高分子自潤滑材料你熟悉哪幾個呢？

時間：2020-09-03作者：遼源市興鵬新材料制造有限公司瀏覽：1052

高分子材料具有摩擦系數(shù)較低、機(jī)械性能優(yōu)良及耐腐蝕性等優(yōu)點，特別是加入填料可使其耐磨性顯著提高，正被廣泛應(yīng)用到固體潤滑領(lǐng)域。高分子固體潤滑材料根據(jù)其成型工藝與作用機(jī)制的不同又可主要分為高分子固體潤滑塊材與高分子固體潤滑膜，自潤滑材料。

目前常見高分子固體潤滑塊材有：聚（PTFE）、聚酰亞胺（PI）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚（PPS）、聚酰胺（PA）、聚甲醛（POM）及**高分子量聚（UHMWPE）等，主要通過高分子與高分子共混及添加纖維、晶須等來提高基體的機(jī)械強(qiáng)度；通過添加各類固體潤滑劑來提高摩擦學(xué)性能；并通過電子輻射處理及等離子表面改性和離子注入等手段進(jìn)行改性處理，提高其綜合性能。高分子基固體潤滑材料可取代傳統(tǒng)金屬材料，成為全新的一類耐摩擦磨損材料。

塑料復(fù)合材料已廣泛用于作為滑動部件的材料，可用于無潤滑(干燥條件)、水潤滑、低溫或者腐蝕性氣氛中以及真空中的滑動部件，但和其他許多固體潤滑材料不同，一般是有延展性的，而且機(jī)械性質(zhì)上容易提供多樣性。因為許多熱塑性塑料成形性能好，所以作為固體潤滑材料在經(jīng)濟(jì)有利。

軸承等材料所用多為熔點比較固定的結(jié)晶型高分子材料，如聚、尼龍、聚、聚和聚酰亞胺。在固體潤滑膜中，常采用熱固性的高分子材料包括樹脂和等具有一維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)但又不顯結(jié)晶性的物質(zhì)作為粘結(jié)劑，熱固性高分子材料可以在常溫或受熱后起化學(xué)反應(yīng)，固化成形，再加熱時不可逆；常用的有：樹脂、脲醛樹脂、、、聚鄰（間）二二酯樹脂、、樹脂。

與其他固體潤滑劑相比較，高分子材料作為滑動部件具有以

下優(yōu)點：①韌性好，能有效地吸收振動，無噪音，不損傷對偶材料，②化學(xué)穩(wěn)定性好，摩擦磨損對氣氛的依賴性小，在水中也能使用，③低溫性能好，即使在液氨，的**低溫條件下仍能發(fā)揮其潤滑作用，在真空中同樣可以應(yīng)用，④高分子材料較引人注目的優(yōu)點是其與潤滑油的共存性，具有很強(qiáng)的耐油性，諸如樹脂和聚等都適應(yīng)作含油軸承使用，而其他許多承受高負(fù)荷的固體潤滑膜卻不適合，⑤電絕緣性優(yōu)良。其缺點為：機(jī)械強(qiáng)度低，承載能力差；不宜在高溫下使用，較高使用溫度也不**過400℃；有吸濕性，時效變化明顯；真空出氣率高，軸承的間隙大，因而存在著配合精度稍低等問題。

1.1 聚材料

聚（PTFE）是杜邦于1938年開發(fā)成功的，1950年開始從*轉(zhuǎn)至民用工業(yè)。PTFE是化學(xué)穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)高度對稱的熱塑性半結(jié)晶型長碳鏈高聚物，其C-F鍵能高達(dá)460 kJ/mol，遠(yuǎn)**一般高聚物中C-H鍵能，后者為365 kJ，而且分子鏈呈螺旋狀并分為兩層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為碳鏈，外層為氟原子層，后者把碳鏈密實包裹起來。因為氟原子在所有元素中電負(fù)性較高且?guī)ж?fù)電，遮蔽碳原子上的正電荷，而相鄰氟原子的負(fù)電荷間又有相斥作用，導(dǎo)致PTFE內(nèi)聚力較低，分子鏈沒有分枝，是由－CF2－CF2－構(gòu)成的直鏈，這些結(jié)構(gòu)因素使PTFE具有許多優(yōu)異特性，如既耐寒又耐熱，可在–100～280℃的溫度范圍內(nèi)長期工作，表面能較低（18.5×10-3 N/m，潤濕角θ=112?），不易被潤濕，具有**的低摩擦、排水排油與不沾性及耐化學(xué)藥品侵蝕特性。

