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表面改性硅灰石纖維填充PTFE復合材料的摩擦學性能

作者: 馮文林 時間:2022-01-05 11:57:32 閱讀:112

表面改性硅灰石纖維填充PTFE復合材料的摩擦學性能

摘要:用KH550硅烷偶聯劑表面改性的硅灰石纖維(WF)填充PTFE,在MPxaooo型磨損試驗機上研究復合材料的摩擦磨損性能,并與經典的炭纖維( CF)填充fTFE復合材料進行比較。采用SEM對磨損面和對偶面進行分析a結果表明:較商載荷(200和300 N)下復合材料摩擦因數隨WF含量變化的幅度不大,較穩定地維持在較低值:細小尺寸WF填充PTFE復合材料的耐磨性能較好,在WF質量分數為10%時,復合材料的磨損量只有相同含量CF填充PT-

FE復合材料的81%:細小尺寸WF填充FTFE復合材料的磨損面較為平整,存在輕微黏著磨損,其對偶面轉移膜平整光滑、結構致密:而CF/PTFE復合材料磨損面存在許多裸露和碎斷的CF,犁削和磨粒磨損是主要的磨損形式。   


聚四氟乙烯( PTFE)是一種含氟塑料,由于其具有優異的化學穩定性、耐高低溫、極低的摩擦因數及自潤滑等性能,在摩擦學領域一直是研究的熱點田。但是純PTFE存在耐磨性差、蠕變明顯的缺點,限制了其更寬范圍的應用腳。為了提高PTFE的綜合性能,需對其進行改性,而采用各種纖維、顆粒、納米粒子對PTFE進行增強、耐磨改性的研究已經比較多。

硅灰石是一種含鈣的偏硅酸鹽類礦物,因其具有無毒、耐化學腐蝕、熱穩定性及尺寸穩定性良好、力學性能及電性能優良且廉價易得等優點,廣泛用作高聚物基復合材料的增強填料陸-。天然針狀硅灰石由于具有較高的長徑比,可明顯改善基體的機械和摩擦學性能,因而廣泛用于聚合物的增殛改性圃。然而,目前關于硅灰石填充PTFE復合材料(簡稱WF/PT-FE)摩擦學性能的研究報道很少嘲。

本文作者研究了WF的含量、尺寸對PTFE復合材料摩擦學性能的影響,并與經典的炭纖維(CF)填充PTFE復合材料的耐磨性能進行對比。目的是為硅灰石在PTFE增強改性中的應用提供實驗依據,為高性能低成本減摩耐磨PTFE復合材料的制備和應用提供參考。am),美國杜邦公司生產:硅灰石(80、200、325及600目),江西新余硅灰石實業有限公司生產:硅烷偶聯劑KH - 550,南京曙光化工廠生產。

為改善硅灰石填料在聚合物中的分散效果,填料經過硅烷偶聯劑KH-550表面處理,方法同文獻[10]。根據需要稱取不同含量的處理后的硅灰石加入PTFE粉末中,機械攪拌混合均勻,經冷壓燒結(380℃,保溫2h)成型。加工后的樣品(外徑26mm.內徑22 mm)和對偶面在實驗前用900砂紙打磨到粗糙度Ra=0.15一0.3Wni,用丙酮清洗后干燥

備用。

1.2性能測試與評價

采用MPX.2000型磨損試驗機,在室溫下考察WF/PTFE復合材料的摩擦磨損性能。實驗采用雙環端面接觸方式。實驗條件為:載荷100、200、300 N,滑動速度1.4 m/s,實驗周期2h。磨損量用精度為0.1 mg電子天平稱量,磨損率的計算同文獻[11]:

摩擦因數取穩定期的平均值。所有實驗結果均取3次實驗的平均值。利用日本FEI公司生產的QUANTA-200型掃描電子顯微鏡分析磨損表面形貌。

2結果與討論

2.1    WF含量對復合材料摩擦磨損性能的影響

2分別給出了不同載荷下改性硅灰石(325曰)含量對WF/PTFE復合材料摩擦磨損性能的影響。從圖1可以看出,較低載荷(100 N)下,摩擦因數隨WF含量增加變化幅度較大:較高載荷(200和300 N)下,摩擦因數隨WF含量變化的幅度不大,總體穩定在較低值:隨著載荷增大WF/PTFE復合材料的摩擦因數明顯降低。

