高分子自润滑材料你熟悉哪几个呢?

时间:2020-09-03点击次数:77

高分子材料具有摩擦系数较低、机械性能优良及耐腐蚀性等优点,特别是加入填料可使其耐磨性显著提高,正被广泛应用到固体润滑领域。高分子固体润滑材料根据其成型工艺与作用机制的不同又可主要分为高分子固体润滑块材与高分子固体润滑膜,自润滑材料

目前常见高分子固体润滑块材有:聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)及超高分子量聚乙烯(UHMWPE)等,主要通过高分子与高分子共混及添加纤维、晶须等来提高基体的机械强度;通过添加各类固体润滑剂来提高摩擦学性能;并通过电子辐射处理及等离子表面改性和离子注入等手段进行改性处理,提高其综合性能。高分子基固体润滑材料可取代传统金属材料,成为全新的一类耐摩擦磨损材料。

塑料复合材料已广泛用于作为滑动部件的材料,可用于无润滑(干燥条件)、水润滑、低温或者腐蚀性气氛中以及真空中的滑动部件,但和其他许多固体润滑材料不同,一般是有延展性的,而且机械性质上容易提供多样性。因为许多热塑性塑料成形性能好,所以作为固体润滑材料在经济有利。

轴承等材料所用多为熔点比较固定的结晶型高分子材料,如聚乙烯、尼龙、聚缩醛、聚四氟乙烯和聚酰亚胺。在固体润滑膜中,常采用热固性的高分子材料包括酚醛树脂和环氧树脂等具有一维网络结构但又不显结晶性的物质作为粘结剂,热固性高分子材料可以在常温或受热后起化学反应,固化成形,再加热时不可逆;常用的有:酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、环氧树脂、聚邻(间)苯二甲酸二丙烯酯树脂、有机硅树脂、聚氨酯树脂。

与其他固体润滑剂相比较,高分子材料作为滑动部件具有以

下优点:①韧性好,能有效地吸收振动,无噪音,不损伤对偶材料,②化学稳定性好,摩擦磨损对气氛的依赖性小,在水中也能使用,③低温性能好,即使在液氨,液氢的超低温条件下仍能发挥其润滑作用,在真空中同样可以应用,④高分子材料引人注目的优点是其与润滑油的共存性,具有很强的耐油性,诸如酚醛树脂和聚缩醛等都适应作含油轴承使用,而其他许多承受高负荷的固体润滑膜却不适合,⑤电绝缘性优良。其缺点为:机械强度低,承载能力差;不宜在高温下使用,高使用温度也不超过400℃;有吸湿性,时效变化明显;真空出气率高,轴承的间隙大,因而存在着配合精度稍低等问题。

1.1 聚四氟乙烯材料

聚四氟乙烯(PTFE)是杜邦于1938年开发成功的,1950年开始从转至民用工业。PTFE是化学稳定性好、结构高度对称的热塑性半结晶型长碳链高聚物,其C-F键能高达460 kJ/mol,远高于一般高聚物中C-H键能,后者为365 kJ,而且分子链呈螺旋状并分为两层结构,内层为碳链,外层为氟原子层,后者把碳链密实包裹起来。因为氟原子在所有元素中电负性高且带负电,遮蔽碳原子上的正电荷,而相邻氟原子的负电荷间又有相斥作用,导致PTFE内聚力极低,分子链没有分枝,是由-CF2-CF2-构成的直链,这些结构因素使PTFE具有许多优异特性,如既耐寒又耐热,可在–100~280℃的温度范围内长期工作,表面能极低(18.5×10-3 N/m,润湿角θ=112˚),不易被润湿,具有突出的低摩擦、排水排油与不沾性及耐化学药品侵蚀特性。

非极性分子PTFE不具备形成取向力和诱导力的条件,只能形成较弱的色散力,链段之间相互作用力弱,对其它材料粘附性差,主要通过表面改性和合成新型胶粘剂以提高PTFE粘接性能。表面改性提高PTFE粘接性能方法中,钠一萘络合物化学处理法、高温熔融法、辐射接枝法等方法的改性效果均有限,而低温等离子体法能使氟塑料的接触角平均降低20˚~30˚,粘接强度提高3~4倍。

尼龙和聚乙烯等大多数热塑性高分子材料均为球晶结构,球晶由片晶构成,片晶即为高分子长链形成的片状晶体,而PTFE却是片晶与非结晶部分交替排列的带状结构。球晶结构中片晶之间难以滑移,摩擦系数较高,而带状结构中,非结晶部分容易滑移,导致摩擦系数较低,因此PTFE的非结晶部分有利于其固体润滑作用,同时也引起磨损增加。

