塑料耐磨性的改性方法及應用

雷凱文 王克儉

（北京化工大學機電工程學院）

1. 引言

塑料，相比較傳統的金屬材料，木制材料等，擁有成本低廉，循環利用率高，可塑性更強等顯著優點。

同時，隨著塑料的發展與應用，各種具備特殊性能的專用塑料也應運而生，諸如耐腐蝕，耐吸水膨脹，耐寒，耐高溫等特性。

近些年來，因為社會的進步，人們對塑料有了更高的要求。其中耐磨性，成為研究者所關注的重點之一。

影響塑料耐磨性的途徑有很多，本文先闡述了摩擦磨損機理后，總結了兩種時下最為常用的方法去提高塑料耐磨性，最后介紹了耐磨塑料在包裝，鍋爐，鐵軌扣件等方面的應用。

2. 摩擦磨損機理

石油大學張嗣偉教授指出，中國每年由于摩擦磨損，要損失近600億人名幣。

按江民濤[1]的調查研究，摩擦磨損是材料發生損傷的三大原因之一，它損失了世界上一次能源的1/3。每年與摩擦，磨損有關的損失約占GDP的2%～7%。

尤其是在冶金，礦山，化工，建材及航天等部門中，摩擦磨損現象造成的損失尤為嚴重。

所以如何減摩，或者生產更為耐磨的材料，則成為摩擦磨損領域長久以來關注的問題。

摩擦現象，簡單來說就是存在至少兩個相互運動的摩擦表面，在相對作用力的影響下，兩運動表面發生尺寸，形狀或結構的變化。

一般來說，磨損可分為三個階段：①磨合階段，為穩定運行創造條件；②穩定磨損階段；③劇烈磨損階段，磨損急劇增長，磨件趨于被破壞。

圖1 磨損的三個階段[2]

目前比較公認的觀點是伯韋爾（Burwell）對磨損類型的分類，分為：粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、表面疲勞磨損。對于耐磨塑料來講，磨粒磨損與粘著磨損最為常見。

針對不同的磨損形式，研究者也采取了不同的措施來提高塑料的耐磨性，其中最為常用的方法即為，通過不同材料添加劑，不同生產工藝來提高耐磨性。

3. 塑料耐磨性的改性方法

3.1 通過不同填料提高耐磨性

材料添加劑的種類繁多，對于提高耐磨性這一目標來說，通常有七種添加劑[3]供生產商選擇。

分別是聚四氟乙烯（PTFE）、二硫化鉬、石墨、聚硅氧烷、玻璃纖維、碳纖維、芳香族聚酰胺纖維。其中PTFE與聚硅氧烷是通過形成一層自潤滑良好的潤滑膜來減少磨損，玻璃纖維與碳纖維均能改變材料的內部結構，提供了高分子間堅固的機械性結合的功能，而二硫化鉬主要應用于尼龍材料，用以提高其結晶度，石墨則適用于有水環境中的摩擦件。

表1 幾種典型填料減摩原理及適用環境

對于這幾種常用耐磨添加劑對塑料性能的提升如何，易平[4]先以純PTFE為研究對象，分別以對磨時間，對磨速度，載荷為自變量，談論了其對摩擦因數的影響，得出摩擦因數均隨著自變量先減小后增大的趨勢，證明了磨損三個階段的形成過程是可信的，隨后分別加入碳纖維，石墨，二硫化鉬，研究了不同填料對塑料耐磨性的影響，其中碳纖維影響最大，二硫化鉬影響最小。張枝苗[5]為了改善機車耐磨件的性能，以高密度聚乙烯為基材，超高密度聚乙烯為添加劑，共滾后通過對磨實驗得出，隨著超高分子聚乙烯組分提高，材料耐磨性顯著提升且摩擦因數降低。

除了上述常用耐磨添加劑外，硅灰對塑料耐磨性也具有一定影響。硅灰（硅微粉）是經過碳熱還原法生產硅鐵或金屬時所伴生的煙塵經過過濾和分級獲得的[6]。

劉淑煥等[6]通過對均質耐磨可塑料加入不同組分的硅灰，在低組分硅灰實驗中，可塑料耐磨值沒有明顯變化，但是隨著組分增多，耐磨值出現明顯下降。李紅波等[7]則以硅灰石與石墨做對比研究，二者均可以使聚四氟乙烯材料磨損率下降，并且硅灰石作用更為明顯，但同時灰導致材料摩擦因數提高，石墨則不會。

3.2 制備耐磨塑料的典型生產工藝

3.2.1 合金電鍍

塑料制品的表面金屬化可以明顯提高高分子材料的耐磨性能。可通過復合電鍍工藝達成。

復合電鍍工藝是一種沉積技術，是一種或幾種不溶性固體顆粒均勻的夾雜到金屬鍍層中以改善基材表面的硬度與耐磨性。

ABS是一種質輕，可塑性好，應用廣泛的工程塑料，但其存在硬度低，耐磨性差的缺點。通過復合電鍍工藝可明顯的提高其耐磨性能。白永蘭[8]、郭振偉[9]、楊子[10]均以ABS為基材，采取不同鍍層材料對ABS進行表面強化。

