氧化鋁微粉改性PTFE內襯管的摩擦性能研究

周生泰

上海長園電子材料有限公司（上海 201802）

機動車的檔位變化通過一套機械式選換檔結構來實現，其基本原理是撥動檔桿后產生的位移變化使內部旋轉結構處在不同的檔位上。實現位移變化的零部件是操縱軟軸[1-2]，其主要結構可以簡化為3部分，即外側的索導管、中心的鋼索以及兩側的附屬結構。聚四氟乙烯（PTFE）管由于具有優異的耐高低溫特性、極低的摩擦因數以及阻燃自熄的特性，常被作為索導管的內襯管[1，3]使用，也被廣泛應用于船舶、交通、機械等工業中。但PTFE材料耐磨損性能較差，材質較軟，為改善其磨損率大、不耐蠕變等缺點，有研究者嘗試在其中添加銅粉、石墨、玻璃纖維等無機填料[4-8]，并取得了一些有意義的成果。氧化鋁，俗稱“剛玉”，其熔點高、硬度高，常被作為耐火材料、阻燃劑和研磨料使用。有研究者采用納米氧化鋁[5]改性有機高分子材料的硬度、抗磨損性，但對工業使用而言，能否使用更加便宜的微米級粉體是一項更有意義的課題。需要指出的是，這些研究往往使用PTFE懸浮樹脂做成的塑料塊進行摩擦磨損測試，對于工業中使用的PTFE分散樹脂管狀物實際意義不大，不能貼合實際。為此，本研究采用PTFE分散樹脂擠出壁厚為0.4 mm的軟管進行臺架試驗，模擬和評估了材料的硬度、力學性能、摩擦磨損特性。

1 實驗部分

1.1 原材料

F-20XPTFE分散樹脂，大金氟化工（中國）有限公司；氧化鋁微粉，其粒徑（D50）分別為5，10，20和40μm，鄭州西德利化工新材料有限公司；助劑油，市售。

1.2 儀器與設備

混料機、振動機、擠出燒結機、耐磨試驗機，自制；GT-TCS-2000電子拉力機，臺灣高鐵檢測儀器有限公司；MXG-2500光學顯微鏡，基恩士（中國）有限公司。

1.3 工藝過程

將氧化鋁微粉與PTFE樹脂、助劑油按一定比例混合均勻后，按照圖1的工序擠出管材并燒結。燒結溫度為420℃，擠出速率為3.5 m/min。

圖1 聚四氟乙烯管材生產流程

1.4 性能測試

力學性能：按照GB/T 1040.1—2018《塑料拉伸性能的測定第1部分：總則》測試拉伸強度和斷裂伸長率。

硬度：按照GB/T 2411—2008《塑料和硬橡膠使用硬度計測定壓痕硬度（邵氏硬度）》測試邵氏硬度。

磨損性能：按照QC/T 29101—1992《汽車用操縱拉索總成》的要求[9]進行測試，負載為8 kg，速率為2次/min，干摩擦，不添加潤滑油，中間拉線為普通鋼絲繩。

微觀形貌：用光學顯微鏡觀察再生PTFE微粉和填充改性后的PTFE制品。

2 結果與討論

2.1 氧化鋁微粉粒徑對PTFE管材的外觀影響

不同粒徑氧化鋁改性PTFE擠出的管材外觀各不相同，具體如表1所示。在添加大粒徑（40μm）的氧化鋁微粉后，其外觀不光滑，粗糙拉絲，不滿足工程要求；填充粒徑為5～20μm氧化鋁微粉的管材表面光滑，符合工程要求，但從國外競品的外觀來看，目標產品的透光性較差，更接近于不透明。從表1可以看出，氧化鋁微粉的添加提高了改性PTFE管的硬度，增強了PTFE表面抵抗探針刺入的能力；隨著微粉粒徑的增大，填充相同比例的微粉，粒子團數量在減少，這就解釋了粒徑大的微粉填充后材料相對硬度有所下降。因此，需要進一步研究微粉粒徑和填充比例對PTFE管材外觀和性能的影響。

