聚四氟乙烯/聚苯酯复合材料的结晶及摩擦性能研究

侯 梅，寇开昌，张冬娜，蒋 洋，李 宁

（西北工业大学理学院，陕西 西安710129）

聚四氟乙烯/聚苯酯复合材料的结晶及摩擦性能研究

侯 梅，寇开昌，张冬娜，蒋 洋，李 宁

（西北工业大学理学院，陕西 西安710129）

采用差示扫描量热仪分析了聚四氟乙烯/聚苯酯（PTFE/POB）复合材料的结晶性能，研究了复合材料在干摩擦条件下和45号钢对磨的摩擦性能，采用扫描电镜观察了复合材料的磨损表面形貌，并探讨了POB含量对复合材料结晶性能和摩擦性能的影响。结果表明，加入POB后，复合材料的结晶度增大，在POB含量为20%时结晶度出现峰值。复合材料的结晶速率和摩擦因数均随POB含量的增加而增大，磨痕宽度随POB的含量增加而大幅减小。

聚四氟乙烯；聚苯酯；结晶性能；摩擦性能

0 前言

PTFE是一种半结晶型聚合物，具有优异的高低温性能、化学稳定性、极好的电绝缘性及低的摩擦因数，是目前航空航天材料中用量最大的高性能材料之一，尤其是航空密封材料。但PTFE的硬度低、耐磨损和耐高温蠕变性能差，限制了其应用范围［1］。

POB又称聚对羟基苯甲酸苯酯，为链状线形分子，结晶度很高（大于90%），具有优异的耐热性、化学稳定性、良好的耐蠕变性、较高的硬度和优异的自润滑性和耐磨性，不损伤对磨件，能与PTFE在性能上形成很好的互补，且POB可与PTFE以任意比例共混［2］。本文针对PTFE/POB复合材料的结晶性能及摩擦学性能进行了研究。

1 实验部分

1.1 主要原料

PTFE，JF－4TM，浙江巨圣氟化工；

POB，CGZ－351－4，中昊晨光研究所；

丙酮，分析纯，天津市天大化学试剂。

1.2 主要设备及仪器

高剪切分散乳化机，FM200，上海弗鲁克机电设备有限公司；

平板硫化机，QLB－D400×40×2，西安机床附件厂；

高温试验箱，WG－4501，重庆银河实验仪器有限公司；

差示扫描量热仪（DSC），Q1000，美国TA公司；

磨损试验机，M－200，宣化材料试验机厂；

环境扫描电子显微镜（SEM），Quanta 200，荷兰Philips－FEI公司。

1.3 试样制备

将PTFE和POB混合于适量丙酮溶剂中，经高剪切分散乳化机充分搅拌后，在120℃下烘干2h，冷却后在30～50MPa下模压成型，保压10～15min，脱模后在高温试验箱中按一定程序冷压烧结，获得80mm×10mm×2mm的条形试样和30mm×7mm×6mm的摩擦试样。复合材料中POB含量分别为0、5%、10%、15%、20%、25%、30%，依次记为 F－0、F－5、F－10、F－15、F－20、F－25和 F－30。

1.4 性能测试与结构表征

将条形试样磨成粉末，称取5～10mg，在N2气氛下以10℃/min的速率升温至380℃，保温5min以消除热历史，再以10℃/min的速率降温至260℃，记录DSC曲线；

按照GB 3960—1983采用磨损试验机测试复合材料在干摩擦状况下的摩擦磨损性能，对磨环为45号钢，载荷为20kg，转速为200r/min，复合材料的对磨时间为2h，纯PTFE的对磨时间为30min；试验前，用金相砂纸打磨试样和对磨环，并用丙酮擦拭，晾干后使用。磨痕宽度直接测量，摩擦因数（μ）按式（1）计算。

式中 M——趋向稳定的摩擦力矩，kg·cm

F——负荷，kg

r——圆环半径，cm

采用环境扫描电子显微镜观察复合材料摩擦面的形貌。

2 结果与讨论

2.1 POB含量对复合材料结晶度的影响

PTFE/POB复合材料的结晶度（Xc）可通过式（2）来计算。

式中 ΔHm——试样的熔融热，J/g

α——复合材料中PTFE的质量分数

从表1可以看出，加入POB后，复合材料的结晶度都有所提高，这是因为POB起到了异相成核的作用；当POB含量为20%时，复合材料的结晶度达到最大值。说明随着POB含量的增加，成核剂含量增加，有利于结晶的进行，复合材料的结晶度提高。但当POB含量超过20%后，复合材料的结晶度又有所下降，但下降幅度较低。这是因为POB阻碍了PTFE分子链的运动，使其结晶度下降，但在结晶过程中异相成核占主要作用，故降幅较小。

表1 PTFE/POB复合材料的熔融热及结晶度Tab.1 Melting enthalpy and crystallinity of PTFE/POB composites

2.2 POB含量对结晶温度和结晶速率的影响

从图1和表2可以看出，随着POB含量的增加，PTFE/POB复合材料的初始结晶温度（T0）和结晶峰温度（Tp）均有一定程度的变化，但无规律可循，且其变化幅度都在1℃以内。这表明POB含量对PTFE/POB复合材料结晶温度的影响较小。在实际应用中，经常用结晶进行到一半时所需时间（t1/2）的倒数τ1/2来表征结晶速率，τ1/2越大，结晶速率越高。由表2可知，随着POB含量的增加，PTFE/POB复合材料的结晶速率增大。

图1 PTFE/POB复合材料的DSC曲线Fig.1 DSC curves for PTFE/POB composites

表2 PTFE/POB复合材料的结晶动力学参数Tab.2 Crystallization kinetics parameters of PTFE/POB composites