非極性分子PTFE不具備形成取向力和誘導(dǎo)力的條件，只能形成較弱的色散力，鏈段之間相互作用力弱，對其它材料粘附性差，主要通過表面改性和合成新型膠粘劑以提高PTFE粘接性能。表面改性提高PTFE粘接性能方法中，一絡(luò)合物化學(xué)處理法、高溫熔融法、輻射接枝法等方法的改性效果均有限，而低溫等離子體法能使氟塑料的接觸角平均降低20?～30?，粘接強(qiáng)度提高3～4倍。

尼龍和聚等大多數(shù)熱塑性高分子材料均為球晶結(jié)構(gòu)，球晶由片晶構(gòu)成，片晶即為高分子長鏈形成的片狀晶體，而PTFE卻是片晶與非結(jié)晶部分交替排列的帶狀結(jié)構(gòu)。球晶結(jié)構(gòu)中片晶之間難以滑移，摩擦系數(shù)較高，而帶狀結(jié)構(gòu)中，非結(jié)晶部分容易滑移，導(dǎo)致摩擦系數(shù)較低，因此PTFE的非結(jié)晶部分有利于其固體潤滑作用，同時也引起磨損增加。

PTFE與鋼對磨時摩擦系數(shù)可達(dá)0.1以下，如在低速高負(fù)載或在硬質(zhì)材料上成膜時，摩擦系數(shù)為0.04～0.1，隨著滑動速度的增加摩擦系數(shù)增大，PTFE的帶狀片晶在摩擦力作用下產(chǎn)生帶狀剝離，從而呈現(xiàn)較大的磨損率，通常將石墨、玻璃纖維、碳纖維、MoS2、金屬和金屬氧化物填充于PTFE，以提高其硬度和耐磨性能，填充改性后，比磨損率可比未填充時下降100～1000倍。

PTFE易于在對磨面上形成均勻連續(xù)轉(zhuǎn)移膜，主要由于PTFE分子沒有支鏈，分子間僅僅靠范德華力結(jié)合，容易沿滑動方向取向，從而易于轉(zhuǎn)移。有人認(rèn)為PTFE具有與金屬絡(luò)合的傾向，通過將多種金屬氣相沉積到PTFE表面，可在界面發(fā)現(xiàn)金屬氟化物或**金屬絡(luò)合物。

1.2 聚酰亞胺材料

聚酰亞胺由于分子主鏈中具有十分穩(wěn)定的酰亞胺的芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)使它具有其他高聚物無法比擬的優(yōu)異性能。如耐熱性和耐輻照性好，在高溫、高真空及輻照下穩(wěn)定，揮發(fā)物少。其中熱塑性PI的長期使用溫度一般在﹣240～260℃，熱固性PI長期使用溫度可達(dá)到300℃以上。聚酰亞胺具有良好的機(jī)械性能與摩擦學(xué)性能。

PI的磨損有以下兩種情況：一是在摩擦過程中因粘著、犁耕、微切削等作用而逐漸磨損.導(dǎo)致底材暴露而失效；二是很快磨損至與金屬底材相結(jié)合的界而層，然后形成一薄層潤滑膜，并能維持很長一段時間的低摩擦磨損。由于PI在實際使用過程中均要加入各種潤滑填料，因此PI復(fù)合材料的磨損過程大部分表現(xiàn)為*二種情況。

采用熱模壓成型的方法，在熱塑性聚酰亞胺（TPI）中添加玻璃微珠（GB）、玻璃纖維粉（GFP）和短切玻璃纖維（SGF）進(jìn)行復(fù)合增強(qiáng)，研究3種不同形態(tài)填充材料及其含量對復(fù)合材料力學(xué)、摩擦磨損及熱性能的影響[14]。隨著填充物填充量的增加，所制得復(fù)合材料的剛性明顯提高;并且填充物長徑比越大，其作用效果越明顯，由此制得的復(fù)合材料同時具有較低的體積磨損率及線膨脹系數(shù)。采用SGF增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度也隨其填充量的增加顯著增大，而采用GB及GFP填充的材料則呈下降趨勢。

