（机械设计及理论专业论文）pa66ptfe复合材料的制备与性能研究.pdf

矛， p 、“lllr；，i参j-k覃，n带q秘，7幸 学位论文数据集 y 18 7 8 0 4 8 中图分类号 t q 3 2学科分类号 4 6 0 2 0 9 9 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 6 2 3密 级公开 学位授予单位代 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 码 作者姓名 刘天涛学号 2 0 0 8 0 0 0 6 2 3 获学位专业名称机械设计及理论 获学位专业代码 0 8 0 2 0 3 非金属材料成型理论 课题来源 自选研究方向 与设备设计 论文题目 p a 6 6 p t f e 复合材料的制备与性能研究 关键词 p a 6 6 ，p t f e ，摩擦磨损，成纤，力学性能 论文答辩日期 2 0 1 1 年5 月2 6 日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称 工作单位学科专长 指导教师金志明副研究员 北京化工大学聚合物加工 评阅人1薛平 研究员、博导北京化工大学聚合物加工 评阅人2 何继敏副研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员会捕张玉霞高工北京工商大学聚合物加工 答辩委员会1薛平研究员、博导北京化工大学聚合物加工 椭员会2吴大鸣研究员、博导北京化工大学精密技术 答辩委员3刘颖副研究员北京化工大学 聚合物复合材料 答辩委员4闫宝瑞高级工程师北京化工大学 机电控制 答辩委员5任冬云副研究员北京化工大学 聚合物复合材料 答辩委员6何亚东 研究员、博导 北京化工大学 聚合物加工 答辩委员7 刘广建高级工程师北京化工大学挤出成型 答辩委员8李庆春 研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员9王伟明副研究员北京化工大学机电控制 答辩委员1 0信春玲副研究员北京化工大学 高分子材料 答辩委员1 1何继敏副研究员北京化工大学聚合物加工 摘要 p a 6 6 p t f e 复合材料的制备与性能研究 摘要 尼龙6 6 ( p a 6 6 ) 作为一种良好的耐磨材料而具有广阔的市场前景， 但由于它含有大量酰胺基而存在吸水性强，尺寸不稳定，成型收缩率高和 电性能差的缺点；由于p a 是结晶聚合物，其阻燃性也较差，耐磨性、耐 热性和低温抗冲击性亦有待提高，这限制了它的用途。聚四氟乙烯( p t f e ) 树脂由于其分子结构中存在强的f c 键，使其具有很好的物理和化学性 能，如低的摩擦系数和良好的耐热性，是一种良好的固体润滑材料。因此， 采用多元协同技术用p t f e 改性尼龙，可以发挥它们的协同效应以提高尼 龙的耐磨性、耐热性和减少吸水性等。空心玻璃微珠( g b ) 的加入还可 以进一步增加产品尺寸稳定性，防止开裂，从而在提高复合材料的耐磨 损性和力学性能的同时降低其成本。 本文以p a 6 6 为基体，选用p t f e 和g b 分别对p a 6 6 进行填充改性， 通过采用干法混合，同向双螺杆挤出机造粒，制备了p a 6 6 p t f e 和 p a 6 6 p t f e g b 两种复合材料。研究了不同含量的p t f e 、g b 对p a 6 6 的 摩擦磨损性、力学性能的影响；用扫描电子显微镜( s e m ) 对复合材料的磨 损面、脆断面和冲击断裂面的微观结构进行分析。 研究结果表明：p t f e 的加入提高了p a 6 6 的摩擦磨损性能；g b 的加 入能够明显改善p a 6 6 伊t f e 复合材料的耐磨损性能，但对摩擦系数的改 善较小；p t f e 的加入使复合材料的抗弯曲性能有一定的提高，抗拉性能 i 关键词：p a 6 6 ，p t f e ，摩擦磨损，成纤，力学性能 a b s t r a c t s t u d yo ft h ep r o p e r t i e sa n dp r e p a r 2 订i o no f p a 6 6 p t f ec o m p o s i t em a t e r 工a l s a b s t r a c t p o l y a m i d e6 6 ( p a 6 6 ) h