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表面改性硅灰石纤维填充PTFE复合材料的摩擦学性能

摘要:用KH550硅烷偶联剂表面改性的硅灰石纤维(WF)填充PTFE,在MPxaooo型磨损试验机上研究复合材料的摩擦磨损性能,并与经典的炭纤维( CF)填充fTFE复合材料进行比较。采用SEM对磨损面和对偶面进行分析a结果表明:较商载荷(200和300 N)下复合材料摩擦因数随WF含量变化的幅度不大,较稳定地维持在较低值:细小尺寸WF填充PTFE复合材料的耐磨性能较好,在WF质量分数为10%时,复合材料的磨损量只有相同含量CF填充PT-

FE复合材料的81%:细小尺寸WF填充FTFE复合材料的磨损面较为平整,存在轻微黏着磨损,其对偶面转移膜平整光滑、结构致密:而CF/PTFE复合材料磨损面存在许多裸露和碎断的CF,犁削和磨粒磨损是主要的磨损形式。   


聚四氟乙烯( PTFE)是一种含氟塑料,由于其具有优异的化学稳定性、耐高低温、极低的摩擦因数及自润滑等性能,在摩擦学领域一直是研究的热点田。但是纯PTFE存在耐磨性差、蠕变明显的缺点,限制了其更宽范围的应用脚。为了提高PTFE的综合性能,需对其进行改性,而采用各种纤维、颗粒、纳米粒子对PTFE进行增强、耐磨改性的研究已经比较多。

硅灰石是一种含钙的偏硅酸盐类矿物,因其具有无毒、耐化学腐蚀、热稳定性及尺寸稳定性良好、力学性能及电性能优良且廉价易得等优点,广泛用作高聚物基复合材料的增强填料陆-。天然针状硅灰石由于具有较高的长径比,可明显改善基体的机械和摩擦学性能,因而广泛用于聚合物的增殛改性圃。然而,目前关于硅灰石填充PTFE复合材料(简称WF/PT-FE)摩擦学性能的研究报道很少嘲。

本文作者研究了WF的含量、尺寸对PTFE复合材料摩擦学性能的影响,并与经典的炭纤维(CF)填充PTFE复合材料的耐磨性能进行对比。目的是为硅灰石在PTFE增强改性中的应用提供实验依据,为高性能低成本减摩耐磨PTFE复合材料的制备和应用提供参考。am),美国杜邦公司生产:硅灰石(80、200、325及600目),江西新余硅灰石实业有限公司生产:硅烷偶联剂KH - 550,南京曙光化工厂生产。

为改善硅灰石填料在聚合物中的分散效果,填料经过硅烷偶联剂KH-550表面处理,方法同文献[10]。根据需要称取不同含量的处理后的硅灰石加入PTFE粉末中,机械搅拌混合均匀,经冷压烧结(380℃,保温2h)成型。加工后的样品(外径26mm.内径22 mm)和对偶面在实验前用900砂纸打磨到粗糙度Ra=0.15一0.3Wni,用丙酮清洗后干燥

备用。

1.2性能测试与评价

采用MPX.2000型磨损试验机,在室温下考察WF/PTFE复合材料的摩擦磨损性能。实验采用双环端面接触方式。实验条件为:载荷100、200、300 N,滑动速度1.4 m/s,实验周期2h。磨损量用精度为0.1 mg电子天平称量,磨损率的计算同文献[11]:

摩擦因数取稳定期的平均值。所有实验结果均取3次实验的平均值。利用日本FEI公司生产的QUANTA-200型扫描电子显微镜分析磨损表面形貌。

2结果与讨论

2.1    WF含量对复合材料摩擦磨损性能的影响

2分别给出了不同载荷下改性硅灰石(325曰)含量对WF/PTFE复合材料摩擦磨损性能的影响。从图1可以看出,较低载荷(100 N)下,摩擦因数随WF含量增加变化幅度较大:较高载荷(200和300 N)下,摩擦因数随WF含量变化的幅度不大,总体稳定在较低值:随着载荷增大WF/PTFE复合材料的摩擦因数明显降低。

