氧化铝填充改性聚四氟乙烯软管研究

戴旭阳，周生泰，姚兴磊，李俊杰

(上海长园电子材料有限公司，上海 201802)

氧化铝填充改性聚四氟乙烯软管研究

戴旭阳，周生泰，姚兴磊，李俊杰

(上海长园电子材料有限公司，上海 201802)

利用VHX-5000型超景深三维显微系统观察填充了不同种类AL2O3的PTFE薄壁软管的管壁及磨屑，直观地观察了粒子在PTFE中的分布情况;利用CYNM-01型模拟换挡测试系统对制品的摩擦寿命进行了测试。结果表明经过硅烷偶联剂处理后的纳米AL2O3制得制品的外观光滑，而且提高了其摩擦寿命。

AL2O3；PTFE；摩擦磨损

聚四氟乙烯(PTFE)作为一种高分子自润滑材料以其极低的摩擦系数及优异的耐候性被广泛应用于汽车、机械、电子等行业，带来了良好的经济和社会效益[1-2]。但PTFE材料也有如蠕变大、不耐磨损等缺点，为了克服此类缺点，近年来材料工作者进行了很多研究，有研究表明P T F E中加入石墨 、玻璃纤维、青铜粉及碳纤维等，可以显著提高其强度、硬度及 耐磨性，但诸多研究复合材料大多是制成块状，相对于实际工程评估则不方便。笔者采用分散PTFE树脂，填充无机粒子，制得壁厚0.4mm的套管，研究了填料的种类、分散状态和力学性能评估，并通过模拟台架试验对其摩擦磨损性能进行了研究，具有较好的生产指导意义。

1 实验部分

1.1 原材料

基材：牌号F-201，大金氟化工

填料：微米级氧化铝(AL2O3)，平均粒径45-50μm，深圳晶材； 纳米级AL2O3，平均粒径20-30nm，深圳晶材；偶联剂处理氧化铝，深圳晶材。

助推剂：市售

1.2 加工设备

混料设备：搅拌机CYHL-01，自制；预成型设备：制胚专用压力机CYYL-03，自制；挤出烧结设备：CYTFL-06，自制。

1.3 检测设备

断面放大检测：超景深三维显微系统VHX-5000，基恩士，用于观察制品管壁和磨屑形态；力学测试：微机电子万能试验机CMT-6503，新三思，标准GB/T1040-2006；寿命测试：模拟换挡测试系统CYNM-01，自制，用于工程评估制品寿命和摩擦次数。

1.4 试样制备

将一定质量的氧化铝填料、PTFE粉末、助推剂同时倒入V型搅拌机，按照质量份数比为3:100:30在转速为30转/分的速度下摇匀20min；所得混合物在室温下静置24小时熟化；将熟化后的粉末装入预成型料腔中以2～5MPa的压力进行预压制坯；将预成型后的胚料装入挤出机，通过模具后进行糊膏挤出；再经过助剂挥发、管体烧结等工艺后得出制品。对所得制品进行外观、性能分析。

表1 不同AL2O3添加改性PTFE制品代码

2 实验结果与讨论

2.1 外观评价

表2 不同AL2O3添加改性PTFE制品的外观

图1 不同AL2O3添加改性PTFE制品的显微镜照片

从表2中可以看出，微米级的氧化铝填充后其制品外观比纳米级的要差；硅烷偶联剂处理的纳米氧化铝填充的制品外观较未处理的纳米氧化铝的制品外观要好。从高倍显微镜的照片来看微米级粒子颗粒较大，在分散时不能完全分散，通过挤出后管材表面粗糙甚至破损。C、D为纳米级填料，但由于C未经偶联处理，纳米粒子极易团聚，其起到的效果类似于微米级粒子，因此表明状态略差，而经过表面处理的纳米粒子减少了团聚几率，与PTFE的结合较为稳定，这也解释了微米级粒子填充后制品粗糙，偶联后的纳米粒子填充制品表面光滑的原因。

2.2 力学测试评估

表3 不同AL2O3添加改性PTFE制品的力学强度

从表3可以看出，微米级粒子填充后制品的拉伸强度低于纯PTFE管材，纳米级粒子填充后的制品力学性能高于纯的PTFE管材，特别是偶联处理的纳米粒子其制品拉伸强度最高。这是由于微米级粒子由于粒径较大，与PTFE的相容性较差，添加到PTFE中减弱了PTFE大分子链的分子间作用力，在挤出的过程中，类似于杂质，不仅没有起到补强作用，反而产生应力集中点降低力学强度；而纳米粒子粒径小，与PTFE的相容性较好，小粒径纳米粒子的加入起到了补强的作用。由于纳米粒子粒径小, 表面能大, 因此容易发生团聚,所以需要进行表面处理， 降低粒子的表面能态, 提高粒子与有机相的亲和力, 减弱粒子的表面极性等, 增加纳米粒子与聚合物的界面结合力[3-4]。制品的力学性能结果也证实了这一点。

