245，北京賽多利斯公司。

1.3 試樣制備

該研究所用的PTFE 纖維和BF 均為2 mm~6 mm 的短纖維，CF 為長(zhǎng)纖維。將POM 粒料和PTFE 纖維、BF、CF 在80 ℃~85 ℃的真空烘箱中恒溫干燥6 h。充分干燥后按不同比例將POM 與PTFE 纖維、BF、PEO 混合均勻，在主喂料口加入混合物料，CF 長(zhǎng)纖維從自然排氣口加入，通過控制螺桿轉(zhuǎn)速、喂料速度和纖維絲束大小調(diào)節(jié)纖維的加入量。熔融共混后擠出、冷卻、切粒。將粒料在80 ℃～85 ℃真空烘箱中恒溫干燥3 h，注塑成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條。擠出及注塑過程中主要工藝參數(shù)見表1。

表1 擠出、注塑主要工藝參數(shù)

1.4 性能測(cè)試

摩擦磨損性能按照GB/T 3960—2016 進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)環(huán)外徑為（40±0.5）mm，寬度10 mm，表面粗糙度為0.2 μm。標(biāo)準(zhǔn)樣條為長(zhǎng)方體，尺寸為30 mm×7 mm×6 mm。試驗(yàn)環(huán)

轉(zhuǎn)速為200 r/min，負(fù)荷20 kg，試驗(yàn)時(shí)間2 h。

拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率按照ISO527-1-2012 進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試速率為50 mm/min，試樣尺寸為170 mm×10 mm×4 mm。彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量按照ISO178-2010 進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試速率為2 mm/min，試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm，支點(diǎn)跨度為64 mm。缺口沖擊強(qiáng)度按照ISO180-2000 進(jìn)行測(cè)試，試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm，擺錘能量為2.75 J。用掃描電子顯微鏡（SEM）分析復(fù)合材料的摩擦表面。

2 CF和BF對(duì)POM性能的影響

2.1 CF對(duì)耐磨增韌POM摩擦磨損性能的影響

CF 自身的摩擦系數(shù)很小，將其加入POM/PTFE/PEO 耐磨增韌體系中，可以得到摩擦磨損性能優(yōu)良的復(fù)合材料，見表2。在POM/PTFE/PEO 體系中加入5%的CF，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)低至0.13，磨損量低至1.43 mm3，分別比POM降低了55%和52%，比POM/PTFE/PEO 體系降低了13%和33%，耐磨性能非常優(yōu)異。CF 之所以能夠顯著改善POM耐磨增韌體系的摩擦磨損性能，是因?yàn)樵赑OM/PTFE/PEO體系中添加CF 后，在摩擦磨損過程中會(huì)有纖維裸露，在犁切裂紋表面，CF 以其較高的比強(qiáng)度可抵抗摩擦過程中的應(yīng)力，改善材料的摩擦性能。

表2 CF 對(duì)耐磨增韌POM 摩擦磨損性能的影響

2.2 CF對(duì)耐磨增韌POM力學(xué)性能的影響

添加CF 后，復(fù)合材料的力學(xué)性能見表3。CF 的加入對(duì)POM 拉伸強(qiáng)度的改善最為明顯，較純POM 和POM/PTFE/PEO 分別提高了20%和39%。彎曲強(qiáng)度較純POM 和POM/PTFE/PEO 均有提高。缺口沖擊強(qiáng)度較純POM 略有提高，但比POM/PTFE/PEO 差，可見CF 的加入有利于復(fù)合材料強(qiáng)度的改善，但韌性有所下降。這是因?yàn)镃F 分散到POM體系中，良好的力學(xué)性能有利于形成有效的界面層，受到外力時(shí)，CF 能有效承載POM/PTFE/PEO 體系傳遞的部分應(yīng)力，成為應(yīng)力集中點(diǎn)，起到增強(qiáng)作用。此外，CF 分散在POM 中，作為應(yīng)力中心，能夠引發(fā)材料銀紋和剪切帶的產(chǎn)生，能有效吸收外界的沖擊能[6]，所以復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度比POM 高。CF 的加入在一定程度上降低了POM/PTFE/PEO 體系的缺口沖擊強(qiáng)度，但仍比純POM 略高。

表3 CF 對(duì)耐磨增韌POM 力學(xué)性能的影響

2.3 BF對(duì)耐磨增韌POM摩擦磨損性能的影響

在POM/PTFE/PEO 體系中加入BF，耐磨性能見表4。從表4 中可以看出，在POM/PTFE/PEO 中添加BF 后，摩擦系數(shù)為0.2，摩擦系數(shù)有所增大，但比POM 減小了31%。BF的加入使復(fù)合材料的磨損量得到很大程度地降低。BF本身的摩擦系數(shù)較小，加入POM 中能降低其摩擦系數(shù)，但對(duì)于POM/PTFE/PEO 體系，BF 的耐磨效果不如PTFE，在減小PTFE 含量后，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)略有增大，但仍低于POM。POM/PTFE/PEO 中加入BF 后磨損量降低，主要是因?yàn)锽F 能承擔(dān)摩擦副表面轉(zhuǎn)移膜的部分載荷，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)移膜的穩(wěn)定性，提高了磨損性能。

表4 BF 對(duì)耐磨增韌POM 摩擦磨損性能的影響

2.4 BF對(duì)耐磨增韌POM力學(xué)性能的影響

表5 為BF 對(duì)POM/PTFE/PEO 體系力學(xué)性能的影響結(jié)果。加入BF 后，POM/PTFE/PEO 體系的各力學(xué)性能指標(biāo)變化較小，整體力學(xué)性能比POM 有所提高。POM/PTFE/PEO體系力學(xué)性能的提高仍依賴于PEO 作為增容劑，能有效改善纖維與POM 的相容性。PTFE 纖維和BF 均勻分散在POM中，承擔(dān)部分載荷，起到增強(qiáng)的作用。

表5 BF 對(duì)耐磨增韌POM 力學(xué)性能的影響

2.5 CF改性耐磨增韌POM的SEM分析

CF 能夠較好地在POM/PTFE/PEO 體系中分散，當(dāng)添加了CF 的復(fù)合材料在摩擦副表面滑動(dòng)時(shí)（如圖1（a）和（b）所示），轉(zhuǎn)移膜含有的耐磨纖維可降低POM 的接觸壓力和表面應(yīng)力，且可承擔(dān)大部分載荷，同時(shí)CF 與POM 之間結(jié)合較好，最終在CF 纖維較低含量時(shí)，改善了POM/PTFE/PEO 體系的摩擦磨損性能，提高了其力學(xué)性能。

3 結(jié)論

POM/PTFE/PEO 體系的摩擦性能和力學(xué)性能均較優(yōu)越，摩擦系數(shù)低至0.15。CF 加入POM/PTFE/PEO 體系中能夠明顯提高POM 的摩擦磨損性能，力學(xué)性能較POM 也有較大改善。復(fù)合材料的摩擦系數(shù)低至0.13，磨損量低至1.43 mm3。添加BF 的POM/PTFE/PEO 體系的摩擦系數(shù)為0.2，力學(xué)性能較POM 略有提高。