高耐磨聚甲醛复合材料的制备与研究

张彩霞，孙亚楠，方 伟，王 林

(国家能源集团宁夏煤业有限责任公司煤炭化学工业技术研究院，宁夏 银川 750411)

聚甲醛树脂，简称POM，是一种热塑性工程塑料，其规整的分子链构型使POM熔融加工时结晶速度快，结晶度高（约80%左右），这赋予了POM十分优异的机械性能，是工程塑料中机械性能最接近金属材料的品种之一，因此在很多领域里可以替代钢铁、铜、锌、铝等金属材料[1]。POM具有高强度、高刚性、耐蠕变、耐疲劳、耐油、耐化学品、自润滑、电性能和尺寸稳定性好等优点，广泛用于工业机械、汽车、电子电器、农业、轻工、化工、建材、水利、农林灌溉、机器人关节、日用消费品等领域[2]。但是随着应用领域的扩展，下游用户对聚甲醛的耐磨性能提出了更高的要求，即高耐磨、低磨耗，以及满足经济实用化要求。

为了制备出高耐磨、低磨耗聚甲醛，通常有两个途径，一是降低POM的摩擦系数，二是提高聚甲醛的硬度。但在实际制备生产工艺中需要二者有机结合，才能保持聚甲醛的基本物性不降低，而耐磨性得到大幅提升。

通过实验研究，聚四氟乙烯（简称PTFE）或超高分子量聚乙烯（牌号UPE120）及其他化学助剂与聚甲醛原料经物理或化学改性，能够制备成高耐磨聚甲醛复合材料，并通过性能测试与应用。

1 实验部分

1.1 原料

POM：MC90，国家能源集团宁夏煤业公司聚甲醛装置；聚四氟乙烯（PTFE），白色粉末，三叶科技公司；超高分子量聚乙烯，UPE120，白色粉末，市售；三剂为自制，即2份抗氧剂、1份吸酸剂和1份润滑剂均匀混合而成。

1.2 仪器与设备

双螺杆挤出机，ZSK26型，科倍隆公司；注塑机，BT80V-Ⅱ，上海博创；鼓风干燥箱DHG-9245A，上海慧泰；高搅机，YD-1，富溢达机械公司；万能材料试验机，5966，英斯特朗公司；冲击试验机，9050，意大利CEAST公司；熔融指数仪， MF50，CEAST公司；硬度仪，RB2000，英斯特朗公司；差式扫描量热仪，DSC214，德国耐驰公司；耐磨试验机，M-200，北京精仪公司；热变形维卡试验机，40-197-100，德国Coesfeld。

1.3 耐磨改性样品的制备

将POM、PTFE及UPE120置于真空烘箱中，于85℃下真空干燥4 h。实验按表1配料表称量POM、PTFE、UPE120，以及聚甲醛的三剂，每个样品总计5kg。每样充分混合均匀后，加入到双螺杆挤出机的主喂料器中进行熔融共混。具体实验条件为：挤出机入口温度控制165℃，模头温度控制195℃，熔融混炼段控制在200℃左右[3]。

表1 复合材料的配料组成(%)Table 1 Ingredients for composite materials(%)

实验挤出制备的复合材料经注塑机制成哑铃形测试样条(L×W×T=160mm×10mm×4mm)和矩形测试样条(L×W×T=80mm×10mm×4mm)，放置在恒温恒湿箱中状态调节48h，温度23±2 ℃，相对湿度（50±5）%，消除应力集中后用于实验测试[4]。本实验按照ISO178、ISO 179、ISO 180等相关标准对样品进行性能测试。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

拉伸速率为50mm/min，耐磨聚甲醛复合材料的拉伸性能与熔融指数测试数据列于表2。

表2 拉伸性能与熔融指数Table 2 Tensile properties and melting index

弯曲测试速率为2mm/min，冲击强度为简支梁V型缺口冲击强度，缺口深度2mm，摆锤0.5J，测试数据列于表3。

表3 弯曲性能与冲击强度Table 3 Bending properties and impact strength

由表2和表3实验数据可知，1#样品拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量与未改性聚甲醛纯料0#样品基本相当，但是断裂应变和冲击强度下降幅度较大；而2#样品的强度和韧性比1#样品下降幅度更大。3#、4#样品强度比0#略有降低，韧性下降幅度不大，说明聚四氟乙烯（PTFE）添加量5%～10%左右对聚甲醛的力学性能影响不大。