a sb r o a dm a r k e tp r o s p e c t sa sag o o dw e a r - r e s i s t a n t m a t e r i a l b u tp a 6 6m a t e r i a lh a sm a n y s h o r t c o m i n g st h a ti n c l u d i n gh i g hw a t e r a b s o r p t i o nr a t e ，s i z ei n s t a b i l i t y , h i g hm o l ds h r i n k a g er a t ea n dp o o re l e c t r i c a l p r o p e r t i e s ，w h i c hb e c a u s ei tc o n t a i n sl a r g ea m o u n t so fa m i d ef u n c t i o n a lg r o u p p o l y a m i d ei sat h e r m o p l a s t i cc r y s t a l l i n ep o l y m e r , w h i c hi sw h y i th a st h ep o o r f l a m m a b i l i t yr e t a r d a n t a n di t sw e a l r e s i s t a n c e ，h e a tr e s i s t a n c ea n dl o w t e m p e r a t u r ei m p a c tr e s i s t a n c ea l s on e e dt ob ei m p r o v e d ，w h i c hl i m i ti t s a p p l i c a t i o n p o l y t e t r a f l u o r o e t h y l e n e ( p t f e ) r e s i n sf cb o n dh a sh i g hb o n d e n e r g y , w h i c h i sw h yi th a st h eg o o d p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，s u c ha s l o wc o e 伍c i e n to ff r i c t i o na n dg o o dh e a tr e s i s t a n c e s op t f ei sag o o ds o l i d l u b r i c a t i n gm a t e r i a l t h u s ，a c c o r d i n gt oc o l l a b o r a t i o nt e c h n o l o g ym o d i f i e d p a 6 6w i t hp t f e ，w h i c hc a nu s et h e i rs y n e r g i s t i ce f f e c tt oi m p r o v i n gi t sw e a l r e s i s t a n c e 、h e a tr e s i s t a n c ea n dr e d u c i n gi t sw a t e ra b s o r p t i o nr a t ea n ds oo n h o l l o wg l a s sb e a d s ( g b ) ，w h i c hc a nf u r t h e ri n c r e a s ep r o d u c t sd i m e n s i o n a l s t a b i l i t y , t op r e v e n tc r a c k i n g ，a n dt h u si m p r o v i n gt h ew e a l r e s i s t a n c ea n d m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h ec o m p o s i t em a t e r i a l sw h i l er e d u c i n gi t sc o s t i nm