表1 氧化鋁微粉填充后的PTFE管材的外觀

2.2 氧化鋁微粉填充比例對PTFE力學性能的影響

按照表2的配比制備了不同填充比例下的PTFE改性管。隨著氧化鋁填充比例的增大，其外觀逐漸變差，集中表現為粗糙、表面不光滑，這將直接導致管材的摩擦因數增大，增加鋼索的摩擦阻力，會使操縱軟軸的位移效率和負載效率劣化，在工程上是不可取的。改性材料的力學性能如圖2所示，從圖2可以看出，隨著填充比例的增加，其力學性能也發生了變化。填充9份氧化鋁時拉伸強度達到最大，但斷裂伸長率逐漸下降。這是由于PTFE分子與氧化鋁粉體并不相容，少量的氧化鋁微粉在分子鏈間起到物理纏結點的作用；但大比例的氧化鋁微粉破壞了分子間作用力，導致PTFE分子鏈更容易被拉脫。因此，結合外觀和力學性能要求，不建議填充超過9份以上的比例。

表2 不同填充比例的微粉（10μm）改性PTFE管外觀

圖2 不同填充份數微粉對PTFE力學性能的影響

2.3 不同微粉填充比例對PTFE摩擦磨損性能的影響

磨損是互相接觸的物質在相對運動中其表層材料不斷損傷的過程，是伴隨著摩擦而產生的必然結果。一般研究PTFE的摩擦磨損是使用摩擦試驗機來完成的；但對于工程上的需要，往往通過臺架模擬其實際使用狀態進行評價，本研究采用QC/T 29101—1992中關于磨損（耐久性）的測試方法進行評估。PTFE材料的摩擦因數極低，已由諸多文獻所證實，工程上則不再進行判定。耐久性測試示意圖如圖3所示，耐久性測試結果如圖4所示。

圖3 QC/T 29101—1992中關于耐久性測試的示意圖

從圖4可以看出，隨著填充比例增大，PTFE管材的耐久性呈現先緩慢上升后下降的趨勢，在填充份數為6份時達到峰值；填充9份時材料耐久性變差，填充15份時耐久性能大幅度下降。這說明二者的相容性不好，填充比例過大對耐磨損性能有害，應控制填充比例。這可能是由于填充比例增加后管材的相對硬度提高，增加了對鋼索刺入管材的抵抗性；隨著填充比例超過9份，被磨損下來的碎屑中氧化鋁的比例增大，即形成了磨粒磨損，加速了磨損的發生，導致管材的磨損量增加。

圖4 不同填充份數微粉對PTFE耐久性的影響

2.4 氧化鋁微粉在改性PTFE管材中的微觀形態研究

使用體式光學顯微鏡觀察了經過耐久性磨損試驗后的管材以及產生的磨屑，如圖5所示。

圖5（a）是與鋼索反復接觸的PTFE襯管的內表面，可以看到磨損表面有線性溝槽，這是由鋼索的線性往復運動反復刮擦PTFE管內表面導致的。鋼鐵的硬度遠大于PTFE材料，鋼索表面在負載壓力作用下嵌入了PTFE表面層，將PTFE表面犁削并產生了薄膜和碎屑；隨著磨損的進行，產生的碎屑和薄膜逐漸黏附包圍在鋼索上，降低了摩擦因數，但由于PTFE表面能太低，不能形成緊密的潤滑層，導致磨損繼續發生，隨后達到平衡狀態，最后管壁被磨穿破裂。圖5（b）顯示的大片磨屑是因為外力促使PTFE的大分子鏈斷裂或者滑移，從而導致材料被拉出PTFE晶區形成膜狀物，進而轉移到鋼索表面形成輸送的相轉移膜，這是黏著磨損的典型特征。

圖5 氧化鋁微粉（6份）填充改性PTFE管材的光學微觀圖片

3 結論

（1）結合PTFE制品外觀和硬度看，適合作為工程改性的氧化鋁微粉的粒徑（D50）為10～20μm，優選10μm，得到的管材外觀光滑，呈現不透明狀；

（2）隨著填充氧化鋁細粉的比例增大，PTFE管材的力學性能呈現先增大后減小的趨勢，在填充量為9份時達到最大值，其拉伸強度為純PTFE管材的1.5倍；

（3）添加微粉（細粉）可以改善純PTFE管材的耐磨損性能，在6份時達到最優，但過量添加對摩擦磨損性能有害；

（4）PTFE管的磨損屬于黏著磨損，主要表現為犁溝效應和相轉移膜，當超量添加時磨損機理還表現為磨粒磨損。

綜合上述研究，得到的改性條件為填充氧化鋁粒徑為10μm，填充比例為6份。