采用不同特性玻璃質(zhì)剛性填料（玻璃纖維、玻璃纖維粉、5 μm和20 μm玻璃微珠）填充改性TPI，利用MPX-2000摩擦試驗機(jī)測定了干摩擦、水潤滑和油潤滑條件下材料的摩擦磨損性能，考察不同形態(tài)、尺度填料的影響。大尺寸填料的單位個體與基體的界面面積和結(jié)合強(qiáng)度大于小尺寸填料，其磨損率比小尺度填料的材料低。在水和油起到良好冷卻作用后，球形顆粒易出現(xiàn)應(yīng)力集中，疲勞裂紋向四周擴(kuò)展、交匯，產(chǎn)生疲勞磨損，其程度隨顆粒尺寸增大而提高，表現(xiàn)為20 μm玻璃微珠填充材料磨損率較大。

1.3 聚醚醚酮材料

由于高強(qiáng)度、耐磨性能強(qiáng)的特性，聚醚醚酮（PEEK）材料通常被用作耐磨復(fù)合材料的基材，它是一種具有耐高溫、耐化學(xué)腐蝕性質(zhì)的可注塑成型的高分子。

PEEK材料與**高分子共混、無機(jī)粉體填充改性、碳纖維或玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等，工程應(yīng)用主要涉及到制造耐高溫、耐腐蝕和耐磨損的機(jī)械零部件，例如:通用機(jī)械工程上的壓縮機(jī)閥片和活塞環(huán)以及密封環(huán)等;紡織、化工和冶金機(jī)械工程上的高溫高壓閥門密封環(huán)、軸承和滑履等。

通?？赏ㄟ^減小與對磨面之間的粘結(jié)性和提高其硬度、剛性和壓縮強(qiáng)度。其中碳纖維、CuS、石墨和PTFE效果較好[23-26]。通過添加石墨和PTFE可以減少其摩擦系數(shù)。而添加硬度和模量高的添加劑可以減少粘結(jié)與疲勞磨損[28]，PEEK添加10 mass% PTFE 可得到較佳的摩擦與磨損性能， Vail 等將PTFE纖維材料填充于PEEK涂層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)復(fù)合涂層的磨損速率達(dá)到7×10﹣8mm3/Nm，摩擦磨損效果比傳統(tǒng)的粉末PTFE-PEEK復(fù)合涂層要好得多，并且當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到2百萬以上時，摩擦系數(shù)μ仍能保持在0.125以下[31]。添加納米SiO2、SiC、Si3N4 、ZrO2 以及Al2O3可有效提高PEEK與鋼對磨時的摩擦磨損性能。1986年推出為在高溫場合使用而開發(fā)的HX-滑動軸承材料（DX材料的變種）即為PEEK復(fù)合材料。

1.4 聚甲醛材料

聚甲醛是柔性鏈的線型高結(jié)晶聚合物，結(jié)晶度通常為70%~80%。聚甲醛的分子主鏈中C-O鍵能比C-C鍵能大，鍵長短，這樣，聚甲醛沿分子鏈方向原子密度大。由于其結(jié)晶度高，鍵能大，分子的內(nèi)聚能高，不易向?qū)δッ孓D(zhuǎn)移，故有良好的耐磨性和高強(qiáng)度，在摩擦載荷下不易失效。聚甲醛的摩擦系數(shù)和磨損量小，極限PV值大，適用于長期經(jīng)受滑動的部位。另外聚甲醛具有和鋁合金相近的表面硬度，且在動態(tài)摩擦部位使用時，無噪音自潤滑效果**其它塑料。

往往通過添加PTFE、二化鉬、石墨、鉛粉等以進(jìn)一步降低POM的摩擦因數(shù)，其中以添加PTFE效果較佳[37]，POM＋20％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）PTFE已經(jīng)實現(xiàn)商品化。POM–20% PTFE的穩(wěn)態(tài)磨損率主要與對磨鋼表面粗糙度和跑合過程中的轉(zhuǎn)移膜特性有關(guān)。

將LDPE和POM共混制備POM/LDPE共混物，其摩擦磨損性能得到提高。當(dāng)LDPE含量為10%時，POM/LDPE共混物的摩擦系數(shù)從純POM的0.30降低到共混物的0.13，磨痕寬度從POM的4.44 mm下降為3.94 mm。在摩擦過程中POM/LDPE共混物中的LDPE向鋼環(huán)轉(zhuǎn)移形成磨屑，隔離兩摩擦面的接觸，起到減摩耐磨劑的作用，降低POM樹脂摩擦系數(shù)，提高POM的耐磨損性能。

