多孔聚酰亚胺复合保持架材料水解老化试验研究

李媛媛，楚婷婷，马忠义，孙小波

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039;2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039；4.瓦房店轴承集团特种精密轴承有限公司,辽宁 瓦房店 116300)

多孔聚酰亚胺保持架材料具有孔径和孔隙率可调控，耐磨，自润滑，强度高，耐辐射等优点，经真空浸油后广泛应用于长寿命航天器用陀螺电机轴承、导航仪、动量轮轴承中[1-2]。多孔聚酰亚胺复合保持架轴承在库存条件下会受到温度和水分的影响[3-4]，聚酰亚胺具有吸水性，会发生一定的水解作用[5]。但聚酰亚胺的结构较多，报道研究较多的聚酰亚胺为均苯型，某公司产品选用的聚酰亚胺为醚酐型，结构差异较大，而醚酐型聚酰亚胺水解情况的研究鲜有报道。所以，根据GB/T 12000—2017《塑料 暴露于湿热、水喷雾和盐雾中影响的测定》对醚酐型多孔聚酰亚胺复合保持架材料进行了水解试验，试验温度为40 ℃，湿度为93%，时间为240 h，结果未发生水解变化。因此设计了极端条件的试验，即将试样放入水浴锅中进行水煮，欲考察醚酐型聚酰亚胺是否会发生水解，初步探究该材料的老化机理。

1 试验

1.1 试样制备

根据文献[6]中的工艺制备出孔隙率为20%±2%的材料，按照Q/ZYS J064—2013《多孔聚酰亚胺保持架坯料技术条件》加工出拉伸强度和摩擦试验用试样。

1.2 试验过程和测试方法

将经状态调节(放置于温度为(23±1) ℃，湿度为50%±5%环境中，不少于88 h)的试样，置于(95±5) ℃的水浴锅中水煮，时间为1 000 h。每隔200 h 取出一部分试样，经状态调节后测试其拉伸强度和摩擦因数。

采用DNS-200型电子万能试验机测试试样的拉伸强度，拉伸速率为5 mm/min；采用CFT-1型材料表面性能综合测试仪测试试样的摩擦因数和磨损量，采用φ4 mm对摩钢球进行往复干摩擦(半径5 mm)，载荷20 N，频率10 Hz，时间1 h；采用Spextrum 100 Fourier变换红外光谱仪对试样进行FT-IR光谱测试；采用NETZSCH 200F3差示扫描量热仪(DSC)测试试样的玻璃化转变温度；采用NETZSCH STA 449C热重-差热连用仪(TGA-DTA)对试样进行热失重分析；采用LSM700激光共聚焦扫描显微镜进行磨痕表面分析；采用VEGA Ⅱ XMU扫描电子显微镜对材料微观结构进行分析。

2 结果与讨论

2.1 宏观性能

试样的拉伸强度和摩擦因数随试验时间的变化情况分别如图1和图2所示，由图可知，材料的拉伸强度值在30.6～34.5 MPa内波动，摩擦因数值在0.25～0.34内波动，试验过程中均无明显变化。

图1 试样抗拉强度随试验时间的变化

图2 试样摩擦因数随试验时间的变化

2.2 微观性能

试验前后材料的红外谱图如图3所示，从图中可以看出，试验前后特征峰位置和相对峰高均无明显变化。聚酰亚胺水解会生成聚酰胺酸[6]，该红外光谱特征峰出现在1 700 cm-1附近，试验后材料的红外光谱图未发现水解产物的特征峰，表明该材料在水煮老化试验条件下并未发生水解反应，聚酰亚胺复合保持架材料的耐水解性能良好。

图3 试验前后材料的红外对比图

试验前后材料的DSC对比如图4所示，从图中可以看出，试验前、后材料的玻璃化转变温度分别为268.0，268.4 ℃，吸热峰的峰值温度分别为329.8，330.3 ℃，热焓分别为7.656，7.259 J/g。试验前后该材料的热性能未发生明显改变。

图4 试验前后材料的DSC对比

试验前后聚酰亚胺复合保持架材料的TGA曲线如图5所示。从图中可以看出，复合材料在130 ℃时均有质量损失，主要是材料在状态调节和试验后，材料表面和分子间所吸附的水分蒸发所致；在130～500 ℃之间，试样质量几乎不变，说明材料的耐热老化性能良好。

图5 试样的TGA曲线

试验前后摩擦副对材料表面主要产生黏着磨损(图6)，并且试验后磨痕处的亮度明暗相间，其中亮度较大的为物理状态未发生变化的材料，反光效果好，表面平整;颜色较暗的为在摩擦热作用下形成的黏流层，导致表面粗糙度增大，反光效果较差。黏流态的材料更易向金属表面转移，形成转移膜，表现出较好的摩擦学性能。因此，试验前后聚酰亚胺复合保持架材料的磨损机理未发生改变，仍具有较好的摩擦磨损性能。

图6 试验前后试样磨痕光学显微镜图

试验前后试样断面处的SEM图如图7所示，从图中可以看出，试验前后材料形貌无变化，仍有不同大小的孔结构，这也证实了多孔聚酰亚胺复合保持架材料未发生水解反应。

图7 试验前后试样断面SEM图

3 结束语

经过1 000 h水煮老化试验后，多孔聚酰亚胺的拉伸强度、摩擦因数等宏观性能无明显变化；通过FT-IR，DSC，TGA、光学显微镜、SEM分析可知,材料未发生水解老化，证明材料具有较好的耐湿热老化性能和环境适应性。