i sp a p e r p a 6 6i st h em a t r i x ，a n dt h e nm o d i f i e dp a 6 6w i t hp t f ea n d g b p a 6 6 p t f ea n dp a 6 6 p t f e g b c o m p o s i t em a t e r i a l sw e r ep r e p a r e d t h r o u g hh i g h s p e e dm i x e ra n dt w i ns c r e we x t r u d e r t h ea f f e c to ff r i c t i o na n d w e a rp r o p e r t i e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp a 6 6b yd i f f e r e n tc o n t e n to f p t f ea n dg b ，w e r es t u d i e d t h ew e a rs u r f a c eo fc o m p o s i t em a t e r i a l sa n d b r i t t l ef r a c t u r es u r f a c ea n di m p a c tf r a c t u r es u r f a c ew e r eo b s e r v e db ys c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n da n a l y z e d t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t ：t h ef r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so fp a 6 6 m o d i f i e db yp t f ec a nb ei n c r e a s e d t h ew e a rr e s i s t a n c eo ft h ef a 6 6 p t f e c o m p o s i t em a t e r i a l sm o d i f i e db yg bc a l lb ei m p r o v e d ，b u tt h ec o e 伍c i e n to f f r i c t i o nl i t t l ei m p r o v e d t h ec o m p o s i t em a t e r i a l sm o d i f i e db yp t f ei n c r e a s e m i v 目录 第一章绪论 目录 1 1 前言。l 1 2p a 6 6 的性质及应用1 1 3p t f e 的性质及应用。4 1 4p a 6 6 复合材料研究现状6 1 4 1p a p t f e 复合材料摩擦磨损性能。6 1 4 2 玻璃纤维增强p a 6 6 8 1 4 3p a 6 6 t l c p 共混改性9 1 4 4 其他改性1 0 1 5 复合材料界面作用机理1 0 1 6p t f e 的摩擦磨损机理1 1 1 7 本论文研究目的、意义、内容和创新点1 3 1 7 1 论文研究的目的和意义1 3 1 7 2 本论文的主要研究内容1 3 1 7 3 创新点。1 4 第二章实验内容与方法 1 5 2 1 实验原料l5 2 1 1p a 6 6 。l5 2 1 2 聚四氟乙烯分散树脂15 2 1 3 空心玻璃微珠1 6 2 1 4 抗氧化剂1 6 2 1 5 硅烷偶联剂1 7 2 2 实验设备1 7 2 3 技术路线l8 2 4 试样制各2 0 2 5 性能测试2 6 2 5 1 摩擦磨损性能测试2 6 2 5 2 力学性能测试2 7 2 5 3 扫描电镜观察2 8 第三章p t f e 、g b 复合材料摩擦磨损性能研究。 v 2 9 响 ：；9 3 9 4 2 1p a 6 6 p t f e 复合材料的拉伸性能3 9 4 2 2p a 6 6 p t f e 复合材料的弯曲性能4 0 4 2 3p a 6 6 p t f e 复合材料的冲击性能4 1 4 3g b 对复合材料力学性能的影响。