李聲耀，趙志，劉成駿，張英偉，胡天輝

(1.株洲時代工程塑料科技有限責(zé)任公司，湖南株洲 412007；2.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083)

水潤滑軸承是一種以水為潤滑介質(zhì)的軸承，由于其具備無污染、散熱快等優(yōu)點，在各類艦船中得到了廣泛應(yīng)用。早期的水潤滑軸承以天然的鐵梨木作為材料，隨著耐磨材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，多種耐磨高分子復(fù)合材料成為水潤滑軸承更合適的選擇。如超高分子量聚乙烯/丁腈橡膠復(fù)合材料、聚氨酯復(fù)合材料、酚醛樹脂/纖維復(fù)合材料、環(huán)氧樹脂/纖維復(fù)合材料、改性聚酰胺(PA)材料等[1-4]。其中PA 材料因其親水性好、摩擦系數(shù)穩(wěn)定等特性使軸承在水潤滑條件下具備更小的震動和更平穩(wěn)的運(yùn)行性。但相比其它熱固性材料，PA 吸水率較高、尺寸穩(wěn)定性一般，不利于軸承和軸的長期精密配合；另外，PA 材料的壓縮強(qiáng)度一般，承載能力不及熱固性材料。因此，PA 材料在水潤滑軸承中的應(yīng)用還十分有限。

在PA 材料中，長碳鏈PA 因其酰胺鍵密度較低而具備更低的吸水率和更好的尺寸穩(wěn)定性。過去，商品化的長碳鏈PA 主要為PA11，PA12 等，為國外壟斷的材料，因此對PA 材料耐磨改性的相關(guān)研究主要集中在單體澆注PA (MCPA)[5]，PA6[6-7]或PA66[8-10]等常見PA 材料中，且對材料的尺寸穩(wěn)定性和壓縮性能表征鮮有提及。近年來以長鏈二元酸、胺為原料的PA 逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化，PA1012 就是一種從原料到聚合物都實現(xiàn)國內(nèi)自主生產(chǎn)的長碳鏈PA材料。筆者以PA1012 為基體樹脂，使用聚四氟乙烯(PTFE)為固體潤滑劑，制備了一系列不同PTFE添加量的耐磨改性PA1012 復(fù)合材料，并進(jìn)一步添加短切玻纖(GF)以改善復(fù)合材料力學(xué)性能。通過摩擦磨損性能、線膨脹系數(shù)、壓縮強(qiáng)度等測試表征了耐磨改性PA1012 復(fù)合材料的性能，為長碳鏈PA 材料作為水潤滑耐磨材料的可行性提供數(shù)據(jù)參考。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

PA1012 樹脂：B150，山東廣垠新材料有限公司；

PA6 樹脂：YH2400，中石化巴陵石油化工有限公司；

PTFE 粉末：L-5，大金氟化工(中國)有限公司；

短切GF：直徑13 μm，泰安浩松纖維有限公司。

1.2 主要設(shè)備與儀器

雙螺桿擠出機(jī)：SHJ-35 型，南京富亞橡塑機(jī)械制造有限公司；

注塑機(jī)：MA1200 型，海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司；

微機(jī)控制電子試驗機(jī)：Zwick Z020 型，德國Zwick Roell 公司；

塑料擺錘沖擊試驗機(jī)：501J 型，深圳萬測試驗設(shè)備有限公司；

動態(tài)粘彈譜儀：GABO EPLEXOR 500N 型，德國耐馳公司；

摩擦磨損試驗機(jī)：MMS-2A 型，濟(jì)南思達(dá)測試技術(shù)有限公司；

顯微鏡：SVM2515 型，長沙雙鑫測量技術(shù)有限公司。

1.3 樣品制備

將原材料按表1 配方稱量混合均勻后，通過主喂料口加入雙螺桿擠出機(jī)共混造粒，擠出機(jī)從一區(qū)至機(jī)頭的溫度分別為210，215，210，220，220，225，225，230，240℃，主機(jī)轉(zhuǎn)速為250 r/min。

表1 耐磨改性PA1012 復(fù)合材料配方 %

1#～5#試樣為PA1012 和PTFE 共混材料，PTFE 添加量依次提高。6#～9#試樣是在3#試樣的基礎(chǔ)上添加短切GF，其添加量依次提高。另外，為了對比長碳鏈PA 與普通PA 的吸水率和線膨脹系數(shù)，還制備了10#試樣和11#試樣，其中，10#試樣是純PA6 樹脂，11#試樣是將8#試樣中的PA1012 替換為PA6，固體潤滑劑PTFE和短切GF添加量一致。

共混后的塑料粒子在120℃下干燥4 h，使用注塑機(jī)注射成型各測試所需樣條，1#～9#試樣的進(jìn)料段、壓縮段、計量段及噴嘴溫度依次為180，185，190，200℃，10#，11#試樣進(jìn)料段、壓縮段、計量段及噴嘴溫度依次為215，220，225，235℃。注射壓力為5.5 MPa、保壓壓力為4.5 MPa，模具無油溫控制。

1.4 性能測試

摩擦磨損性能按照GB/T 3960-2016 測試，樣條尺寸為6 mm×7 mm×30 mm，測試負(fù)荷為196 N，轉(zhuǎn)速為200 r/min，取3 次測試結(jié)果的平均值。其中，按照GB/T 3960-2016 得出的材料磨損結(jié)果為質(zhì)量磨損，由于各試樣材料密度不同，選擇以磨損率對比材料的磨損情況，所述磨損率的計算方法是材料的質(zhì)量磨損除以摩擦樣條的初始質(zhì)量。