1#～4#样品的质量熔融指数略有下降，约10%左右，故对加工性能影响不大，主要原因为改性实验中添加了0.4%的三剂，抗氧剂和吸酸剂有效降低了改性实验过程中的热降解反应，润滑剂降低了耐磨助剂与聚甲醛树脂的摩擦阻力。

2.2 耐磨性能

采用M-200型磨损试验机，在20kg负荷、200r/min转速下对磨2h。测试结果见表4。

表4 复合材料的耐磨性能Table 4 Wear resistance of composite materials

由表4看出，1#样品摩擦系数和磨耗/磨损比0#略有降低；2#样品摩擦系数和磨耗/磨损降幅较大；3#、4#样品摩擦系数和磨耗/磨损降幅较大。由实验可知相同添加量的PTFE比UPE120的耐磨改性效果更好，说明PTFE是聚甲醛的优良耐磨改性助剂。

1#和2#样品的硬度相对0#提高幅度不大，而3#和4#样品的硬度相对0#提高较大。主要原因是PTFE是一种以四氟乙烯作为单体聚合制得的高分子聚合物，摩擦系数极低，耐磨性非常强，PTFE俗称塑料王。

2.3 耐热性能

热变形温度是衡量高分子材料耐热性优劣的一种量度。根据ISO 75对实验样条施加1.8MPa负荷，加热介质以120 ℃/h速率升温，当样条达到0.36mm挠度形变时，记录所对应的温度。氧化诱导期是测定试样在高温及高氧条件下开始发生自动催化氧化反应的时间，是评价材料在成型加工、储存、焊接及使用中耐热降解能力的指标[5]。通过差式扫描量热仪（DSC）对样品进行氧化诱导期测试，测出230℃恒温条件下聚甲醛样品氧化的起始时间。测试结果见表5。

表5 复合材料的耐热性能Table 5 Heat resistance of composite materials

由实验可知，1#～4#样品的热变形温度均高于0#样品，说明经过PTFE和UPE120改性的聚甲醛耐热性更加优异；1#～4#样品的氧化诱导期均比0#样品更持久，说明经过PTFE和UPE120改性的聚甲醛样品在成型加工、储存和使用中耐热降解能力更强。其中PTFE优于UPE120，主要原因是PTFE比UPE120具有更高的耐热性能，PTFE原料可在-180～260 ℃长期使用。

3 结论

（1）聚四氟乙烯（PTFE）和超高分子量聚乙烯（UPE120）都可以用来对聚甲醛进行耐磨改性，不仅可以提高聚甲醛的强度和硬度，还可以提高耐热性和耐分解能力。但是添加PTFE或UPE120的耐磨聚甲醛样品韧性均有所下降，其中UPE120改性的耐磨聚甲醛复合材料韧性下降幅度较大，说明对韧性要求较高的耐磨聚

（2）聚四氟乙烯（PTFE）和超高分子量聚乙烯（UPE120）都可以降低聚甲醛的表面摩擦系数，提高产品硬度，进而降低由摩擦造成的磨损或磨耗，其中PTFE改性聚甲醛略优于UPE120改性的耐磨聚甲醛。

（3）超高分子量聚乙烯（UPE120）是相对分子量在100万以上的聚乙烯，具有优良的耐磨性能，同时由于UPE120的硬度和耐热性低于PTFE，致使UPE120耐磨改性效果略低于PTFE。但是通常UPE120的售价较低，仅为PTFE的30%～50%，对于耐磨性能要求不是特别高的产品，UPE120耐磨改性聚甲醛具有一定的市场应用。而PTFE改性聚甲醛可以应用于对耐磨性能要求很高的领域，即高耐磨产品，如工业机械零件、传动部件和机器人关节等。