4 2 4 3 1p a 6 6 p 邗e g b 复合材料的拉伸性能4 2 4 3 2p a 6 6 俨r f e g b 复合材料的弯曲性能4 4 4 3 3p a 6 6 p t f e g b 复合材料的冲击性能一：4 5 4 4 本章小结4 5 第五章p t f e 在复合材料中成纤性的研究4 7 5 1p a 6 6 p t f e 复合材料样条脆断微观结构4 7 5 2p a 6 6 p t f e 复合材料冲击样条微观结构4 9 5 3p t f e 成纤机理与条件5 1 5 4p a 6 6 p t f e g b 复合材料样条脆断微观结构5 3 5 5p a 6 6 p ，盯e ，g b 复合材料冲击样条微观结构5 5 5 6 本章小结5 7 第六章结论。 6 1 总结5 9 6 2 课题有待进一步研究的问题6 0 参考文献 致谢 m v i 9 9 o 2 3 3 5 6 6 2 2 3 3 3 3 3 3 3 目录 研究成果及发表的学术论文 作者和导师简介 v c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1p r e f a c e 1 1 2p r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o no fp a 6 6 1 1 3p r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o no f p t f e 4 1 4c u r r e n ts t a t u so ft h ep a 6 6c o m p o s i t e sr e s e a r c h 6 1 4 1f r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so fp a p t f ec o m p o s i t e s 6 1 4 2g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp a 6 6 8 1 4 3p a 6 6 t l c pb l e n d i n gm o d i f i c a t i o n 9 1 4 4o t h e rm o d i f i c a t i o n ，1o 1 5t h em e c h a n i s mo fi n t e r f a c i a la c t i o no fc o m p o s i t e s 10 1 6f r i c t i o na n dw e a rm e c h a n i s mo f p t f e 1 1 1 7p u r p o s e ，s i g n i f i c a n c e ，c o n t e n ta n di n n o v a t i o no ft h i sp a p e r 13 1 7 1p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h i sp a p e r 1 3 1 7 2m a i nr e s e a r c hc o n t e n to f t h i sp a p e r 1 3 1 7 3i n n o v a t i 0 1 1 1 l c h a p t e r 2c o n t e n ta n dm e t h o do fe x p e r i m e n t 15 2 1 r a wm a t e r i a l s 1 5 2 1 1 ：p a 6 6 15 2 1 2p t f ed i s p e r s i o nr e s i n 15 2 1 3h o l l o wg l a s sb e a d s 1 6 2 1 4a n t i o x i d a n t s 16 2 1 5 s i l a n ec o u p l i n ga g e n t 1 7 2 2e x p e r i m e n te q u i p m e n t s 17 2 3p r o c e s s i n gr o u t e s 18 2 4s a m p l ep r e p a r a t i o n 2 0 2 5p e r f o r m a n c et e s t i n g 2 6 2 5 1f r i c