中國(guó)粉體網(wǎng)訊  聚四氟乙烯(PTFE)含有強(qiáng)的氟碳鍵，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫性、絕緣性、自潤(rùn)滑性和不粘附等特性。作為摩擦/磨損高分子聚合物材料，PTFE在航天、醫(yī)療、建筑設(shè)備制造等領(lǐng)域被廣泛用作電源和信號(hào)線的絕緣層，耐腐/耐磨薄膜、管板棒、軸承、墊圈、閥門及化工管道、管件、設(shè)備容器襯里等。

但是，未經(jīng)改性的PTFE具有硬度較低且磨損量較大、導(dǎo)熱率低且線膨脹系數(shù)較大、易冷流且抗蠕變性不佳等不足，一定程度制約并影響了它的應(yīng)用領(lǐng)域和使用效能。

為了改善PTFE的性能缺陷，通常需要通過填充或共混的方法對(duì)其進(jìn)行改性。改性后的PTFE性能大大提高，將其與彈性體復(fù)合制備出的組合式密封件，能夠適應(yīng)飛行器液壓與氣動(dòng)系統(tǒng)中高溫、高壓、高載荷、高轉(zhuǎn)速的苛刻工況。

材料磨損是密封裝置常見的失效模式之一。針對(duì)PTFE耐磨性差的特點(diǎn)，通過加入適量能提升材料抗變形能力的增強(qiáng)填料(如纖維、硬質(zhì)金屬粉末)或者能改變材料界面特性的潤(rùn)滑填料均可以顯著提升其耐磨性。針狀硅灰石(Wollastonite)是一種纖維狀的硅酸鹽礦物，耐高溫性能優(yōu)越，熱膨脹系數(shù)小，無毒無味且耐化學(xué)藥品腐蝕，在橡塑改性中常作為增強(qiáng)或耐磨填料來使用，具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)與成本優(yōu)勢(shì)。

PTFE材質(zhì)墊圈 圖片來源：無錫市祥健四氟制品有限公司

1硅灰石填充改性PTFE提高材料摩擦性能

案例1

李紅波等以針狀的硅灰石和鱗片石墨為填料，采用冷壓—燒結(jié)工藝制備了不同填料含量的PTFE復(fù)合材料，考察了復(fù)合材料的摩擦磨損性能，并利用掃描電子顯微鏡對(duì)磨痕和轉(zhuǎn)移膜進(jìn)行了分析。

結(jié)果表明，單獨(dú)填充硅灰石和石墨時(shí)，PTFE的磨損率都會(huì)隨填料含量的增加而降低，硅灰石的作用要強(qiáng)于石墨；但硅灰石會(huì)使PTFE的摩擦因數(shù)明顯增大，而石墨會(huì)使PTFE的摩擦因數(shù)降低。兩種填料提升PTFE耐磨性的作用機(jī)理不同，硅灰石在摩擦過程中會(huì)在滑動(dòng)界面區(qū)域上逐漸堆積，起到優(yōu)先承擔(dān)載荷的作用，而石墨在摩擦過程中會(huì)發(fā)生片層的滑移與剝離，有助于轉(zhuǎn)移膜的形成。適量的硅灰石(含量為20%)與石墨(含量為5%或10%)復(fù)合填充能產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使PTFE的磨損率進(jìn)一步降低，耐磨性比未填充的PTFE提高200倍。

PTFE及填料的微觀形貌

案例2

王志丹等選擇針狀硅灰石(Wo)和碳纖維(CF)作為協(xié)同改性劑，制備聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合材料，并對(duì)改性復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱力學(xué)性能和耐磨損性能進(jìn)行測(cè)試。

其中，摩擦性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

干摩擦實(shí)驗(yàn)中，20%Wo對(duì)PTFE的改善效果最好，平均摩擦系數(shù)由0.241降至0.179；體積磨損率由853×10^-4mm³/(N·m)降至0.71×10^-4mm³/(N·m);

濕摩擦實(shí)驗(yàn)中，10%Wo與10%CF對(duì)PTFE的改善效果最好，平均摩擦系數(shù)由0.161降至0.112；體積磨損率由511×10^-4mm³/(N·m)降至5.34×10^-4mm³/(N·m)。比較干濕兩種場(chǎng)景，PTFE+10%Wo+10%CF的耐磨損性能最好。

案例3

吳迪等將機(jī)械力化學(xué)改性后的凹凸棒石和硅灰石粉體添加到聚四氟乙烯(PTFE)中，通過機(jī)械攪拌、冷壓燒結(jié)制成礦物/聚合物復(fù)合材料，并對(duì)復(fù)合材料的理化性能及其摩擦磨損特征進(jìn)行了研究。

其中摩擦磨損結(jié)果表明，PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)較未添加礦物粉末的PTFE略微升高，但摩擦量顯著降低；同時(shí)含有凹凸棒石與硅灰石的PTFE復(fù)合材料，在高載荷(200N)和中低轉(zhuǎn)速(0.21m/s)工況環(huán)境下具有很低的磨損量和較低的摩擦系數(shù)。研究認(rèn)為，與PTFE復(fù)合材料對(duì)磨的鋼環(huán)表面，形成了含有礦物粉體組分的不連續(xù)轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜和氧化膜，有效改善了PTFE復(fù)合材料與對(duì)偶金屬摩擦副摩擦界面的自適應(yīng)性，進(jìn)而有效減弱了鋼環(huán)對(duì)PTFE復(fù)合材料的表面磨損。

硅灰石填充ＰＴＦＥ的磨痕及轉(zhuǎn)移膜

2硅灰石提高PTFE摩擦性能的機(jī)理

2.1優(yōu)先承擔(dān)載荷

硅灰石在摩擦過程中會(huì)在滑動(dòng)界面區(qū)域上逐漸堆積，起到優(yōu)先承擔(dān)載荷的作用。當(dāng)硅灰石表面接觸壓力增加后，會(huì)因?yàn)镻TFE的“冷流”作用陷入到樹脂基體內(nèi)部，這個(gè)過程的不斷循環(huán)將導(dǎo)致接近滑動(dòng)界面區(qū)域上的填料堆積。硅灰石含量越大，填料堆積就越迅速，摩擦因數(shù)也更大。

2.2形成潤(rùn)滑膜和氧化膜

摩擦界面形成了含有硅灰石礦物粉體組分的不連續(xù)轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜和氧化膜，膜層有效改善了PTFE復(fù)合材料與摩擦界面的自適應(yīng)性。

結(jié)語

在硅灰石與其他碳基填料的協(xié)同作用下，PTFE不僅摩擦性能得到顯著提升，其斷裂伸長(zhǎng)率、抗蠕變性能、洛氏硬度等都可以得到大幅度增強(qiáng)�？傮w而言，硅灰石填充改性塑料制品，相較大部分無機(jī)粉體而言，有明顯的功能化、多元化優(yōu)勢(shì)以及較強(qiáng)的高值化潛力。

參考來源

王志丹，等：針狀硅灰石/碳纖維協(xié)同作用對(duì)PTFE性能的影響，鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院

李紅波，等：硅灰石與石墨對(duì)聚四氟乙烯摩擦磨損性能的影響，中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院

吳迪，等：凹凸棒石–硅灰石/PTFE復(fù)合材料摩擦磨損性能及其機(jī)理，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)