一种碳纤维复合轴瓦材料的制备及应用研究

孙中梁，张钰婷，袁瑞泽，战思琪，张栋秀，王世伟，张明耀

（长春工业大学 化学工程学院，吉林 长春 130012）

普通轴瓦加工难度较大、成本较高，在高强度工作环境下需要高品质的润滑油来保护瓦面，而聚合物轴瓦具有弹性大、寿命长、噪音小、摩擦特性优异等优点[1]。近年来，聚合物轴瓦材料的研究越来越受到研究者的关注，被广泛应用于水泵、水电发电机组等领域。常见的聚合物轴瓦材料有碳石墨材料、工程塑料、木材、橡胶等[2-3]。

聚氨基甲酸酯又称为聚氨酯，它的分子主链上除含有氨基甲酸酯基团（-NHCOO-）外，还存在酯基、醚基、脲基、脲基甲酸酯基、缩二脲基等极性基团，是一种新型的人工合成高分子材料，被誉为“第五大塑料”[4-7]。聚氨酯弹性体（PUE）独特的硬软段结构使其具有力学性能好、耐候性佳、耐老化性能强、耐高低温性能优异、抗摩擦性好的优势，满足聚合物轴瓦材料的基本使用需求，但是它存在内生热大而导致干摩擦性能差等问题。研究者通过多种手段解决上述问题，包括化学接枝、嵌段共聚、分子交联、填料增强改性等[8-13]。利用改性碳纤维共混技术，制备了聚氨酯弹性体/碳纤维（PUE/CF）复合材料，详细研究了CF 质量分数及共混方式对复合材料性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验材料

聚四氢呋喃二元醇(PTMG)，工业级，日本三菱化学有限公司；甲苯-2，4-二异氰酸酯(TDI)，工业级，上海三友化学试剂公司；3，3'-二氯-4，4'-二氨基二苯甲烷(MOCA)，工业级，苏州湘园精细化工有限公司；硅烷偶联剂（KH550），上海皓鸿生物医药科技有限公司；碳纤维(CF)，上海国药试剂有限公司；无水乙醇，AR，天津市富宇精细化工有限公司；助剂，实验室自制。

1.2 实验仪器

JSM-5600 LV 型扫描电子显微镜（SEM），日本JEOL 公司；IS10 型红外光谱（FT-IR）分析仪，美国Thermo Scientific 公 司；LX-D 型 邵 氏 硬度 计，温州韦度电子有限公司；M-200 型摩擦磨损试验机，北京冠测精电仪器设备有限公司。

1.3 实验方法

CF 的预处理：将一定量的CF、部分助剂和无水乙醇在烧杯中搅拌0.5 h，再进行真空超声波处理0.5 h，重复处理3 次，随后用布氏漏斗抽滤，将抽滤后的CF 放入60 ℃烘箱烘干24 h，取出备用。

PUE 预聚体的制备：称取76.72 g 的PTMG 置于三口烧瓶中，升温至110 ℃，真空脱水2 h，降温至50 ℃；在快速搅拌的条件下加入23.26 g 的TDI，80～85 ℃的条件下机械搅拌并反应2 h，取样分析异氰酸酯基质量分数，当其达到设计值时，PUE 预聚体制备完毕，进行氮气密封保存待用。

PUE/CF 复合材料的制备：首先，称取一定量处理后的CF，置于250 mL 三口烧瓶中，加入50.00 g 的PUE 预聚体，机械搅拌1 h，升温至110 ℃，真空脱水2 h，加入13.55 g 的扩链剂MOCA，快速搅拌1 min 左右进行脱泡，随后将其倒入预热好的模具中，放入温度为105 ℃的平板硫化机中加压硫化40 min，脱模后将试样放入100 ℃烘箱中熟化18 h，取出试样，在室温条件下放置7 d 后进行相关性能测试。

1.4 分析与测试

采用SEM 分析样品磨损后的表面形貌；采用FT-IR 分析仪对材料进行分析测定，通过ATR 薄膜法对样品进行测试，在波数为400～4 000 cm-1中分析确认样品中所含基团。

