保持架用聚乙烯改性的研究進(jìn)展

保持架用聚乙烯改性的研究進(jìn)展

沱柳是一種結(jié)晶化合的高科技化合物，結(jié)晶度為55%75%。它具有良好的潤(rùn)合性、防潮性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐鹽性。廣泛應(yīng)用于磨損行業(yè)。但純PTFE具有力學(xué)性能、耐磨性及導(dǎo)熱性能差,線膨脹系數(shù)和加載變形量大等缺點(diǎn),不適合用于制造軸承保持架,因此需要對(duì)其進(jìn)行改性處理。目前常用的改性方法主要有填充改性、共混改性及多種填料協(xié)同改性。1復(fù)合潤(rùn)滑填料填充改性主要是為了改善復(fù)合材料的耐磨性,降低線脹系數(shù)或提高導(dǎo)熱性等。填充劑應(yīng)能經(jīng)受PTFE成型燒結(jié)溫度,與PTFE有相容性,不與PTFE反應(yīng)。利用填料顆粒較高的強(qiáng)度起承載作用;利用纖維填料在內(nèi)部形成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),束縛阻止PTFE帶狀結(jié)構(gòu)的大面積剝落,提高耐磨性;有些填料還可促進(jìn)PTFE復(fù)合潤(rùn)滑膜向?qū)ε急砻娴霓D(zhuǎn)移,并增強(qiáng)轉(zhuǎn)移膜與對(duì)偶面的黏附;有些填料導(dǎo)熱率高,可提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性,有利于摩擦過程中熱量散失。1.1潤(rùn)油材料改為ptf1.1.1潤(rùn)滑作用二硫化鉬具有低摩擦、高承載能力及良好的熱穩(wěn)定性,可在349℃下長(zhǎng)期工作,在超高真空和極低溫度條件下仍能起到潤(rùn)滑作用。PTFE/二硫化鉬復(fù)合保持架材料中的鉬在轉(zhuǎn)移膜形成的過程中起到催化作用,促進(jìn)轉(zhuǎn)移的發(fā)生并增強(qiáng)轉(zhuǎn)移膜的黏著力。二硫化鉬能改善復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性,增加表面硬度,但會(huì)使PTFE的抗拉強(qiáng)度下降。1.1.2ptfe的充改性石墨為片狀結(jié)構(gòu),具有良好的導(dǎo)熱性。大氣中采用它填充改性PTFE時(shí)既能提升復(fù)合材料的熱導(dǎo)率,又能降低摩擦因數(shù),提高耐磨性。在高真空或干燥條件下,其摩擦因數(shù)比在大氣中大一個(gè)數(shù)量級(jí),故不宜用在真空條件下。1.1.3石墨與二硫化保護(hù)二硫化鎢在真空中摩擦因數(shù)低(在大氣中高),這與二硫化鉬情況類似,但二硫化鎢在濕空氣中摩擦因數(shù)增大較明顯。氟化石墨摩擦因數(shù)比石墨低,可在300℃以下長(zhǎng)期使用,與石墨和二硫化鉬相比,耐磨性更好,具有較高的PV值;層間的距離比石墨大,因此更容易在層間發(fā)生剪切。由于氟的引入使它在高溫、高速及高載荷條件下的性能優(yōu)于石墨和二硫化鉬,改善了石墨在沒有水氣條件下的潤(rùn)滑性能。上述幾種潤(rùn)滑材料通常與硬質(zhì)填料一起對(duì)PTFE協(xié)同改性,填充量一般不超過10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)。1.2纖維改性ptf1.2.1短切纖維(1)保持架的材料填充玻璃纖維可以顯著提高PTFE的抗壓強(qiáng)度、耐磨性和尺寸穩(wěn)定性。保持架用PTFE粒徑一般為25～50μm,與此匹配的玻璃纖維直徑為12μm,長(zhǎng)徑比4∶1,玻璃纖維填充量為15%～25%。采用20%玻璃纖維改性PTFE基復(fù)合材料制造的軸承保持架已成功用于超低溫、中低轉(zhuǎn)速(10000r/min)及無油潤(rùn)滑工況。但該類保持架材料中的玻璃纖維對(duì)軸承滾道有磨蝕作用,應(yīng)用之前需經(jīng)氫氟酸處理。(2)碳纖維改性ptfe復(fù)合材料碳纖維具有耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變、強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率大及線脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn),可顯著改善PTFE的力學(xué)強(qiáng)度。