t i o na n dw e a l p e r f o r m a n c et e s t 2 6 2 5 2m e c h a n i c a lt e s t i n g 2 7 2 5 3s e m 2 8 c h a p t e r 3 s t u d y o ft h ef r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so fp t f e ， i x 5 3m e c _ h a i l i 懿na n dc o n d i t i o n so fp t f ef i b e r - f o r m i n g 5 1 5 4p a 6 6 p t f e g bc o m p o s i t e sb r i t t l ef i a c t u r em i c r o s t r u c t u r e 5 3 5 5p a 6 6 p t f e g bc o m p o s i t e si m p a c tf x a e t u r em i c r o s t r u c t u r e 5 5 5 6c o n c l u s i o n 5 7 c h a p t e r 6c o n c l u s i o n 5 9 6 1r e s e a r c hs u m m a r y 5 9 6 2f u r t h e rs t u d yo ft h ep r o b l e m 6 0 r e f e r e n c e s 6 1 a c k n o w l e d g m e n t ”6 5 r e s e a r c hr e s u l t sa n dp u b l i s h e dp a p e r 6 7 a u t h o ra n dt u t o r 6 9 x 符号说明 缩写 p a 6 6 p t f e g b e p d m t f e 心 h d p e p p 3 m a h c u o g f 0 2 ( 、f r p a 6 6 h t h l 0 h t h6 l c p t l c p l c p e a p p 符号说明 熔点， 密度，g c m 3 压强，m p a 分解温度， 电阻率，q m 压力，m p a 摩擦力矩，n o i n 试验载荷，n 圆环半径，锄 直径，m i n 速度， m m m i n 熔体黏度，p a s 尼龙6 6 聚四氟乙烯 空心玻璃微珠 三元乙丙橡胶 四氟乙烯 芳族尼龙纤维 高密度聚乙烯 马来酸配接枝聚丙烯 氧化铜 玻璃纤维 氧气 玻璃纤维增强尼龙6 6 热致液晶 热致液晶 液晶聚合物 热致性液晶聚合物 液晶共聚酯酰胺 聚丙烯 x i p p 乃p m f r i e i y 巧 北京化工大学硕士学位论文 埃洛石纳米管 聚四氟乙烯分子式 抗氧化剂1 0 7 6 硅烷偶联剂 扫描电子显微镜 差示扫描量热法 碳氟键 碳氢键 碳碳键 x 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 在人类文明发展的历史长河中，材料开发与应用起着举足轻重的作用，新材料的 创造、发现、应用一直是社会文明进程的里程碑【l 】。材料一般可分为金属材料、无机 非金属材料、高分子聚合物材料和复合材料四大类；高分子聚合物材料包括塑料、橡 胶、合成纤维、涂料等。而塑料在日常生活中占有非常重要的一部分，塑料制品的应 用范围非常广泛，涵盖从精密器件( 如假肢或人造膝关节) 到一次性餐具。在品种繁 多的工业应用中，塑料颇受欢迎的重要原因就是其具有宽泛的性能和易加工性能f 2 1 。 将不同种类的聚合物采用物理的或化学的方法共混，以改进原有聚合物的性能或形成 具有崭新性能的聚合物体系，已成为高分子材料科学与工程领域的重要分支之一。最 早工业化生产的树脂基聚合物共混物开始于2 0 世纪4 0 年代，至7 0 年代末，随着的 工业技术发展，国内外对聚合物共混改性的理论已建立了一定的基础，理论研究的中 心集中在聚合物之间的相容性、聚合物共混物的形态结构以及相容性一形态结构一性 能之间的关系等方面，同时新的表征技术的发展为上述研究起到了积极的促进和保证 作用【3 】。摩擦学的研究对于国民经济具有重要意义，据估计，全世界大约有1 2 1 3 的能源以各种形式消耗在摩擦上；而摩擦导致的磨损是机械设备失效的主要原因，大 约有8 0 的损坏零件是由于各种形式的磨损引起的。