黏接压力对PTFE/Kevlar双层织物摩擦磨损性能的影响

刘宇飞，尹忠慰，蒋　丹，李虎林，霍亚军

(上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240)

黏接压力对PTFE/Kevlar双层织物摩擦磨损性能的影响

刘宇飞，尹忠慰，蒋丹，李虎林，霍亚军

(上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240)

通过PTFE(聚四氟乙烯)/Kevlar双层织物与GCr15钢制金属盘的黏接试验，研究黏接面经过喷砂处理后，黏接压力对PTFE/Kevlar双层织物摩擦磨损性能的影响．结果表明：黏接压力为0.30 MPa时，PTFE/Kevlar双层织物的摩擦因数和磨损率最低，润滑性能和耐磨性能最好；同时，与黏接压力为0.10及0.20 MPa时相比，黏接压力为0.30及0.40 MPa时，PTFE/Kevlar双层织物的摩擦因数与磨损率的一致性较好，故适当提高黏接压力有利于提高PTFE/Kevlar双层织物摩擦磨损性能的稳定性．

黏接压力；PTFE/Kevlar双层织物；摩擦因数；磨损率

聚四氟乙烯(PTFE)纤维具有极佳的热稳定性、抗腐蚀性以及润滑性，是重要的摩擦材料．Kevlar纤维于1972年商品化，具有极佳的耐热阻燃性、化学稳定性、比强度、耐磨性以及抗撕裂性，在纤维增强复合材料、橡胶产品、绳索、电缆、防弹等领域有着重要的应用[1-2]．混编PTFE/Kevlar织物由PTFE纤维和Kevlar纤维编织而成，混编织物的目的在于将构成组分的优势特性结合在一起从而形成新型织物[3].混编PTFE/Kevlar织物既拥有PTFE纤维的高润滑性，又具备Kevlar纤维优良的力学性能，这是单一纤维织物所无法做到的．

混编PTFE/Kevlar织物优良的摩擦磨损性能使其成为极受欢迎的轴承衬垫材料，为了使织物发挥作用，须将其黏接在轴承的摩擦面上．但是PTFE是表面张力最小的固体材料，表面能非常低，临界表面张力仅为0.018 N/m[4]，很难进行黏接操作．尽管Kevlar纤维的加入在一定程度上缓解了其不黏性，但仍需对织物、轴承的黏接面进行处理，并在黏接时选取适当的工艺参数，才能取得较好的黏接效果．根据黏接面的不同，采用的处理方法也各不相同，常见的处理方法有力学、物理及化学处理方法．

力学处理方法是利用钢丝刷、砂纸等打磨黏接面，或对黏接面进行喷砂、喷丸处理，从而提高其表面粗糙度，增加胶结面积，获得较好的黏接强度．文献[5]的研究指出，金属基底的表面粗糙度直接影响织物复合材料的黏接强度，织物衬垫的剥离强度与抗剪强度也随金属表面粗糙度的变化而变化，并且通过试验得出，当金属表面粗糙度为0.8时，有最大的剥离强度和剪切强度．

物理处理方法是通过等离子体辉光放电、火焰处理以及电晕放电等方法改变黏接面的表面结构及表面能．文献[6]通过空气等离子体改性，改变PTFE/Kevlar织物的表面粗糙度和化学组成，从而改善了织物与酚醛树脂的黏接强度．

化学处理方法是通过碱金属汞齐、金属钠的氨溶液、五羰基铁溶液、萘-钠四氢呋喃溶液等溶剂对PTFE进行处理，从而改善其表面活性[7]．文献[8]通过高锰酸钾与硝酸的混合溶液，在100 ℃下对多孔PTFE薄膜进行处理，持续3 h，使其水接触角由(133±3)°减少至(30±4)°，处理过程中羰基(C—O)、羟基(—OH)等亲水性基团的引入，使得F和C原子比从1.65下降至0.10，大大提高了PTFE的亲水性，令PTFE更容易被胶液浸润，利于黏接．

国内外大量研究表明，对黏接面进行适当的处理能明显改善PTFE/Kevlar织物的黏接性能，但有关实际黏接时的工艺参数，如黏接压力、黏接温度、黏接湿度等的研究几乎没有．本文将通过PTFE/Kevlar织物与GCr15钢制金属盘的黏接试验，探讨黏接面经过力学方法处理后，黏接压力对PTFE/Kevlar织物摩擦磨损性能的影响．

1　试　验

1.1试样制备

选取PTFE/Kevlar双层编织，上层为PTFE纤维编织，下层为PTFE/Kevlar纤维混合编织．将只含有PTFE纤维的上层表面作为摩擦面，含有Kevlar纤维的下层表面作为黏接面．先将织物放入烘箱中，150 ℃焙烘3 h进行除蜡处理．然后将织物取出，选取毛质较硬的笔刷，在黏接面均匀涂抹上铁锚204改性酚醛胶，室温晾置30 min使胶层不黏，之后重复该涂胶操作，总共进行3次．