碳纖維表面光滑且惰性大,與PTFE相容性差,在界面上易形成空穴等缺陷造成界面結(jié)合力較低,故須對(duì)碳纖維進(jìn)行表面等離子體處理,經(jīng)碳纖維改性的PTFE復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別較純PTFE提高了20%和30%,磨損率下降30%。文獻(xiàn)研究了稀土處理對(duì)碳纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度的影響,處理后大幅提升了碳纖維與PTFE的界面結(jié)合力,當(dāng)稀土元素在表面改性劑中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí),PTFE/碳纖維的抗拉強(qiáng)度最佳。(3)須表面改性對(duì)ptfe復(fù)合材料性能的影響晶須是以單晶形式生長(zhǎng)的,形狀類似短纖維。文獻(xiàn)詳細(xì)研究了鈦酸鉀晶須表面改性及其含量對(duì)PTFE復(fù)合材料性能的影響,經(jīng)表面改性后可大幅改善鈦酸鉀晶須分散性,含量為5%～10%鈦酸鉀晶須的復(fù)合材料力學(xué)性能較好,適合制造尺寸小、精度高或表面粗糙度好的軸承保持架。(4)保持架的選擇有機(jī)纖維具有密度小、比表面積大、耐高溫及不磨蝕對(duì)偶件等特點(diǎn)。由其改性PTFE制得的復(fù)合材料特別適用于對(duì)重量有嚴(yán)格限制、高低溫及重載軸承的保持架。洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司研究了有機(jī)纖維對(duì)聚四氟乙烯性能的影響,優(yōu)化出的PTFE/有機(jī)纖維保持架材料具有優(yōu)異的性能,該復(fù)合材料的磨損量比純PTFE下降2個(gè)數(shù)量級(jí),液氮條件下其抗拉強(qiáng)度比常溫條件下提高近1.5倍。1.2.2ptfe/玻璃布復(fù)合材料目前研究較多并成功應(yīng)用的是玻璃纖維布,如文獻(xiàn)利用玻璃布均勻浸漬PTFE乳液,使PTFE含量達(dá)到65%～80%,在卷管機(jī)上卷制成管,然后加壓固定并高溫?zé)Y(jié)制得PTFE/玻璃布復(fù)合材料;將該復(fù)合材料浸漬在一定濃度的氫氟酸水溶液中,通過浸漬時(shí)間控制酸洗程度,而后再用碳酸鈉溶液進(jìn)行中和處理,可大大減少玻璃纖維表面對(duì)滾動(dòng)體的磨損。該材料環(huán)狀抗拉強(qiáng)度為120MPa,抗壓強(qiáng)度為150MPa,干摩擦因數(shù)為0.16,特別適用于超低溫超高速軸承。1.3高導(dǎo)熱率復(fù)合材料金屬填料硬度比PTFE大,起承載作用并降低材料磨損。金屬的高導(dǎo)熱率可提高復(fù)合材料導(dǎo)熱性,在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中能促進(jìn)摩擦熱及時(shí)傳導(dǎo)散出,防止摩擦面因局部溫升過高引起材料表面發(fā)生化學(xué)變化,抑制因材料的軟化而帶來的黏著磨損和犁削,提高材料耐磨性。(1)率提高出率率錫青銅粉粒徑和填充量對(duì)PTFE復(fù)合材料力學(xué)性能有一定影響,同樣含量粒徑越小,其拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率有所提高。同樣粒徑,磨損量隨著錫青銅粉填充量增加先減小后增大。采用高壓水霧化法生產(chǎn)的300目錫青銅粉填充PTFE復(fù)合材料,填充量為25%～40%時(shí)復(fù)合材料綜合性能良好,材料成本適宜,性價(jià)比適合國(guó)內(nèi)行業(yè)需求,現(xiàn)已用于液壓氣動(dòng)組合密封件、壓縮機(jī)無油潤(rùn)滑活塞環(huán)及低速固體自潤(rùn)滑軸承保持架等。(2)對(duì)偶轉(zhuǎn)移膜鉛粉可改善PTFE的冷流性和尺寸穩(wěn)定性,提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性,從而提高材料的耐磨性,磨損量比純PTFE降低了1個(gè)數(shù)量級(jí)。鉛粉增強(qiáng)了轉(zhuǎn)移膜與對(duì)偶表面間的黏著力,可在對(duì)偶面上形成連續(xù)均勻的轉(zhuǎn)移膜。洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司對(duì)幾種不同配方的鉛粉增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料進(jìn)行了高低溫交變濕熱循環(huán)試驗(yàn),經(jīng)過30次高低溫(-40～120℃)交變及濕熱(濕度95%)循環(huán)后其環(huán)狀拉伸性能及邵氏硬度均能保持濕熱循環(huán)試驗(yàn)前的89%以上,摩擦性能無明顯下降。1.4ptfe間的協(xié)同效應(yīng)常采用的金屬氧化物有Pb3O4,TiO2和Cu2O,與PTFE之間可形成協(xié)同效應(yīng),既增強(qiáng)其承載能力,還可阻止PTFE帶狀結(jié)構(gòu)的大面積破壞。低速低載時(shí)磨損率較低,載荷大時(shí)受轉(zhuǎn)速的影響較大,磨損率也變大。在高速重載領(lǐng)域中該類復(fù)合材料應(yīng)用較少。1.5復(fù)合材料的制備常采用的納米材料有Al2O3或ZnO,復(fù)合材料耐磨性明顯優(yōu)于純PTFE,因?yàn)榧{米材料可阻止PTFE單晶系的破壞,增強(qiáng)轉(zhuǎn)移膜的形成與穩(wěn)定,從而降低復(fù)合材料的磨損。納米材料改性PTFE復(fù)合材料的耐磨性、抗老化性及表面粗糙度都有很大提高。納米材料表面積大,表面能高,吸附作用強(qiáng),易聚團(tuán),較難分散均勻,故用量不超過20%。2填料研磨分離金屬或氧化物、無機(jī)纖維等填充劑的加入,雖然使材料耐磨性提高了1～2個(gè)數(shù)量級(jí),但這些填料對(duì)對(duì)磨面卻產(chǎn)生了研磨損傷,且增大了摩擦因數(shù),易導(dǎo)致明顯的界面分離現(xiàn)象。為克服這些缺點(diǎn),目前也采用聚酰亞胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚及聚苯酯等聚合物與PTFE共混進(jìn)行合金化處理,使其各自的特性優(yōu)化組合于一體,提高材料的綜合性能。2.1pi含量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響PI是以酰亞胺環(huán)為結(jié)構(gòu)特征的雜環(huán)聚合物,在高溫、高真空及輻照下力學(xué)性能穩(wěn)定,揮發(fā)量少,機(jī)械強(qiáng)度高,抗蠕變能力強(qiáng),摩擦性能僅次于PTFE。隨著PI的含量增加,PTFE復(fù)合材料的耐磨性逐漸提高,抗拉強(qiáng)度先降低,當(dāng)PI含量為15%時(shí)磨損量降低90%;當(dāng)PI含量超過PTFE后,則以PI為基材,PTFE成為填充料,復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度升高,但其摩擦因數(shù)及磨損量均逐漸變大。PI通常與潤(rùn)滑填料一起對(duì)PTFE協(xié)同改性,其填充量一般不超過20%。2.2peken含量對(duì)改性ptfe性能的影響PEEK是一種半晶體熱塑性聚合物,力學(xué)性能優(yōu)異(常溫下抗拉強(qiáng)度97MPa)、蠕變率低、耐熱及耐化學(xué)性能良好,PEEK在對(duì)偶面上的磨損率很低,作為高性能復(fù)合材料的基體,在工程中得到廣泛應(yīng)用。洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司研究了PEEK含量對(duì)改性PTFE性能的影響,含量由5%～40%共8種配方,隨著PEEK含量的增加,環(huán)狀抗拉強(qiáng)度由23.7MPa降至11.8MPa,沖擊強(qiáng)度由未斷降至6.5kJ/m2,摩擦因數(shù)由0.276先上升到0.295再下降到0.233,磨損量由18mg下降到0.6mg,同時(shí)熱變形溫度由60.1℃升高到140℃。當(dāng)PEEK的含量為15%時(shí),其環(huán)狀抗拉強(qiáng)度、沖擊性能、耐熱性及耐摩擦磨損等綜合性能良好。2.3ptfe共混劑的耐久性聚苯硫醚具有優(yōu)良的耐熱性、耐腐蝕性及抗輻射性,與PTFE具有相容性。由聚苯硫醚共混改性的PTFE復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐蠕變性和尺寸穩(wěn)定性,磨損也較小,在摩擦過程中對(duì)偶件表面可形成一層均勻且黏著力強(qiáng)的轉(zhuǎn)移膜,防止了對(duì)偶件表面的微突起對(duì)PTFE共混物的犁削作用,使PTFE共混物的耐磨性顯著提高。