2.3 摩擦性能评估

表4 不同AL2O3添加改性PTFE制品的摩擦测试

摩擦是两个相互接触的固体表面产生滑动或滚动时所遇到的阻力，当两个接触物体发生相对移动时，对其中一对象来说，与运动方向相反的切向阻力叫做摩擦力；磨损是两个互相接触的固体表面在滑动、滚动或冲击运动的表面损伤或脱落。在大多数情况下，磨损是表面微凸体相互作用而引起的。当发生相对运动时，接触表面材料先产生变形，表面或表面附近的固体材料性能将发生变化，但几乎不引起材料损失；随后，材料从表面剥离，转移到配副表面或者以磨屑形式剥离表面。对于材料从一个表面转移到另一个表面的情况，虽然有一个表面被磨损使其体积或质量损失，但就界面总体而言，并没有体积或质量的净损失。在材料发生实际损耗之前，一般先产生损伤。磨损一般都被认为是材料发生损耗，但固体材料的变形虽然不引起质量或体积的变化，也能引起磨损。

a.纯PTFE的磨屑照;b.纳米氧化铝填充改性产品磨屑照图2 改性前后的PTFE磨屑对比

PTFE软管在摩擦过程中，一方面由于材质较软，受到摩擦副钢丝绳的刮擦和犁削导致磨损，另一方面由于PTFE材质导热性差，摩擦热的不断积聚致使材料表面局部软化，导致PTFE大分子被拉出结晶区，并向对摩面转移，以库仑力和范德华力在对摩面上形成PTFE转移膜[5-6]，使摩擦副之间的摩擦转变为转移膜与摩擦副之间的摩擦，降低了摩擦系数，同时减少了对管体的磨损。但由于转移膜结合力不强，在反复摩擦的情况下会逐渐脱落，PTFE材料的自润滑层不断变薄，最后造成了磨损失效。

从图2可以清晰看出，未经改性的纯PTFE的磨屑是带状或者片状，磨屑较大呈片状，这是由于PTFE大分子被大片钩带出结晶区导致的。而改性后的产品磨屑则为微小团状，这是由于粒子添加到PTFE基材中，起到类似于海岛结构的增强作用，阻止了PTFE大分子被带出结晶区。

从表4中可以看出，纳米粒子填充改性后PTFE制品的摩擦寿命得到了极大的提高，特别是使用偶联剂处理的纳米粒子PTFE制品的寿命是纯PTFE制品的28.5倍，达到28.5万次；而微米粒子填充的制品其摩擦次数反而降低。这是由于纳米粒子粒径较小，使用偶联剂处理之后团聚减少，在PTFE制品中分散均匀，承受了大部分应力，抑制了PTFE大分子被带出结晶区，从而提高了磨损性能。微米级粒子由于颗粒较大，与PTFE的相容性不好，作为硬相在磨损中起到了磨粒磨损的作用，增大了磨损。

3 结论

(1)微米级氧化铝填料填充PTFE管材后外观较差，纳米级氧化铝填充后外观较光滑。

(2)微米级填料填充后，对PTFE的力学性能基本无影响；纳米级填料填充后起到了补强效果。

(3)微米级填料填充后对PTFE管的耐磨损性能有害，纳米级填料能提高PTFE薄壁管的耐磨损性能；经过硅烷偶联剂处理后的纳米AL2O3对PTFE薄壁管的摩擦寿命提高了28倍。硅烷处理纳米氧化铝是一种合适的填料。

[1] 康克家, 杜三明, 张永振, 等. PTFE复合材料摩擦及改性研究综述[J]. 润滑与密封, 2012,37(6):99-102.

[2] 牛永平, 蔡利华, 张永振. 聚四氟乙烯复合材料摩擦学性能研究[J].工程塑料应用, 2009,37(3):72-76.

[3] 牛永平, 韩明, 杜三明, 等. 纳米氧化铝改性聚四氟乙烯的摩擦磨损性能研究[J]. 工程塑料应用, 2010,38(2):59-62.

[4] 汪海风, 徐 意, 申乾宏, 等. 聚四氟乙烯纳米复合材料摩擦学性能研究进展[J]. 材料科学与工程学报, 2013,31(5):762-767, 736.

[5] 张红烨, 黄承亚, 刘春连. 无机纳米粒子改性高分子自润滑材料性能研究[J]. 润滑与密封, 2006(2):155-157.

[6] 胡志孟. 纳米粒子在高分子加工、摩擦学及超精表面加工中的应用研究[D]. 上海：复旦大学, 2004.

(本文文献格式：戴旭阳，周生泰，姚兴磊，等.氧化铝填充改性聚四氟乙烯软管研究[J].山东化工，2017，46(14)：33-34，38.)

A Research Report of AL2O3Filled-PTFE Tube

DaiXuyang,ZhouShengtai,YaoXinglei,LiJunjie

(Shanghai Changyuan Electronic Material Co.,Ltd., ShangHai 201802,China)

This paper discusses the friction and wear properties of polytetrafluoroethylene (PTFE ) tube filled with AL2O3.The thin-walled tube wall and the wear debris and the particle distribution in PTFE were examined with a Three-dimensional microscopic system super depth of field(VHX-5000);The friction test were carried out using a CYNM-01 Analog Shift test system. It is found that the tube was smooth while the AL2O3were dealing with the silane coupling agent. And the friction life had improved significantly, This formual is suitable for industrial production.

AL2O3；PTFE；friction and wear

2017-05-15

戴旭阳(1992—)，江苏泰州人，工程师，获学士学位，主要从事聚四氟乙烯分散料的加工与改性研究。

TB383.1

A

1008-021X(2017)14-0033-02