2.3 POB含量对拉伸强度和硬度的影响

从表3可以看出，复合材料的拉伸强度随着POB含量的增加而降低，这是因为POB即使在538℃也不熔融，所以在复合材料中始终以颗粒的形式存在，阻碍了PTFE的黏结，从而降低了复合材料的拉伸强度。

表3 PTFE/POB复合材料的拉伸强度和硬度Tab.3 Tensile strength and hardness of PTFE/POB composites

从表3还可以看出，复合材料的硬度（肖D，下同）随着POB含量的增加而增大，这是因为POB是由苯环和极性氧原子组成的刚性材料，其硬度为87，远大于PTFE的硬度，二者混合，复合材料的硬度增加。

2.4 POB含量对摩擦性能的影响

纯PTFE的内聚能较低，大分子容易解脱，且其硬度和剪切强度较低，容易受到对磨面上金属凸峰的切削［3－4］，发生剪切变形和滑移。

从图2（a）可以看出，PTFE/POB复合材料的摩擦因数随POB含量的增加而增大。据报道，POB的摩擦因数为0.3左右［5］，大于PTFE。复合材料的摩擦因数是由POB和PTFE在摩擦面上所占的面积含量所决定的，随着POB含量的增加，其在摩擦面上的含量增加，参与摩擦的几率增大，从而使材料的摩擦因数增大。且POB会破坏PTFE转移膜，使其不易在对磨面上形成完整的润滑膜，提高摩擦因数。

图2 PTFE/POB复合材料的摩擦性能Fig.2 Tribological behaviors of PTFE/POB composites

从图2（b）可以看出，PTFE/POB复合材料的磨痕宽度随着POB含量的增加而减小，说明复合材料的磨损量随着POB含量的增加而减小。PTFE的磨损本质是在外力的作用下，大分子链发生滑移和断裂，从而使PTFE被拉出结晶区并呈现片状转移到对磨面，造成黏着磨损［6－8］，且转移膜与对磨面之间的黏着性较差，转移膜不停地形成、脱落、再形成，使复合材料的磨损率增大。POB的加入阻止了PTFE带状结晶结构的大面积破坏，加强了转移膜与对磨面之间的黏着性，降低了复合材料的磨损率，提高了其耐磨性。

从图3可以看出，纯PTFE的磨损表面较为光滑、平整，其表面有呈片状脱落所留下的黏着磨损，没有明显的犁沟，说明PTFE是以黏着磨损为主。当加入POB后，复合材料的磨损面变得较为粗糙并且有犁沟产生。随着POB的增加，复合材料的磨损表面变得越来越粗糙，犁沟增加，黏着磨损减少，磨粒磨损占主导，复合材料的耐磨性提高。

3 结论

（1）复合材料的结晶度均大于纯PTFE，随着POB含量的增加，复合材料的结晶度先增大后降低，当POB含量为20%时，结晶度出现极大值；

图3 PTFE/POB复合材料摩擦面形貌SEM照片Fig.3 SEM micrographs for worn surface of PTFE/POB composites

（2）复合材料的结晶速率随着POB含量的增加而增大；但POB对复合材料结晶温度的影响无规律可循；

（3）POB的加入使PTFE/POB复合材料的摩擦因数增大，磨损率显著降低，POB含量大于20%后，磨痕宽度基本不变；磨损方式由黏着磨损转变为磨粒磨损；POB含量为20%时，复合材料的抗磨性较好。

［1］ 缪京媛，叶 枚.氟塑料加工与应用［M］.北京：化学工业出版社，1987：10.

［2］ 陈恩强，张华丽，李国辉.聚苯酯的性能及应用［J］.化工新型材料，2002，30（5）：14－17.

［3］ 何春霞，康丽霞.聚四氟乙烯及其石墨填充复合材料的摩擦磨损特性［J］.工程塑料应用，2001，29（3）：1－3.

［4］ 顾传锦，向定汉.纳米高岭土增强PTFE复合材料的摩擦磨损特性［J］.南京航空航天大学学报，2005，37（5）：621－624.

［5］ Feng S H，Xu H R.New Materials in Hydrothermal Synthesis［J］.Acc Chem Res，2001，34（11）：239－247.

［6］ Tanaka K.Transfer of Semicrystalline Polymers Sliding Against a Smooth Steel Surface［J］.Wear，1982，75（1）：183－199.

［7］ Bahadur S，Tabor D.The Wear of Filled Polytetrafluoroethylene［J］.Wear，1984，98：1－13.

［8］ Tanaka K，Kawakami S.Effects of Various Fillers on the Friction and Wear of Polytetrafluoroethylene－bassed Composites［J］.Wear，1982，79（2）：221－234.

Study on Crystallization and Tribological Behaviors of PTFE/POB Composites

HOU Mei，KOU Kaichang，ZHANG Dongna，JIANG Yang，LI Ning
（School of Science，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China）

The crystallization behaviors of polytetrafluoroethylene/polybenzoate （PTFE/POB）composites were investigated using differential scanning calorimetry.Tribological behaviors of PTFE/POB composites sliding against 45＃steel under dry condition were discussed，and the worn surfaces of the composites were observed using scanning electron microscope.Effects of POB content on crystallization and tribological behaviors of the composites were studied.It showed that the crystallinity of the composites increased with increasing content of POB up to 20%.The crystallization rate of the composites was enhanced by the addition of POB.With increasing POB content，the friction coefficient of the composites increased，while their wear scar width greatly decreased.

polytetrafluoroethylene；polybenzoate；crystallization behavior；tribological behavior

TQ325.4

B

1001－9278（2011）10－0055－04

2011－06－09

联系人，hellohoumei＠126.com