因此，控制摩擦减少磨损、改 善润滑性能已成为节约能源和原材料、缩短维修时间的重要举措。由于摩擦学对工农 业生产和人民生活的巨大影响，因而引起世界各国的普遍重视，成为近几十年来迅速 发展的技术学科，并得到日益广泛的研究应用，摩擦学研究的显著特点是多学科的综 合分析，其另一个特点是理论与实验研究的相互促进和补充【4 】。 1 2p a 6 6 的性质及应用 尼龙6 6 是半透明或不透明的乳白色的热塑性结晶树脂，是发展最早的合成纤维 和聚酰胺类中最重要的产品，它既能用来做纤维，也能用来做工程塑料。1 8 9 9 年，美 国科学家g a b r i e l 和m a s s 首先发现用等摩尔的己二酸与己二胺可以生产尼龙6 6 ，所 以其学名也叫聚己二酰己二胺，其结构式为 - n h ( c h 2 ) 6 - m - i c o ( c h 2 ) 4 - c o n - , 其分子结构模型见图卜1 。1 9 3 8 年，美国d u p o n t 公司就推出了第一个尼龙品种 转化温度以上时就会变硬，缩小了其加工温度范围。尼龙不溶于非极性溶剂，然而由 于极性团的存在使尼龙会受到极性溶剂的影响，特别是水；水分的存在会引起尼龙局 部结构的改变而削弱它的性能，尤其是在温度提高时，因此，尼龙在加工之前一定要 真空烘干；如果没有水分的存在，尼龙是一种相当好的绝缘体，然而由于水分的存在 或温度的升高，尼龙的绝缘性会变差。由于单位长度内极性基团数量增加，随着尼龙 主链上两个相邻酰基之间的碳原子个数的减少，尼龙的强度和硬度会增加；同时，主 链上两个相邻酰基之间的碳原子个数少的尼龙要比个数多的尼龙吸收的水分多；另 外，由于偶数个碳原子的尼龙在结晶时堆砌的比较好，两酰基之间含有偶数个数碳原 子的尼龙的熔点也要比含有奇数个碳原子的尼龙高，例如，尼龙6 6 的熔点就远高于 尼龙5 6 。尼龙的性能也会受到结晶度的影响，而结晶度是可以由加工时的工艺条件来 控制的；尼龙的结晶度还会影响它对水分的吸收，例如结晶度较低的尼龙将更易于吸 收水分【2 1 。 2 第一章绪论 尼龙6 6 的理化性能为密度( p ) 1 1 4g e r a 3 ，熔融温度( ) 2 6 2 ，热分解温 度( t d ) 大于3 7 0 ，连续使用温度大于1 0 5 ，短时间使用温度可超过2 0 0 ，这远 高于超高分子量聚乙烯的最高8 0 的使用温度，而耐热尼龙的连续使用温度甚至可达 1 3 0 以上：同时，p a 6 6 的刚性和韧性比普通工程塑料高，而且p a 6 6 的耐磨性优良、 自润滑性好、耐油性及耐化学药品性和自熄性均很好，其力学性能也较好，耐热性和 耐寒性良好，温度使用范围比较宽，所以p a 6 6 综合性能好，这也是广泛使用的原因 之一f 6 j 。主要包括以下应用领域：交通运输领域，当今世界上尼龙材料的主要消费 对象是汽车和运输设备领域，大概占其市场总需求量的4 0 嘿在世界上主要发达国 家，尼龙几乎可以制造汽车的所有零部件，其中日本主要将掺混型和玻纤增强型等尼 龙共混材料用于制造散热器、制动油箱等产品；而在汽车发动机部位的所有零部件中 尼龙制品占绝对的优势。由于尼龙的耐冲击性和韧性较好，所以用其制造的散热器水 缸可承受汽车行驶过程中碎石的冲击；由于尼龙耐燃油性好，所以可以用于制造生产 燃料滤网和油贮存器等；由于尼龙的耐高温疲劳性，所以可用于生产平衡旋转轴齿轮 等。车体部位主要采用尼龙合金来生产汽车外板材料，质量比钢板轻4 0 ，而且可耐 1 5 0 以上的联机涂饰，改善了汽车外板的耐腐蚀性和碰撞时的修复性。增韧改性尼 龙6 6 主要用来制造车轮盖、发动机水箱等零部件；采用2 4 玻璃纤维增强与1 6 矿 物填充改性的尼龙6 6 聚合物，由于耐腐蚀性优于金属镁，所以用来代替镁，制造汽 车头盖等；运用失芯技术的尼龙6 6 进气管是用3 3 的玻璃纤维增强改性的尼龙6 6 做成，这样既可减轻管道重量，又可降低其生产成本。共混改性尼龙6 6 和p a 6 t 的流 动性与普通尼龙6 6 相近，但由于其玻璃转化温度比较低，弯曲模量较大，熔融温度 较高，结晶速率较快，所以可用于制造薄壁复杂零部件，这样可以提高模压效率与成 型质量；用e p d m 共混改性尼龙6 6 聚合物，由于产品质量和价格均优于铜暖风水室， 还可以取代铜生产暖风水室；尼龙6 6 的改性产品也可用于制造轴承保持架、垫圈， 轴承，轴套，滑轮等产品 6 1 。