該共混中聚苯硫醚的含量一般為20%～40%,為了提高共混材料力學(xué)性能通常還填充其他無機(jī)材料,如玻璃纖維或碳纖維等。2.4聚苯酯含量對(duì)改性ptfe性能的影響聚苯酯是一種熱致型液晶聚合物,結(jié)晶度高,自潤(rùn)滑性優(yōu)異、熱穩(wěn)定性高、耐輻射、耐壓縮蠕變、耐磨損且對(duì)金屬對(duì)偶面幾乎沒有任何磨蝕作用,在性能上與PTFE互補(bǔ)。聚苯酯在復(fù)合材料中以顆粒形式存在,可增強(qiáng)耐磨性,但耐磨性提高的同時(shí)力學(xué)性能有所降低。洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司試驗(yàn)研究了聚苯酯含量對(duì)改性PTFE性能的影響,含量從0～40%共9種配方。隨著聚苯酯含量增加,材料抗拉強(qiáng)度由32MPa降到5.1MPa,摩擦因數(shù)由0.195逐漸增加到0.275,磨損量由375mg降到16mg。當(dāng)聚苯酯含量大于20%時(shí),耐磨性增加幅度減小,脆性增加,對(duì)顆粒固定能力降低,磨損過程中聚苯酯脫落數(shù)量增加,并作為磨料參與磨損,使摩擦因數(shù)變大產(chǎn)生大量的摩擦熱,加速磨損。聚苯酯含量20%的復(fù)合材料綜合性能優(yōu)良。3ptfe的協(xié)同改性只使用一種填充材料改性PTFE雖然取得了一些成果,但是改善的程度有限。近年來兩種及以上填料協(xié)同改性PTFE成為重點(diǎn)研究方向之一,該方法可利用不同填料之間的協(xié)同作用,最大限度地提升PTFE的耐磨性并降低其摩擦因數(shù)。下面主要介紹4種協(xié)同改性方法,其中無機(jī)纖維、無機(jī)顆粒協(xié)同改性與有機(jī)、無機(jī)填料協(xié)同改性得到的PTFE復(fù)合材料性能較好,很適合用于制作軸承保持架。3.1納米粒子材料常用的無機(jī)粒子有二硫化鉬、石墨和納米粒子。二硫化鉬可提高PTFE的硬度,降低初期磨損量;石墨可提高PTFE的抗壓性,提高材料的熱導(dǎo)率;納米粒子(如納米SiO2、納米TiO2和納米Al2O3)尺寸小,比表面積大,與PTFE間的界面結(jié)合性較好,起承載作用,可提高PTFE的硬度和耐磨性;上述材料共同使用可產(chǎn)生協(xié)同改性作用,在改善PTFE的力學(xué)性能和摩擦性能方面具有良好的效果。采用納米SiO2粒子與石墨填充復(fù)合材料的耐磨損效果較好。3.2復(fù)合材料配方的確定無機(jī)纖維填充PTFE可以提高材料的承載能力,改善材料的耐蠕變性,通常使用的是玻璃纖維和碳纖維。文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)PTFE/碳纖維/玻璃纖維在復(fù)合材料中含量為75%,15%和10%時(shí),力學(xué)性能和摩擦磨損性能優(yōu)良,比一種纖維填充的PTFE復(fù)合材料效果好。由于纖維與PTFE的結(jié)合力差,故填充量及種類不宜過多,目前關(guān)于混雜無機(jī)纖維對(duì)PTFE改性的研究較少。3.3納米tit模型文獻(xiàn)考察了不同含量的納米TiO2及碳纖維對(duì)PTFE復(fù)合材料性能的影響。當(dāng)PTFE/納米TiO2/碳纖維在復(fù)合材料中含量分別為85%,5%和10%時(shí),材料耐磨性最佳。碳纖維起承載作用,網(wǎng)狀束縛基體材料可減少摩擦面上磨屑的產(chǎn)生。納米TiO2可使貧纖維區(qū)得到顯微增強(qiáng),增加轉(zhuǎn)移膜與對(duì)偶面的結(jié)合力,利于形成均勻致密的轉(zhuǎn)移膜,提高摩擦磨損性能。文獻(xiàn)進(jìn)行了石墨及碳纖維協(xié)同潤(rùn)滑改性PTFE的研究,當(dāng)PTFE/石墨/碳纖維在復(fù)合材料中含量分別為70%,20%和10%時(shí),重載下耐磨損性能最好。二硫化鉬在轉(zhuǎn)移膜形成的過程中起到催化促進(jìn)的作用,可增強(qiáng)轉(zhuǎn)移膜與底材的黏著,并改善復(fù)合材料摩擦磨損性能及尺寸穩(wěn)定性,增大表面硬度;玻璃纖維或碳纖維起承載作用,纖維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)束縛基體可有效阻止PTFE片狀剝落,減少磨損,提高耐磨性。洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司研制的PTFE/碳纖維/二硫化鉬及PTFE/玻璃纖維/二硫化鉬復(fù)合材料制造的保持架已成功地應(yīng)用于中低速自潤(rùn)滑軸承,磨損量降低95%,表面硬度提高5%。3.4力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性有機(jī)填料如聚苯酯、PEEK,可改善PTFE的抗蠕變性、耐磨性和抗壓縮性,且對(duì)對(duì)磨件無任何磨蝕作用。微納填料如鈦酸鉀晶須、碳酸鈣晶須等無機(jī)填料具有良好的耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能,微納結(jié)構(gòu)起顯微增強(qiáng)作用。兩類材料協(xié)同改性,可以顯著提高PTFE的綜合性能。石墨、二硫化鉬及聚苯酯協(xié)同改性PTFE復(fù)合材料,當(dāng)PTFE/石墨/二硫化鉬/聚苯酯在復(fù)合材料中含量分別為82%,5%,3%和10%時(shí),復(fù)合材料的力學(xué)性能達(dá)到最佳,彎曲強(qiáng)度提高了62%,彎曲彈性模量提高了75%。文獻(xiàn)對(duì)比考察了碳纖維和鈦酸鉀晶須分別與聚苯酯混合填充PTFE復(fù)合材料的力學(xué)性能和摩擦性能。當(dāng)鈦酸鉀晶須、碳纖維含量均為15%時(shí),鈦酸鉀晶須與聚苯酯混合填充PTFE復(fù)合材料比碳纖維與聚苯酯混合填充PTFE復(fù)合材料所形成的轉(zhuǎn)移膜更為致密,耐磨性更好,孔隙率更低,抗拉強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度更高。PI是目前工程塑料中耐熱性最好的品種之一,具有優(yōu)良的摩擦磨損性能和尺寸穩(wěn)定性,在無潤(rùn)滑條件下,與鋼摩擦的極限PV值比其他工程塑料大。聚苯酯具有高的熱穩(wěn)定性,加熱到538℃也沒產(chǎn)生熔融。洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司研制的PTFE/聚苯酯/PI/二硫化鉬復(fù)合保持架材料已成功用在無油潤(rùn)滑、中速及溫差180℃高低溫交變工況條件下。4發(fā)展動(dòng)態(tài)4.1ptf高溫輻射組合4.1.1也可能發(fā)生市溫度下的市場(chǎng)交叉試驗(yàn)普遍認(rèn)為PTFE只能發(fā)生輻照降解,直到20世紀(jì)70-80年代日本東京大學(xué)及我國(guó)長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所的科研人員發(fā)現(xiàn)PTFE在高溫輻照條件下可能發(fā)生交聯(lián)。在真空或隋性氣氛下,溫度為330～340℃時(shí),利用60CO的γ射線或電子束(EB)對(duì)PTFE進(jìn)行輻照,可形成交聯(lián)PTFE(XPTFE)。其耐磨性隨交聯(lián)度的增加而提高,與PTFE相比,XPTFE的耐磨性提高3個(gè)數(shù)量級(jí)。隨吸收劑量的增加,XPTFE的摩擦因數(shù)略有增加,耐磨性明顯提高。為高輻射及耐磨領(lǐng)域軸承保持架材料的應(yīng)用提供了技術(shù)支持,具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。4.1.2ptfe導(dǎo)熱性差PTFE發(fā)生高溫交聯(lián)需在真空或惰性氣氛下進(jìn)行,并且要求的溫度范圍(330～340℃)較窄,加速器輻照時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱,而PTFE導(dǎo)熱性較差,局部會(huì)存在較大溫差從而導(dǎo)致試樣溫度難以控制;PTFE在高溫輻照過程中產(chǎn)生的有毒氣體易腐蝕設(shè)備,須及時(shí)排出。因此,高溫輻照裝置設(shè)計(jì)和溫度控制要求極高。4.2復(fù)合材料的熱性能碳納米管(CNTs)是由納米級(jí)的同軸碳管組成的碳分子,其具有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu),組成納米碳管的C-C鍵是最穩(wěn)定的化學(xué)鍵,具有優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性?？估瓘?qiáng)度是鋼的100倍,強(qiáng)度是碳纖維的10倍以上,密度是鋼的1/6～1/7,因此它是制備高性能復(fù)合材料的