在較寬范圍內震蕩,摩擦學性能不穩定:較低載荷(100 N)下,3% WF填充PTFE復合材料具有最低的磨損率:而較高載荷(200和300 N)下,10% WF填充PTFE復合材料的耐磨性能最佳。從圖2中可看出,200 N載荷下,10% WF填充PTFE復合材料的磨

損率為1. 58 x10-9 crn3,(N.m),相比純PTFE的磨損率286.5×10。9 cm3,(N.m),提高了181.3倍。

圖2不同載荷下硅灰石含量與磨損量的關系Fig 2  Effect of WF conLent on the wear rate ofWF/PrFE composite under different loads

2.2    WF尺寸對復合材料摩擦磨損性能的影響 表1給出載荷200 N下,不同目數的10% WF填充PTFE復合材料的摩擦磨損性能??梢钥闯?25目和600目的硅灰石,相比80目和200目的硅灰石填充改性PTFE復合材料的耐磨性提高得很明顯,其中600目WF/PTFE復合材料磨損率最低:此外,尺寸較細的WF改性填充的PTFE的摩擦因數也相對比較低。因此,用尺寸較細的WF改性填充PTFE,復合材料耐磨性提高明顯。

 

2.3   WF/PTFE復合材料的摩擦磨損性能 以上研究表明,較高載荷下,10% WF填充PT-FE復合材料的耐磨性能最佳:325目的硅灰石填充改性PTFE復合材料的耐磨性提高得很明顯。因此,作者考察了10%的硅灰石(325目)填充PTFE復合材料在不同載荷下的摩擦因數及磨損量,并與10%CF填充IrfFE復合材料的性能進行了比較,各載荷下硅灰石填充PTFE復合材料具有比相同含量CF填充PTFE復合材料更低的摩擦因數和磨損量,表現出更好的減摩和耐磨性,尤其是低載荷時效果更為明顯。在載荷為200 N時,10% WF/PTFE復合材料具有最好的耐磨性,其磨損率只有相同含量CF/PTFE復合材料的81%:在載荷為100 N時,WF/PTFE復合材料的磨損率只有CF,PTFE復合材料的22. 7%,耐磨性高出4.4倍。

2.4摩擦磨損機制分析

10% WF/PTFE、10% CF/PTFE復合材料在200 N載荷下磨損面的SEM圖片。由圖4可看出,600霹硅灰石填充PTFE復合材料的磨損面較平整,存在輕微黏著磨損,這可能是由于較細(600目)的硅灰石纖維與基體之間形成了較強的界面作用,從而降低了磨損率。由圖5可看出,磨損面有許多裸露和碎斷的CF,同時磨損面上存在較多微觀裂紋,犁削和磨粒磨損是主要的磨損形式。

可起到微區增強、顯微耐磨作用。同時由于粒徑較小,可以有效降低對偶面和磨損面的表面粗糙度,有利于轉移膜的形成。而平整均一的轉移膜對提高聚合物耐磨性具有重要的作用‘閣。而CF/PTFE復合材料的對摩面上存在明顯的犁溝和劃痕,結構粗糙,未見轉移膜生成,這可能是CF增強PTFE復合材料磨損率偏高的主要原因。

3結論

(1)在較高載荷(200和300 N)下,復合材料摩擦因數隨WF含量變化的幅度不大,摩擦因數穩定在較低值,在較低載荷(100 N)下,摩擦因數隨WF含量增加變化幅度較大。

(2)硅灰石填充PTFE復合材料的摩擦因數隨著載荷增大明顯降低。細小尺寸WF填充PTFE復合材料的耐磨性能較好。

(3)硅灰石填充PTFE復合材料具有比相同含量CF填充PTFE復合材料更低的摩擦因數和磨損量,表現出更好的減摩和耐磨性,尤其是低載荷時效果更為明顯。

 (4) 600目WF填充PTFE復合材料的磨損面比較平整,對偶面轉移膜平整光滑,結構致密,輕微的黏著磨損是其主要的磨損形式:而CF/PTFE復合材料磨損面存在許多裸露和碎斷的CF,犁削和磨粒磨損是主要的磨損形式。



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