选取GCr15钢制金属盘，将丙酮与无水乙醇按体积比1∶1调配成清洗液，对金属盘黏接面进行去油污处理．然后在0.7 MPa的气压下，用45目棕刚玉对黏接面进行喷砂处理，再用0.2 MPa高压气流除去黏接面上残留的浮尘和刚玉，得到的金属盘表面粗糙度Ra=1.5±0.1．对金属盘进行涂胶处理，方法与织物的涂胶处理相同．

将织物与金属盘准确叠合，置于热压机上在180 ℃下热压固化2 h．铁锚204改性酚醛胶的建议黏接压力为0.10～0.20 MPa，根据实际使用经验，黏接压力为0.20～0.30 MPa较好，故选取黏接压力分别为0.10， 0.20， 0.30与0.40 MPa进行试验，以探究最佳黏接压力．每种黏接压力下制得3个试样，序号如表1所示．

表1　试样序号Table 1　Sample number

1.2试验步骤及参数

试验环境：温度为20℃，相对湿度为50%．选取摩擦面直径为4 mm的圆柱销，将其固定在压杆上；调整压杆的水平位置，使圆柱销接触面圆心与试样圆心的距离为16 mm．设定压杆所施加的压力为427.6 N，转盘转速为71.6 r/min，测试时间为4 h．

2　试验结果与分析

2.1摩擦因数

测试得到12个试样的摩擦因数曲线如图1所示．

(a) 0.10 MPa

(b) 0.20 MPa

(c) 0.30 MPa

(d) 0.40 MPa图1　各试样摩擦因数曲线Fig.1　Friction factor curve of each sample

从图1可以看出，各试样摩擦因数曲线具有相似的变化趋势，摩擦因数μ随时间的增加先减小后增大．其中，曲线下降阶段为上层PTFE纤维起作用阶段，上升阶段为下层PTFE/Kevlar混合纤维起作用阶段．测试开始时，上层PTFE纤维先受到磨损，随着纤维逐渐被磨断，磨屑开始积累，摩擦因数逐渐减小，直到上层PTFE纤维被完全磨穿，此时摩擦因数减小至最低值，之后，随着PTFE磨屑的减少，圆柱销逐渐与PTFE/Kevlar混合纤维接触，摩擦因数逐渐增大．

从图1还可以看出，黏接压力为0.10与0.20 MPa时，3个试样摩擦因数曲线的一致性较差；黏接压力为0.30与0.40 MPa时，3个试样摩擦因数曲线的一致性较好．故适当提升黏接压力有利于提升PTFE/Kevlar双层织物摩擦性能的稳定性．

根据计算，可以得到黏接压力分别为0.10， 0.20， 0.30和0.40 MPa时，试样的平均摩擦因数分别为0.084 6， 0.082 7， 0.075 9以及0.077 8，如图2所示．

图2　Ra=1.5±0.1时不同黏接压力下试样的平均摩擦因数Fig.2　Average friction factor of samples under different bonding pressure when Ra=1.5±0.1

从图2可以看出，随着黏接压力的提升，试样的平均摩擦因数先减小后增大．黏接压力为0.30 MPa时，平均摩擦因数最低，使得PTFE/Kevlar双层织物能展现出较为优良的润滑性能．

2.2磨损率

试验机可以测出圆柱销在垂直方向上的位移变化，从而反映出各试样的磨损情况，如图3所示．

(a) 0.10 MPa

(c) 0.30 MPa

(d) 0.40 MPa图3　各试样的圆柱销垂直方向位移曲线Fig.3　Vertical displacement curve of round pin of each sample

从图3可以看出，各试样的磨损情况具有相似的变化趋势：先较快磨损，之后缓慢磨损．这是因为与Kevlar纤维相比，PTFE纤维的耐磨性较差，故上层的PTFE纤维磨损较快，等到PTFE纤维被磨穿后，圆柱销逐渐接触到下层的PTFE/Kevlar混合纤维，由于Kevlar纤维具有极佳的耐磨性，故试样的磨损变得缓慢，圆柱销的垂直位移曲线呈平稳缓慢下降趋势．

从图3还可以看出，黏接压力为0.10和0.20 MPa时，试样磨损过程的一致性较差；黏接压力为0.30和0.40 MPa时，试样磨损过程的一致性较好．故适当提升黏接压力有利于提升PTFE/Kevlar双层织物磨损性能的稳定性．

由摩擦试验机在线测量出磨损深度，再结合磨损面积可算出各试样的体积磨损量．将试样的磨损率定义[9]为

W=V/(F·S)

(1)

式中：W为磨损率，mm3/(N·m)；V为体积磨损量，mm3；F为压力，N；S为摩擦距离，m．

根据式(1)，可以得到黏接压力分别为0.10， 0.20， 0.30和0.40 MPa时，试样的平均磨损率分别为8.879 3×10-5， 8.468 8×10-5， 8.248 6×10-5以及8.301 5×10-5mm3/(N·m)，如图4所示．

图4　Ra=1.5±0.1时不同黏接压力下试样的平均磨损率Fig.4　Average wear rate of samples under different bonding pressure when Ra=1.5±0.1