在高速铁路领域常发生机车抖动、噪音大，维修次数多 等问题，p a 6 6 由于其优良的抗振性，不但有效的解决以上问题，而且对保障高速铁路 机车的平稳运行也是非常有益的。目前我国铁路建设配套用尼龙材料用量为7 顿千 米以上，仅紧固件一项每千米就要用到5 0 0 0 套，相信在“十二五 时期高速铁路的 迅猛发展将带动我国尼龙专用材料需求量的高速增长【引。电子电气领域，电热器如 电饭锅等也可用尼龙6 6 来生产；阻燃级尼龙还可用于生产接线柱和开关等产品，也 用于生产电器机械和电动工具；玻纤增强增韧尼龙6 6 可用于生产的零部件包括电钻 和电机外壳等。尼龙6 6 在家用电器方面可用于制造电熨斗、微波炉、电饭锅和空调 器部件等；用尼龙6 6 生产的光缆防蚁材料广泛应用于邮电通讯i t 行业；用尼龙6 6 生产的录象机齿轮广泛应用在广播电视行业；用尼龙6 6 生产的印机和计算机零部件 在办公自动化设备行业有广泛的应用；用尼龙6 6 生产的机床电机保护开关的按钮骨 架挡块、低压电控柜中接线座电路开关等设备在仪器仪表行业很常用。开发出高性能 3 北京化工大学硕士学位论文 新型聚酰胺的常用方法是改变其分子结构，通过引入芳香族组分以生产出耐热性、 水性较好的芳香族聚酰胺等，如耐热尼龙，熔点2 9 0 ，较通常的尼龙6 ( 熔点 5 。c ) 、尼龙6 6 ( 熔点2 6 5 ) 有较大提高；芳香尼龙具有耐化学品性好的优点，而且 上阻燃技术的运用，可望在要求耐热性和尺寸稳定较高的电气电子领域得到广泛应 。其它领域，用尼龙生产的电子打字机的数字旋转盘，传动齿轮等主要应用在精 器械方面；用尼龙生产的生产滑雪板、冲浪板和钓鱼杆等在体育娱乐用品中应用较 ；另外，p a 6 6 还可用于生产碱性干电池衬垫、摩托车驾驶员用的安全防护帽，办公 椅的脚轮和床面水平度调整器等；由于p a 是无毒性卫生材料，所以改性p a 还可用 输液的过滤器、注射器等医疗器械【6 】。 3p t f e 的性质及应用 p t f e 为四氟乙烯( e ) 单体的用不同的聚合方法得到的高结晶聚合物，其相 分子量范围为数十万到一千万以上，一般为数百万，而且是有蜡状感的白色热塑性工 塑料。p t f e 的分子是由 以后大分子链的结构如下所示。 ffff 乇童一* 毒一 ff寥 f ff * 毒一弓于 ff 由于p t f e 是完全对称的无支链的线型高分子，所以聚四氟乙烯无极性。c f 键 的单键能是4 6 6 k j m 0 1 ，比c h 键( 4 1 0 k j m 0 1 ) 和c c 键( 3 7 2 k j t 0 0 1 ) 的键能高，而且氢 原子的( 0 1 1 一o 1 2 r i m ) 范德瓦尔斯半径大于氟原子的( o 1 3 5 n m ) ，p t f e 分子中原子之 间的范德瓦尔斯相互作用力较大，产生较强的排斥力，p t f e 的螺旋构象便是由于以 上原因形成的，加上氟原子的合适半径，使得每一个氟原子紧靠并包围在c c 主链的 周围形成一个低表面能的保护层，因此p t f e 具有良好的热稳定性和化学惰性；p t f e 还具有优异的摩擦性能和低温时较好的延展性，这是因为氟原子的电负性极大，加之 四氟乙烯单体具有完美的对称性而使p t f e 分子间的吸引力和表面能较低，但以上因 4 一 fcf一扑 书一 f，cf群 喜f 一 第一章绪论 素也使p t f e 的耐蠕变能力变差，容易出现冷流现象，并且耐磨损性变差；此外，p 邛e 还具有很高的熔点和较高的熔融黏度，这是由p t f e 相邻的氟原子之间的范德瓦尔斯 排斥力较大，氟亚甲基之间的转动势垒较大，加之无分支对称主链结构和高度的结晶 性造成的，这使其采用可熔融加工方法加工制品比较困难【9 】【1 0 1 。通过电镜观察显示， 急速冷却时结晶带的宽度为0 2 p r o 、长为1 0 p r o ；以18 0 h 的速度冷却时为0 4 5 0 p r o ，以1 5 h 的速度冷却时为1x1 0 0 p m ；但结晶条纹问的间隔与冷却速度无关， 都2 0 0a 左右【l o 】，其带状结晶结构模型见图1 2 。 