PTFE与钢对磨时摩擦系数可达0.1以下,如在低速高负载或在硬质材料上成膜时,摩擦系数为0.04~0.1,随着滑动速度的增加摩擦系数增大,PTFE的带状片晶在摩擦力作用下产生带状剥离,从而呈现较大的磨损率,通常将石墨、玻璃纤维、碳纤维、MoS2、金属和金属氧化物填充于PTFE,以提高其硬度和耐磨性能,填充改性后,比磨损率可比未填充时下降100~1000倍。

PTFE易于在对磨面上形成均匀连续转移膜,主要由于PTFE分子没有支链,分子间仅仅靠范德华力结合,容易沿滑动方向取向,从而易于转移。有人认为PTFE具有与金属络合的倾向,通过将多种金属气相沉积到PTFE表面,可在界面发现金属氟化物或有机金属络合物。

1.2 聚酰亚胺材料

聚酰亚胺由于分子主链中具有十分稳定的酰亚胺的芳杂环结构使它具有其他高聚物无法比拟的优异性能。如耐热性和耐辐照性好,在高温、高真空及辐照下稳定,挥发物少。其中热塑性PI的长期使用温度一般在﹣240~260℃,热固性PI长期使用温度可达到300℃以上。聚酰亚胺具有良好的机械性能与摩擦学性能。

PI的磨损有以下两种情况:一是在摩擦过程中因粘着、犁耕、微切削等作用而逐渐磨损.导致底材暴露而失效;二是很快磨损至与金属底材相结合的界而层,然后形成一薄层润滑膜,并能维持很长一段时间的低摩擦磨损。由于PI在实际使用过程中均要加入各种润滑填料,因此PI复合材料的磨损过程大部分表现为第二种情况。

采用热模压成型的方法,在热塑性聚酰亚胺(TPI)中添加玻璃微珠(GB)、玻璃纤维粉(GFP)和短切玻璃纤维(SGF)进行复合增强,研究3种不同形态填充材料及其含量对复合材料力学、摩擦磨损及热性能的影响[14]。随着填充物填充量的增加,所制得复合材料的刚性明显提高;并且填充物长径比越大,其作用效果越明显,由此制得的复合材料同时具有较低的体积磨损率及线膨胀系数。采用SGF增强复合材料的力学强度也随其填充量的增加显著增大,而采用GB及GFP填充的材料则呈下降趋势。

采用不同特性玻璃质刚性填料(玻璃纤维、玻璃纤维粉、5 μm和20 μm玻璃微珠)填充改性TPI,利用MPX-2000摩擦试验机测定了干摩擦、水润滑和油润滑条件下材料的摩擦磨损性能,考察不同形态、尺度填料的影响。大尺寸填料的单位个体与基体的界面面积和结合强度大于小尺寸填料,其磨损率比小尺度填料的材料低。在水和油起到良好冷却作用后,球形颗粒易出现应力集中,疲劳裂纹向四周扩展、交汇,产生疲劳磨损,其程度随颗粒尺寸增大而提高,表现为20 μm玻璃微珠填充材料磨损率大。

1.3 聚醚醚酮材料

由于高强度、耐磨性能强的特性,聚醚醚酮(PEEK)材料通常被用作耐磨复合材料的基材,它是一种具有耐高温、耐化学腐蚀性质的可注塑成型的高分子。

PEEK材料与有机高分子共混、无机粉体填充改性、碳纤维或玻璃纤维增强复合材料等,工程应用主要涉及到制造耐高温、耐腐蚀和耐磨损的机械零部件,例如:通用机械工程上的压缩机阀片和活塞环以及密封环等;纺织、化工和冶金机械工程上的高温高压阀门密封环、轴承和滑履等。

通常可通过减小与对磨面之间的粘结性和提高其硬度、刚性和压缩强度。其中碳纤维、CuS、石墨和PTFE效果较好[23-26]。通过添加石墨和PTFE可以减少其摩擦系数。而添加硬度和模量高的添加剂可以减少粘结与疲劳磨损[28],PEEK添加10 mass% PTFE 可得到良好的摩擦与磨损性能, Vail 等将PTFE纤维材料填充于PEEK涂层,结果发现复合涂层的磨损速率达到7×10﹣8mm3/Nm,摩擦磨损效果比传统的粉末PTFE-PEEK复合涂层要好得多,并且当循环次数达到2百万以上时,摩擦系数μ仍能保持在0.125以下[31]。添加纳米SiO2、SiC、Si3N4 、ZrO2 以及Al2O3可有效提高PEEK与钢对磨时的摩擦磨损性能。1986年推出为在高温场合使用而开发的HX-滑动轴承材料(DX材料的变种)即为PEEK复合材料。

1.4 聚甲醛材料

聚甲醛是柔性链的线型高结晶聚合物,结晶度通常为70%~80%。聚甲醛的分子主链中C-O键能比C-C键能大,键长短,这样,聚甲醛沿分子链方向原子密度大。由于其结晶度高,键能大,分子的内聚能高,不易向对磨面转移,故有良好的耐磨性和高强度,在摩擦载荷下不易失效。聚甲醛的摩擦系数和磨损量小,极限PV值大,适用于长期经受滑动的部位。另外聚甲醛具有和铝合金相近的表面硬度,且在动态摩擦部位使用时,无噪音自润滑效果优于其它塑料。