用模壓方法制得聚酯/石墨/聚甲醛（Ekonol/G/POM）復(fù)合材料可改善聚甲醛的摩擦學(xué)性能，適量加入Ekonol能改善POM的摩擦磨損性能；Ekonol加入量的多少，直接影響著復(fù)合材料的磨損機(jī)理，隨著其含量的增加，磨損機(jī)理發(fā)生由粘著磨損到疲勞磨損的轉(zhuǎn)變。

POM是較早用作齒輪的工程塑料之一，被用來替代有色金屬及合金而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、汽車、電子電器工業(yè)、各種精密機(jī)械和五金建材等行業(yè)中承擔(dān)動力傳動傳導(dǎo)的零部件。

聚甲醛覆面三層復(fù)合材料（DX材料）是把球形銅粉燒結(jié)到鋼板上，再在其上復(fù)合聚甲醛自潤滑材料(包括聚甲醛、含油聚甲醛、填充聚甲醛等)。DX材料不僅有效地解決了摩擦熱的散發(fā)問題，而且它的抗磨減摩特性和極限PV值得到很大改善。將鋼板一銅粉一改性聚甲醛三層復(fù)合材料應(yīng)用于水工閘門支承滑道，從摩擦系數(shù)、磨損率、吸水率等指標(biāo)均**閘門滑道其它材料，使用壽命大大提高。

1.5 聚醚材料

PPS分子鏈由環(huán)與對位原子交替聯(lián)接，結(jié)構(gòu)對稱規(guī)整，易于結(jié)晶，通常結(jié)晶度高達(dá)65%～70%，環(huán)和原子上的電子形成“共軛體系”，增強(qiáng)主鏈剛性，該結(jié)構(gòu)使PPS具有優(yōu)良的耐熱性、化學(xué)性、力學(xué)性能和電性能。

PPS高溫穩(wěn)定性優(yōu)異，在204～246℃下暴露9500 h后拉伸強(qiáng)度不變，PPS連續(xù)使用溫度達(dá)240℃，與PTFE相近。PPS的耐化學(xué)腐蝕性較好，僅次于PTFE，耐強(qiáng)氧化性酸，耐200℃以下的**溶劑、無機(jī)酸、**酸及堿。

PPS中添加35 vol％的CuS可以顯著降低其磨損率[42]。添加濃縮銅（CC）PPS復(fù)合物穩(wěn)態(tài)磨損率較低可達(dá)0.0030mm3/k，此時復(fù)合物為PPS+20%CC+15%PTFE，比未填充的PPS磨損率低兩個數(shù)量級，CC主要成分為為CuS、FexOy、SiO2、Al2O3。

美國RTP公司RTP1300系列產(chǎn)品為添加玻璃纖維和PTFE的PPS復(fù)合材料，制得的可置換泵體在110℃工作溫度時具有較低的翹曲、蠕變性、吸水性和較高的耐磨性能。新推出醫(yī)用要求的工業(yè)化改性聚醚（PPS）RTP1400系列產(chǎn)品，具有強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性、電絕緣性和導(dǎo)熱性好，可取代日前通用的金屬鋁。RTP1400產(chǎn)品熱穩(wěn)定性比一般PPS高一倍，而同時仍保持優(yōu)良的電絕緣性，熱變形溫度（1.84 MPa下）為204.4℃，能適應(yīng)在加熱釜反復(fù)加熱消毒的要求。

1.6 **高分子量聚材料

UHMWPE是一類具有**常摩擦學(xué)性質(zhì)的*特高分子材料。比起大多數(shù)工程塑料，它的耐滑動磨損能力和凹口抗沖擊強(qiáng)度都是*一**的。UHMWPE集耐磨性，高粘性，摩擦因數(shù)低等特點于一身，屬于非粘性基材表面的自潤滑材料[44]。和同類高分子潤滑材料如PEEK，PE，PS等相比較，UHMWPE都具有較好的耐磨性能。

在Si表面及Si改性基材表面涂層的摩擦學(xué)性能研究中發(fā)現(xiàn)，UHMWPE是一類潛力較大的薄膜材料。當(dāng)UHMWPE用于鋼材或Al基材表面涂層時，能很大地提高這些金屬材料的使用壽命，摩擦系數(shù)在0.12~0.2范圍之間。利用碳納米管制備的納米UHMWPE復(fù)合材料在機(jī)械性能和摩擦學(xué)性能上有著很大的提高，如硬度大，耐磨性、抗劃傷能力強(qiáng)，與SiN的對磨過程中摩擦系數(shù)有一定的增強(qiáng)。


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