图1 - 2f r f e 的带状结晶结构模型 f i g 1 - 2t h er i b b o nc r y s t a ls t r u c t u r em o d e lo fp t f e p t f e 的组成与结构决定了它具有以下特性： 1 耐化学药品性：聚四氟乙烯几乎对所有的常用化学药品都成惰性，仅与熔融的 钠金属、氟和强的氟化介质，以及高于3 0 0 n a o h 反应；2 耐热性：聚四氟乙烯在 2 6 0 下不发生热老化现象；3 电性能：聚四氟乙烯具有较高的耐电弧性，且体积电 阻率( p ) 大于1x1 0 1 6 q m ，与温度无关，因此有良好的电绝缘性；4 润滑性能：聚 四氟乙烯在较宽的温度范围内都具有较低的摩擦系数，一般在0 0 4 0 1 之间，几种常见 的摩擦系数见表1 1 ； 表1 1 几种树脂的摩擦系数 t a b l e1 - 1t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to fs o m e p o l y m e r l 材料 u h m 、p ea b sp o mp cp t f e l 摩擦系数 0 0 7 0 1l 0 3 80 4 6o 3 60 0 4 - 0 1 5 耐辐射性：聚四氟乙烯在真空中，辐照剂量为1x1 0 7r a d 时，仍可保持其拉伸强度 自由能，最高的使用温度范围，在摩擦磨损领域有着特殊的地位。因此，国内外很多 研究者对聚四氟乙烯的改性技术进行了深入研究，使聚四氟乙烯在石油化工等多种领 域具有更广阔的应用前景。 1 4p a 6 6 复合材料研究现状 1 4 1p a p t f e 复合材料摩擦磨损性能 以往的研究成果表明：在尼龙中加入聚四氟乙烯，可以有效的提高聚酰胺的摩擦 磨损性能；并且尼龙共混物吸水率随着p t f e 含量的增加而减小，即p t f e 的加入抑制 了共混物的吸水性。具体研究内容如下： 6 第一章绪论 b o l v a r i 掣1 4 】通过机械共混法制备尼龙6 6 芳族尼龙纤维p t f e 复合材料，其研究 结果表明：在尼龙6 6 芳族尼龙纤维的体系中，纤维使用范围为5 1 5 时磨损性能最 好，同时参考力学性能，纤维最佳的含量是1 5 ；加入p t f e 能使尼龙共混物具有良 好的摩擦性能，甚至在含有2 5 的芳族尼龙纤维( a p f ) 的情况下，也能使共混物的摩 擦系数减少一半甚至更多，同时仍有着比较低的磨损率。p t f e 的加入使共混物动态 摩擦系数减少的原因包括摩擦转移膜的形成和p t f e 降低了疏松树脂分散在表面产生 的影响。 p a l a b i y i d 等【1 5 j 将尼龙6 和高密度聚乙烯( h d p e ) 挤出注射成型，同时在共混物中 加入短玻纤增强、p 1 下e 和氧化铜( c u o ) ，并且用马来酸配接枝聚丙烯( p p g - m a n ) 作 为复合材料的相容剂。其研究结果表明：g f 的加入对共混物的摩擦系数和磨损率都 影响有限，并且使材料变脆，但使共混物拉伸强度有一定的提高。p t f e 的加入使 磨损率稳定的时间比未添加p 邗e 的共混物出现早，且平稳时磨损率也有较大的下降， 摩擦性能改善效果最佳添加量为1 0 的p t f e ；f i t e 的加入对尼龙6 和h d p e 共混物的 拉伸强度、硬度、断裂伸长率都影响比较小；氧化铜的加入对含有p t f e 的共混物的 摩擦系数和磨损率都没有改善效果。 r f r a n k e 等【1 6 】研究了化学键结合的p t f e p a 6 6 和p a 6 6 g f 夹心材料的机械和摩 i ： 擦性能，实验中所有2 0 的p t f e 粉末( z o n y l m p11 0 0 ( d u p o n t ) 或者z o n y l m p 1 2 0 0 ( o u p o n t ) ) 是经辐射改性降解的，青铜粉或芳纶短纤维增强的加入量为体积比 1 0 。研究结果表明：夹心材料在干摩擦条件、不同压力和滑行速度下与同种成分的 毋 压实材料相比磨损率有下降；对夹心样品断面的形态研究表明夹心成型出现了功能层 的特征性能变化，这种变化导致了摩擦过程中摩擦对象的变化；即使在更高的压力下 玻璃纤维增强的复合材料也有很好的刚度；另外，青铜粉与芳纶纤维增强材料的加入 使p t f e p a 6 6 复合材料具有高的机械强度和低磨损率。 r a i n c rf r a n k e 等【1 7 】研究了聚四氟乙烯聚酰胺复合材料的摩擦学行为，采用反应挤 出的方法来制造这种新型复合材料，并且显示出非常良好的材料性能，本研究在干摩 擦条件下进