在较宽范围内震荡,摩擦学性能不稳定:较低载荷(100 N)下,3% WF填充PTFE复合材料具有最低的磨损率:而较高载荷(200和300 N)下,10% WF填充PTFE复合材料的耐磨性能最佳。从图2中可看出,200 N载荷下,10% WF填充PTFE复合材料的磨

损率为1. 58 x10-9 crn3,(N.m),相比纯PTFE的磨损率286.5×10。9 cm3,(N.m),提高了181.3倍。

图2不同载荷下硅灰石含量与磨损量的关系Fig 2  Effect of WF conLent on the wear rate ofWF/PrFE composite under different loads

2.2    WF尺寸对复合材料摩擦磨损性能的影响 表1给出载荷200 N下,不同目数的10% WF填充PTFE复合材料的摩擦磨损性能。可以看出325目和600目的硅灰石,相比80目和200目的硅灰石填充改性PTFE复合材料的耐磨性提高得很明显,其中600目WF/PTFE复合材料磨损率最低:此外,尺寸较细的WF改性填充的PTFE的摩擦因数也相对比较低。因此,用尺寸较细的WF改性填充PTFE,复合材料耐磨性提高明显。

 

2.3   WF/PTFE复合材料的摩擦磨损性能 以上研究表明,较高载荷下,10% WF填充PT-FE复合材料的耐磨性能最佳:325目的硅灰石填充改性PTFE复合材料的耐磨性提高得很明显。因此,作者考察了10%的硅灰石(325目)填充PTFE复合材料在不同载荷下的摩擦因数及磨损量,并与10%CF填充IrfFE复合材料的性能进行了比较,各载荷下硅灰石填充PTFE复合材料具有比相同含量CF填充PTFE复合材料更低的摩擦因数和磨损量,表现出更好的减摩和耐磨性,尤其是低载荷时效果更为明显。在载荷为200 N时,10% WF/PTFE复合材料具有最好的耐磨性,其磨损率只有相同含量CF/PTFE复合材料的81%:在载荷为100 N时,WF/PTFE复合材料的磨损率只有CF,PTFE复合材料的22. 7%,耐磨性高出4.4倍。

2.4摩擦磨损机制分析

10% WF/PTFE、10% CF/PTFE复合材料在200 N载荷下磨损面的SEM图片。由图4可看出,600霹硅灰石填充PTFE复合材料的磨损面较平整,存在轻微黏着磨损,这可能是由于较细(600目)的硅灰石纤维与基体之间形成了较强的界面作用,从而降低了磨损率。由图5可看出,磨损面有许多裸露和碎断的CF,同时磨损面上存在较多微观裂纹,犁削和磨粒磨损是主要的磨损形式。

可起到微区增强、显微耐磨作用。同时由于粒径较小,可以有效降低对偶面和磨损面的表面粗糙度,有利于转移膜的形成。而平整均一的转移膜对提高聚合物耐磨性具有重要的作用‘阁。而CF/PTFE复合材料的对摩面上存在明显的犁沟和划痕,结构粗糙,未见转移膜生成,这可能是CF增强PTFE复合材料磨损率偏高的主要原因。

3结论

(1)在较高载荷(200和300 N)下,复合材料摩擦因数随WF含量变化的幅度不大,摩擦因数稳定在较低值,在较低载荷(100 N)下,摩擦因数随WF含量增加变化幅度较大。

(2)硅灰石填充PTFE复合材料的摩擦因数随着载荷增大明显降低。细小尺寸WF填充PTFE复合材料的耐磨性能较好。

(3)硅灰石填充PTFE复合材料具有比相同含量CF填充PTFE复合材料更低的摩擦因数和磨损量,表现出更好的减摩和耐磨性,尤其是低载荷时效果更为明显。

 (4) 600目WF填充PTFE复合材料的磨损面比较平整,对偶面转移膜平整光滑,结构致密,轻微的黏着磨损是其主要的磨损形式:而CF/PTFE复合材料磨损面存在许多裸露和碎断的CF,犁削和磨粒磨损是主要的磨损形式。


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