耐磨聚甲醛高性能化材料的制备及性能研究

（1．开滦煤化工研发中心，河北 唐山 063611；2．河北省煤基材料与化学品技术中心，河北 唐山 063018）

聚甲醛（POM）在现代工业、医疗、生活等领域应用广泛。常规条件下，POM 的耐磨性和自润滑性较好，但在高温、高速、高负荷下，POM 的摩擦性能难以满足要求，需耐磨改性。Tang[1]等人研究了纳米级和微米级的PTFE 粉末对POM 的改性效果。结果表明，PTFE 粉末能有效改善耐磨性能，但整体力学性能下降。傅全乐[2]等人用PTFE、石墨和二硫化钼分别改性POM，3 种助剂均能提高POM 的耐摩擦磨损性能，但改性材料的力学性能也有所下降。

碳纤维（CF）和玄武岩纤维（BF）是常用的POM 增强改性材料。碳纤维比强度高、比重低，对POM 的增强改性效果显著，同时复合材料的耐磨性、导电性和耐疲劳性均有提高[3]。马小丰[4]等人用碳纤维（CF）来增强POM，得到了CF 含量为25%的POM 增强改性产品，其拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击强度分别能达到153 MPa、187 MPa 和16.2 kJ/m2。王亚涛[5]等人用玄武岩纤维（BF）增强POM，改性材料不仅力学性能良好，且耐磨性能也有一定程度的改善。

PTFE 和POM 的相容性并不理想，导致耐磨材料韧性不佳。笔者在此基础上引入聚氧乙烯（PEO）作为增容剂，得到了较好的耐磨增韧改性效果。为进一步降低复合材料的摩擦性能，改善力学性能，该研究利用双螺杆挤出机共混挤出法，在POM/PTFE/PEO 耐磨增韧体系中加入碳纤维（CF）和玄武岩纤维（BF），以此来进一步提高复合材料的耐磨性能。

1 实验部分

1.1 主要原材料

POM：M90，唐山中浩化工有限公司。

PTFE 纤维：SFS-2-120，杭州宇峰密封材料有限公司。

PEO：吉林省精细化工有限公司。

CF：T300，日本东丽公司。

BF：BFCS-13-6，浙江石金玄武岩有限公司。

1.2 主要仪器与设备

真空烘箱：ZK-1S，天津中环实验电炉厂。

双螺杆挤出机：SHJ-30 型，兰州天华设计研究院。

注塑机：victory 80 型，奥地利ENGEL 公司。

万能材料试验机：5966 型，美国INSTRON 公司。摆锤冲击试验机：7550-B，美国美特斯公司。

切口机：6898 型，意大利CEAST 公司。

摩擦磨损试验机，M-200，北京冠测试验仪器有限公司。

扫描电子显微镜：S-4700，日本日立公司。

电子天平：CPA2245，北京赛多利斯公司。

1.3 试样制备

该研究所用的PTFE 纤维和BF 均为2 mm~6 mm 的短纤维，CF 为长纤维。将POM 粒料和PTFE 纤维、BF、CF 在80 ℃~85 ℃的真空烘箱中恒温干燥6 h。充分干燥后按不同比例将POM 与PTFE 纤维、BF、PEO 混合均匀，在主喂料口加入混合物料，CF 长纤维从自然排气口加入，通过控制螺杆转速、喂料速度和纤维丝束大小调节纤维的加入量。熔融共混后挤出、冷却、切粒。将粒料在80 ℃～85 ℃真空烘箱中恒温干燥3 h，注塑成标准测试样条。挤出及注塑过程中主要工艺参数见表1。

表1 挤出、注塑主要工艺参数

1.4 性能测试

摩擦磨损性能按照GB/T 3960—2016 进行测试，试验环外径为（40±0.5）mm，宽度10 mm，表面粗糙度为0.2 μm。标准样条为长方体，尺寸为30 mm×7 mm×6 mm。试验环

转速为200 r/min，负荷20 kg，试验时间2 h。

拉伸强度、断裂伸长率按照ISO527-1-2012 进行测试，测试速率为50 mm/min，试样尺寸为170 mm×10 mm×4 mm。弯曲强度、弯曲弹性模量按照ISO178-2010 进行测试，测试速率为2 mm/min，试样尺寸为80 mm×10 mm×4 mm，支点跨度为64 mm。缺口冲击强度按照ISO180-2000 进行测试，试样尺寸为80 mm×10 mm×4 mm，摆锤能量为2.75 J。用扫描电子显微镜（SEM）分析复合材料的摩擦表面。