白永蘭與郭振偉使用金屬Ni顆粒，分別與無機粒子SiC，金屬W結合使用。而楊子則首次采用納米TiO2-SiO2-石墨鍍層材料，在ABS塑料表面銅基底上進行鍍層，大大提高了ABS塑料的耐蝕及自潤滑性能。

3.2.2 發泡成型

內部發泡是為得到多孔結構的材料，整齊，可控孔徑的這種新型材料結構具有減震降磨的功能，其中降磨是通過微孔結構吸收潤滑介質，在耐磨件工作時，可以創造穩定的潤滑環境，且減少磨損率。

圖2 聚合物內部多孔結構

汪懷遠等[11]采取模壓-濾取和高溫真空熔漬工藝制備了多孔聚醚醚酮（PEEK）發汗式自潤滑材料。通過設定不同的成型壓力，造孔劑含量以及潤滑介質種類，考察了PEEK多孔自潤滑材料的摩擦磨損性能。得出當壓力為100 MPa，NaCl質量分數為30%，采取通用鋰基酯時，材料潤滑性能最好。

在面對泡沫塑料時，其中氣體分散于基體材料灰形成炮孔結構，但是這種多孔結構很難保持住，李新峰[12]使用輻射交聯技術，增加了分子鏈之間的相互作用，使得閉孔結構形成穩定化，多孔孔徑均勻，壁厚適中，泡壁堅挺。制備的材料顯示出優秀的耐磨性能。

3.2.3 反應注射成型

反應注射成型是指在成型過程中有化學反應的一種工業加工工藝，這種方法作用原料不是聚合物，而是將兩種或兩種以上的液態單體或預聚物，以一定比例分別加到混合頭中，在加壓下混合均勻，立即注射到閉合模具中，在模具內聚合固化，定型。

彭淑鴿等[13]則采用反應注射成型技術，對納米CuS/聚雙環戊二烯（PDCPD）進行表面改性，以鎢配合物為主催化劑，AIEt2Cl為助催化劑，制得的材料相比于沒有經過反應注射成型的PDCPD材料，磨損質量最大降低了30%，摩擦因數最大降低了36%。

劉曉飛[14]選取SiO2和MoS2納米粒子為填料，采取兩步法制備了與雙戊二烯相容性極佳的聚苯乙烯包覆的SiO2和MoS2復合納米微球，以此為填料加入雙環戊二烯（DCPD）單體中，然后采用雙組份催化劑聚合，探索了添加PS/SiO2納米微球對反應體系的影響，最后通過反應注射設備生成PS/SiO2納米微球填充改性的PDCPD/PS/SiO2納米復合材料。通過QG-200高溫氣氛摩擦試驗機實驗樣品，得出PS/SiO2納米微球質量分數達到4%時，綜合摩擦性能最好。

4. 耐磨塑料應用

4.1 耐磨塑料包裝編織袋

塑料包裝編織袋的使用環境而言，為了保證包裝物件使用性能，或者滿足運輸的要求，常常需要其擁有良好的耐磨性能。

王仁龍針對不同的包裝使用環境，設計了幾種不同類型的耐磨塑料編織袋。針對有水環境而言，他將天然橡膠乳，甲基丙烯酸甲酯作為添加劑，解決了編織袋在有水環境下的粘合性問題。[15]針對于編織袋經常使用拉鏈而造成編織袋破壞的現象，王仁龍[16]設計了一種具備兩個密封層層，同時在編織袋本體內外壁均粘結耐磨層，使得這種編織袋的耐磨性，密封性大大提高。

圖4 雙層密封耐磨編織袋[16]

4.2 鍋爐耐磨可塑料

隨著近年“清潔能源”概念成為人們的共識，各種清潔能源設備也隨之出現。循環流化床鍋爐（CFB）便應運而生，該裝置作為改建火（熱）電廠的主要清潔燃燒核心而被廣泛使用。其耐火耐磨可塑料是決定CFB工作效能的關鍵零部件。

可塑料是不定型耐火材料的一種，由70%～80%粒狀和粉狀物料加10%～25%的可塑性黏土等結合劑及適量增塑劑配制而成的耐火材料。

羅旭東等[17]以高鋁礬土，二氧化硅微粉和氧化鋁微粉為原料，以磷酸而氫鋁和磷酸為結合劑，制備了一種用于CFB鍋爐的高鋁質耐磨可塑料。得出可塑料耐磨性主要取決于可塑料體積密度，顯氣孔率，骨料與及基質結合程度。而古欽培[18]則針對耐磨可塑料在鍋爐運行過程中出現的磨損，脫落現象進行了原因分析，改進了襯體施工工藝，同時在啟爐時對新鋪設的襯體進行烘烤，提高了設備的可靠性與運行經濟性。

5. 耐磨塑料發展前景

隨著社會向著更輕量化，經濟性的方向發展，塑料作為一種比傳統金屬材料更容易按照不同工程需求改性的優勢，會逐漸在各個領域完成對金屬件的替代。

其中，耐磨性作為工程材料的幾種重要性能，會得到越來越多研究者的關注。諸如水潤滑軸承領域，比起傳統的油潤滑，更具環保性與可持續性，而水潤滑軸承塑料則是其中的核心部件。水潤滑軸承代替油潤滑軸承是可以預見的趨勢，而水潤滑耐磨塑料將會是耐磨塑料在未來的一個重要領域。