力学性能测试：按照GB/T 528-1998《拉伸应力应变性能测定方法》对试样进行拉伸性能测试，拉伸样条为哑铃型，拉伸速度为100 mm /min；采用邵氏硬度计，依据GB/T 531-1999《硬度测试性能测试方法》对试样进行硬度测试，硬度样条试样厚度大于6 mm，每个样条压针5 次，结果取平均值。

摩擦学性能测试：采用摩擦磨损试验机，依据GB/T 3960-1983《摩擦磨损性能测定方法》对样品进行摩擦性能测试，摩擦样条大小为30 mm×7 mm×6 mm。测试条件：室温，转速为200 r/min，载荷为100 N。测试干摩擦性能时，样品在无水状态下测试2 h；测试水润滑摩擦性能时，样品在水润滑状态下测试2 h。

2 结果与讨论

2.1 PUE/CF 复合材料的力学性能

CF 质量分数对PUE/CF 复合材料力学性能的影响见图1。

图1 CF质量分数对PUE/CF复合材料力学性能的影响Fig.1 Effect of CF mass fraction on mechanical properties of PUE/CF composites

由图1 可知，复合材料中CF 质量分数对材料的力学性能有显著影响，当CF 质量分数为7% 时，PUE/CF 复合材料力学性能最佳（拉伸强度为54 MPa，断裂伸长率为298%），说明适量的CF 在PUE基体中能够分散均匀，从而提高PUE/CF 复合材料的力学性能[14-17]。

肛周脓肿是发生在肛管直肠周围软组织间隙的急慢性化脓性感染,诱发因素为各种病菌,使得肛门周围发生不同水平的细菌感染诱发脓肿。发病人群以20~40岁的青壮年为主[6],接受坐浴治疗可发挥加快血液循环、消肿止痛的作用。有研究显示,应用坐浴治疗可扩张部分血管促进淋巴循环和血压循环,有助于消除末梢神经恶性刺激,切实增强临床疗效。

表1 为CF 质量分数对PUE/CF 复合材料拉伸模量的影响。由表1 可知，随着CF 质量分数的增加，复合材料的拉伸模量逐渐降低。图2 为CF 质量分数对PUE/CF 复合材料硬度的影响。由图2 可知，随着CF 质量分数的增大，复合材料的刚性增加，硬度也随之升高，当CF 质量分数增大到一定程度（13%）时，PUE/CF 复合材料的硬度增加趋势基本稳定。

表1 CF 质量分数对PUE/CF 复合材料拉伸模量的影响Table 1 Effect of CF mass fraction on tensile modulus of PUE/CF composites

图2 CF 质量分数对PUE/CF 复合材料硬度的影响Fig.2 Effect of CF mass fraction on hardness of PUE/CFcomposites

图3 为PUE/CF 复合材料和PUE 的红外光谱。

图3 PUE/CF 复合材料和PUE 的红外光谱Fig.3 Infrared spectroscopy of PUE/CF composites and PUE

由图3 可知，3 300 cm-1处为-NH 基团伸缩振动产生的特征峰；2 900、2 800 cm-1处为甲基和亚甲基中C-H 基团伸缩振动产生的特征峰；1 700 cm-1处为氨基甲酸酯基中C＝O 基团伸缩振动产生的特征 峰；1 500 cm-1处为N-H 的变形 振 动 峰；1 100 cm-1处为PTMG 中C-O 基团伸缩振动产生的特征峰；2 270 cm-1处-NCO 基团的特征吸收峰基本消失，说明体系中-NCO 的反应基本完全[18-21]；PUE/CF 复合材料中各官能团的谱带与纯PUE 谱带几乎相同，说明CF 的存在并不影响PUE 的化学结构。

2.2 PUE/CF 复合材料的摩擦学性能

2.2.1 干摩擦性能 PUE/CF 复合材料摩擦示意图见图4。干摩擦条件下不同质量分数CF 的PUE/CF 复合材料的摩擦系数和磨损率见图5。

图4 PUE/CF 复合材料摩擦示意图Fig.4 Schematic diagram of PUE/CF composite friction

图5 干摩擦条件下不同质量分数CF 的PUE/CF 复合材料的摩擦系数和磨损率Fig.5 Friction coefficient and wear rate of PUE/CF composites with different CF mass fraction under dry friction conditions