2 CF和BF对POM性能的影响

2.1 CF对耐磨增韧POM摩擦磨损性能的影响

CF 自身的摩擦系数很小，将其加入POM/PTFE/PEO 耐磨增韧体系中，可以得到摩擦磨损性能优良的复合材料，见表2。在POM/PTFE/PEO 体系中加入5%的CF，复合材料的摩擦系数低至0.13，磨损量低至1.43 mm3，分别比POM降低了55%和52%，比POM/PTFE/PEO 体系降低了13%和33%，耐磨性能非常优异。CF 之所以能够显著改善POM耐磨增韧体系的摩擦磨损性能，是因为在POM/PTFE/PEO体系中添加CF 后，在摩擦磨损过程中会有纤维裸露，在犁切裂纹表面，CF 以其较高的比强度可抵抗摩擦过程中的应力，改善材料的摩擦性能。

表2 CF 对耐磨增韧POM 摩擦磨损性能的影响

2.2 CF对耐磨增韧POM力学性能的影响

添加CF 后，复合材料的力学性能见表3。CF 的加入对POM 拉伸强度的改善最为明显，较纯POM 和POM/PTFE/PEO 分别提高了20%和39%。弯曲强度较纯POM 和POM/PTFE/PEO 均有提高。缺口冲击强度较纯POM 略有提高，但比POM/PTFE/PEO 差，可见CF 的加入有利于复合材料强度的改善，但韧性有所下降。这是因为CF 分散到POM体系中，良好的力学性能有利于形成有效的界面层，受到外力时，CF 能有效承载POM/PTFE/PEO 体系传递的部分应力，成为应力集中点，起到增强作用。此外，CF 分散在POM 中，作为应力中心，能够引发材料银纹和剪切带的产生，能有效吸收外界的冲击能[6]，所以复合材料的缺口冲击强度比POM 高。CF 的加入在一定程度上降低了POM/PTFE/PEO 体系的缺口冲击强度，但仍比纯POM 略高。

表3 CF 对耐磨增韧POM 力学性能的影响

2.3 BF对耐磨增韧POM摩擦磨损性能的影响

在POM/PTFE/PEO 体系中加入BF，耐磨性能见表4。从表4 中可以看出，在POM/PTFE/PEO 中添加BF 后，摩擦系数为0.2，摩擦系数有所增大，但比POM 减小了31%。BF的加入使复合材料的磨损量得到很大程度地降低。BF本身的摩擦系数较小，加入POM 中能降低其摩擦系数，但对于POM/PTFE/PEO 体系，BF 的耐磨效果不如PTFE，在减小PTFE 含量后，复合材料的摩擦系数略有增大，但仍低于POM。POM/PTFE/PEO 中加入BF 后磨损量降低，主要是因为BF 能承担摩擦副表面转移膜的部分载荷，增强了转移膜的稳定性，提高了磨损性能。

表4 BF 对耐磨增韧POM 摩擦磨损性能的影响

2.4 BF对耐磨增韧POM力学性能的影响

表5 为BF 对POM/PTFE/PEO 体系力学性能的影响结果。加入BF 后，POM/PTFE/PEO 体系的各力学性能指标变化较小，整体力学性能比POM 有所提高。POM/PTFE/PEO体系力学性能的提高仍依赖于PEO 作为增容剂，能有效改善纤维与POM 的相容性。PTFE 纤维和BF 均匀分散在POM中，承担部分载荷，起到增强的作用。

表5 BF 对耐磨增韧POM 力学性能的影响

2.5 CF改性耐磨增韧POM的SEM分析

CF 能够较好地在POM/PTFE/PEO 体系中分散，当添加了CF 的复合材料在摩擦副表面滑动时（如图1（a）和（b）所示），转移膜含有的耐磨纤维可降低POM 的接触压力和表面应力，且可承担大部分载荷，同时CF 与POM 之间结合较好，最终在CF 纤维较低含量时，改善了POM/PTFE/PEO 体系的摩擦磨损性能，提高了其力学性能。

3 结论

POM/PTFE/PEO 体系的摩擦性能和力学性能均较优越，摩擦系数低至0.15。CF 加入POM/PTFE/PEO 体系中能够明显提高POM 的摩擦磨损性能，力学性能较POM 也有较大改善。复合材料的摩擦系数低至0.13，磨损量低至1.43 mm3。添加BF 的POM/PTFE/PEO 体系的摩擦系数为0.2，力学性能较POM 略有提高。