从图4可以看出，随着黏接压力的提升，试样的平均磨损率先减小后增大，黏接压力为0.30 MPa时，平均磨损率最低．因此，黏接压力为0.30 MPa时，PTFE/Kevlar双层织物的耐磨性能最佳．

2.3对比试验

为了进一步验证结论，通过喷砂制备表面粗糙度Ra=2.8±0.1的GCr15钢制金属盘，以相同试验步骤及参数进行对比试验，得到PTFE/Kevlar双层织物的平均摩擦因数与平均磨损率分别如图5和6所示．

图5　Ra=2.8±0.1时不同黏接压力下试样的平均摩擦因数Fig.5　Average friction factor of samples under different bonding pressure when Ra=2.8±0.1

图6　Ra=2.8±0.1时不同黏接压力下试样的平均磨损率Fig.6　Average wear rate of samples under different bonding pressure when Ra=2.8±0.1

由图5和6可以看出，在表面粗糙度Ra=2.8±0.1条件下，平均摩擦因数与平均磨损率最低值依然出现在黏接压力为0.30 MPa时，因此验证了之前的结论．

3　结　语

本文在黏接压力分别为0.10， 0.20， 0.30和0.40 MPa条件下，测试分析了PTFE/Kevlar双层织物与GCr15钢制金属盘黏接后的摩擦磨损性能．结果表明，黏接压力对PTFE/Kevlar双层织物的摩擦磨损性能有显著影响，具体结论如所述.

(1) 黏接压力为0.30 MPa时，PTFE/Kevlar双层织物的摩擦因数和磨损率最低，润滑性能和耐磨性能最好．

(2) 黏接压力为0.30 和0.40 MPa时，PTFE/Kevlar双层织物的摩擦因数与磨损率的一致性比0.10和0.20 MPa时的一致性要好．故适当提升黏接压力有利于提升PTFE/Kevlar双层织物摩擦磨损性能的稳定性．

[1] YUE C Y，SUI G X，LOOI H C. Effects of heat treatment on the mechanical properties of Kevlar-29 fibre [J]. Composites Science and Technology，2000，60(3)：421-427.

[2] ANDREWS M C，DAY R J，HU X，et al. Deformation micromechanics in high-modulus fibres and composites [J]. Composites Science and Technology，1993，48(1/2/3/4)：255-261.

[3] NUNNA S，CHANDRA P R，SHRIVASTAVA S，et al. A review on mechanical behavior of natural fiber based hybrid composites[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites，2012，31(11)：759-769.

[4] 张玉龙. 黏接技术手册[M]. 北京：中国轻工业出版社，2001：100-102.

[5] JIA Z N，HAO C Z，HAN C. Influences of surface roughness of steel substrate on bond strength of fiber woven composite[J]. Applied Mechanics and Materials，2014，481：258-263.

[6] ZHANG H J，ZHANG Z Z，GUO F. Effects of air plasma treatment on tribological properties of hybrid PTFE/Kevlar fabric composite[J]. Journal of Applied Polymer Science，2009，114(6)：3980-3986.

[7] 江镇海. 聚四氟乙烯改性技术进展与评述[J]. 有机氟工业，2011(1)：49-52.

[8] WANG S F，LI J，SUO J P，et al.Surface modification of porous poly(tetrafluoraethylene) film by a simple chemical oxidation treatment[J]. Applied Surface Science，2010，256(7)：2293-2298.

[9] SHAN L，WANG Y X，LI J L，et al.Tribological behaviours of PVD TiN and TiCN coatings in artificial seawater[J]. Surface & Coatings Technology，2013，226：40-50.

Effects of Bonding Pressure on Friction and Wear Properties of PTFE/Kevlar Double Fabric

LIUYu-fei，YINZhong-wei，JIANGDan，LIHu-lin，HUOYa-jun

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Adhesive surfaces of GCr15 steel plates were processed by abrasive blasting. The effects of bonding pressure on friction and wear properties of PTFE/Kevlar double fabric were studied by bonding tests of the fabric and GCr15 steel plates. The results showed that, when the bonding pressure was 0.30 MPa, PTFE/Kevlar double fabric had the lowest friction factor and wear rate, demonstrated the best lubricity and wear resistance. Compared with the bonding pressure of 0.10 and 0.20 MPa, when the bonding pressure was 0.30 and 0.40 MPa, the friction factor and wear rate of the fabric showed a better consistency, which indicated that an appropriate increase of bonding pressure was beneficial to increase the stability of friction and wear properties of PTFE/Kevlar double fabric.

bonding pressure； PTFE/Kevlar double fabric； friction factor； wear rate

1671-0444(2015)04-0433-05

2014-11-16

国家自然科学基金资助项目(51175341)

刘宇飞(1991—)，男，山东海阳人，硕士研究生，研究方向为自润滑织物材料的摩擦磨损性能.E-mail:liuyufeinegi@163.com

尹忠慰(联系人)，男，副教授，E-mail:yinzw@sjtu.edu.cn

TH 145.9

A