由 图5 可 知，当CF 质 量 分 数 为7% 时，PUE/CF 复合材料的摩擦系数和磨损率最低，其值分别为0.12 和0.570%。这是因为CF 加入量较佳时，填料与基体可以充分接触，从而提高复合材料内部结构稳定性能[22-23]。

干摩擦条件下CF 质量分数为7%的PUE/CF复合材料的摩擦系数如图6 所示。由图6 可知，CF的加入提高了复合材料的承载能力，显著降低了摩擦系数，也提高了复合材料的抗磨性能。

图6 干摩擦条件下CF 质量分数为7%的PUE/CF 复合材料的摩擦系数Fig.6 The coefficient of friction of PUE/CF composites with 7%-CF mass fraction under dry friction

2.2.2 水润滑摩擦性能 水润滑条件下不同质量分数CF 的PUE/CF 复合材料的摩擦系数和磨损率如图7 所示。

图7 水润滑条件下不同质量分数CF 的PUE/CF 复合材料的摩擦系数和磨损率Fig.7 Friction coefficient and wear rate of PUE/CF composites with different CF mass fraction under water-lubricated friction conditions

由图7 可知，当CF 质量分数为7%时，水润滑摩擦系数最小，为0.02，水润滑磨损率最小，为0.129%。这是因为在水润滑条件下，水作为载体不仅降低表面摩擦作用，而且还降低摩擦表面温度，减少摩擦表面的软化程度，从而降低表面摩擦系数[24-28]。

图8 水润滑条件下CF 质量分数为7%的PUE/CF 复合材料的摩擦系数Fig.8 The friction coefficient of PUE/CF composites with 7%-CF mass fraction under water-lubricated friction

2.3 PUE/CF 复合材料的SEM

图9 为不同质量分数CF 的PUE/CF 复合材料磨损表面SEM 图像。由图9 可知，材料表面经过摩擦会清晰地出现磨轮行驶过的痕迹，具有一定的方向性。CF 分散于基体中，具有一定的润滑作用，同时其良好的导热性使基体表面形成一层碳化膜，碳化膜具有一定的耐磨保护作用[29-30]。但是，当CF 质量分数增大时，CF 在PUE 中不能均匀分散，一部分发生“团聚”现象，导致CF 与PUE 产生明显的相分离，被包裹的CF 经过摩擦后有些会裸露出来，从而影响CF/PUE 复合材料的性能。

图9 不同质量分数CF 的PUE/CF 复合材料磨损表面SEM 图像Fig.9 SEM image of PUE/CF composite wear surface with different CF mass fraction

3 结论和展望

（1）随着CF 质量分数的增加，PUE/CF 复合材料的拉伸强度和硬度增大，断裂伸长率先增大后减小，当CF 质量分数为7%时，复合材料的物理机械性能最佳。

（2）在干摩擦条件下，当CF 质量分数为7%时，PUE/CF 复合材料的摩擦系数和磨损率最低，其值分别为0.12 和0.570%。这是因为CF 加入量较佳时，填料与基体充分接触，提高了复合材料内部结构稳定性能。

（3）在载荷为100 N、转速为200 r/min 的水润滑条件下，PUE/CF 复合材料的摩擦系数明显低于干摩擦条件下的摩擦系数。

（4）当CF 质量分数为7%时，PUE/CF 复合材料具有较佳的物理机械性能与摩擦学性能。根据聚合物轴瓦的使用工况和条件的不同，对复合材料的特性要求也有区别。但是，高的抗摩擦磨损、抗承载能力、耐水性和弹性等综合性能指标一直是该行业追求的目标，尤其在军工国防等领域，更有不同的需求。因此，通过分子结构设计和共混改性制备的高性能复合轴瓦材料将有广阔的应用空间。