往往通过添加PTFE、二硫化钼、石墨、铅粉等以进一步降低POM的摩擦因数,其中以添加PTFE效果良好[37],POM+20%(质量分数)PTFE已经实现商品化。POM–20% PTFE的稳态磨损率主要与对磨钢表面粗糙度和跑合过程中的转移膜特性有关。

将LDPE和POM共混制备POM/LDPE共混物,其摩擦磨损性能得到提高。当LDPE含量为10%时,POM/LDPE共混物的摩擦系数从纯POM的0.30降低到共混物的0.13,磨痕宽度从POM的4.44 mm下降为3.94 mm。在摩擦过程中POM/LDPE共混物中的LDPE向钢环转移形成磨屑,隔离两摩擦面的接触,起到减摩耐磨剂的作用,降低POM树脂摩擦系数,提高POM的耐磨损性能。

用模压方法制得聚苯酯/石墨/聚甲醛(Ekonol/G/POM)复合材料可改善聚甲醛的摩擦学性能,适量加入Ekonol能改善POM的摩擦磨损性能;Ekonol加入量的多少,直接影响着复合材料的磨损机理,随着其含量的增加,磨损机理发生由粘着磨损到疲劳磨损的转变。

POM是早用作齿轮的工程塑料之一,被用来替代有色金属及合金而广泛应用于机械制造、汽车、电子电器工业、各种精密机械和五金建材等行业中承担动力传动传导的零部件。

聚甲醛覆面三层复合材料(DX材料)是把球形铜粉烧结到钢板上,再在其上复合聚甲醛自润滑材料(包括聚甲醛、含油聚甲醛、填充聚甲醛等)。DX材料不仅有效地解决了摩擦热的散发问题,而且它的抗磨减摩特性和极限PV值得到很大改善。将钢板一铜粉一改性聚甲醛三层复合材料应用于水工闸门支承滑道,从摩擦系数、磨损率、吸水率等指标均低于闸门滑道其它材料,使用寿命大大提高。

1.5 聚苯硫醚材料

PPS分子链由苯环与对位硫原子交替联接,结构对称规整,易于结晶,通常结晶度高达65%~70%,苯环和硫原子上的电子形成“共轭体系”,增强主链刚性,该结构使PPS具有优良的耐热性、化学性、力学性能和电性能。

PPS高温稳定性优异,在204~246℃下暴露9500 h后拉伸强度不变,PPS连续使用温度达240℃,与PTFE相近。PPS的耐化学腐蚀性极好,仅次于PTFE,耐强氧化性酸,耐200℃以下的有机溶剂、无机酸、有机酸及碱。

PPS中添加35 vol%的CuS可以显著降低其磨损率[42]。添加浓缩铜(CC)PPS复合物稳态磨损率低可达0.0030mm3/k,此时复合物为PPS+20%CC+15%PTFE,比未填充的PPS磨损率低两个数量级,CC主要成分为为CuS、FexOy、SiO2、Al2O3。

美国RTP公司RTP1300系列产品为添加玻璃纤维和PTFE的PPS复合材料,制得的可置换泵体在110℃工作温度时具有较低的翘曲、蠕变性、吸水性和较高的耐磨性能。新推出医用要求的工业化改性聚苯硫醚(PPS)RTP1400系列产品,具有强度高、尺寸稳定性、电绝缘性和导热性好,可取代日前通用的金属铝。RTP1400产品热稳定性比一般PPS高一倍,而同时仍保持优良的电绝缘性,热变形温度(1.84 MPa下)为204.4℃,能适应在加热釜反复加热消毒的要求。

1.6 超高分子量聚乙烯材料

UHMWPE是一类具有超常摩擦学性质的独特高分子材料。比起大多数工程塑料,它的耐滑动磨损能力和凹口抗冲击强度都是少有的。UHMWPE集耐磨性,高粘性,摩擦因数低等特点于一身,属于非粘性基材表面的自润滑材料[44]。和同类高分子润滑材料如PEEK,PE,PS等相比较,UHMWPE都具有更好的耐磨性能。

在Si表面及Si改性基材表面涂层的摩擦学性能研究中发现,UHMWPE是一类潜力极大的薄膜材料。当UHMWPE用于钢材或Al基材表面涂层时,能很大地提高这些金属材料的使用寿命,摩擦系数在0.12~0.2范围之间。利用碳纳米管制备的纳米UHMWPE复合材料在机械性能和摩擦学性能上有着很大的提高,如硬度大,耐磨性、抗划伤能力强,与SiN的对磨过程中摩擦系数有一定的增强。


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