線膨脹系數(shù)按照ISO 11359-2：1999 測試，樣條尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，測試溫度為0～80℃，取3 次測試結(jié)果的平均值。

吸水率按照GB/T 1034-2008 測試，樣條尺寸為60 mm×60 mm×2 mm，測試溫度為23℃，時間為72 h，取3 次測試結(jié)果的平均值。

壓縮性能按照GB/T 1041-2008 測試，樣條尺寸為10 mm×10 mm×4 mm，壓縮速率為1 mm/min，取5 次測試結(jié)果的平均值。

拉伸性能按照GB/T 1040.2-2006 測試，啞鈴型樣條，拉伸速率為50 mm/min，取5 次測試結(jié)果的平均值。

彎曲性能按照GB/T 9341-2008 測試，樣條尺寸為80 mm×10 mm×4 mm，彎曲速率為2 mm/min，取5 次測試結(jié)果的平均值。

簡支梁無缺口、缺口沖擊強(qiáng)度按照GB/T 1043-2008 測試，樣條尺寸為80 mm×10 mm×4 mm，擺錘能量為7.5 J，取5 次測試結(jié)果的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 PTFE 改性PA1012 復(fù)合材料的摩擦磨損性能及力學(xué)性能

(1)摩擦磨損性能。

不同PTFE 添加量PA1012 復(fù)合材料(1#～5#試樣)的摩擦磨損性能如圖1 所示。

圖1 不同PTFE 添加量PA1012 復(fù)合材料的摩擦磨損性能

由圖1 可知，隨著PTFE 添加量的增加，PTFE改性PA1012 復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率整體呈下降趨勢。當(dāng)添加PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%和5%時，PTFE 改性PA1012 復(fù)合材料(1#，2#試樣)的摩擦系數(shù)較高，同時磨損率高出添加PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～20%的復(fù)合材料(3#～5#試樣)約兩個數(shù)量級。這主要是因為PA1012 的熔點較低，當(dāng)固體潤滑劑PTFE 添加較少時，復(fù)合材料與對磨鋼環(huán)以粘著磨損為主，而摩擦生熱不斷積累使材料軟化變黏，進(jìn)一步增加復(fù)合材料的摩擦系數(shù)，最終使復(fù)合材料熔融而快速磨損。

不同PTFE 添加量PA1012 復(fù)合材料(1#～5#試樣)經(jīng)過摩擦試驗后表面形貌的顯微鏡照片如圖2所示。

由圖2 可以看出，磨損率較大的PTFE 改性PA1012 復(fù)合材料(1#，2#試樣)表面存在熔融狀態(tài)下被對磨鋼環(huán)剪切的痕跡。而磨損率較小的復(fù)合材料(3#～5#試樣)在表面有典型的犁溝效應(yīng)產(chǎn)生的溝槽、凹坑，反映了復(fù)合材料在摩擦?xí)r以磨粒磨損為主[11-13]。當(dāng)添加PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～20%之間時，雖然復(fù)合材料的摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低，但磨損率卻不斷增加。這是由于PTFE 在材料摩擦過程中以形成轉(zhuǎn)移膜的形式降低材料的摩擦系數(shù)，而PTFE自身的表面能較低，容易在摩擦過程中被對磨物帶走，隨著PTFE 含量增加，被帶走的PTFE 增加，導(dǎo)致磨損率反而增大。

圖2 不同PTFE 添加量PA1012 復(fù)合材料摩擦后表面形貌的顯微鏡照片

(2)壓縮性能。

壓縮性能是判斷材料承載能力的指標(biāo)之一，不同PTFE 添加量的PA1012 復(fù)合材料(1#～5#試樣)的壓縮性能如圖3 所示。

圖3 不同PTFE 添加量PA102 復(fù)合材料的壓縮性能

由圖3 可以發(fā)現(xiàn)，不同PTFE 添加量PA1012復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度沒有顯著變化，都在59～65 MPa 范圍內(nèi)，且純PA1012 樹脂(1#試樣)的壓縮強(qiáng)度最高。這是因為PTFE 作為固體潤滑劑以微小顆粒分散在PA1012 基體中，而PTFE 材料通常需要高溫高壓下燒結(jié)為連續(xù)相結(jié)構(gòu)才能表現(xiàn)出力學(xué)強(qiáng)度，因此隨著PTFE 添加量提升，復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度整體是下降的。隨著PTFE 添加量的增加，復(fù)合材料的壓縮彈性模量有一定提升，但添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10%后，壓縮彈性模量又開始下降，壓縮彈性模量的范圍在600～850 MPa 之間。不同PTFE 添加量PA1012 復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量相比熱固性軸承材料有較大差距。

(3)其它力學(xué)性能。

作為軸承材料，除了摩擦磨損性能和承載能力外，還需要保證其它常規(guī)力學(xué)性能要求。不同PTFE添加量PA1012 復(fù)合材料(1#～5#試樣)的拉伸、彎曲及沖擊性能見表2。

表2 不同PTFE 添加量PA1012 復(fù)合材料的拉伸、彎曲及沖擊性能

由表2 可知，隨著PTFE 添加量的增加，PTFE改性PA1012 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度整體呈下降趨勢，但拉伸彈性模量、彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量沒有顯著變化，試樣無缺口時由于未沖斷，無法得到其沖擊強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

綜上所述，當(dāng)添加PTFE 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥10%時，PTFE 改性PA1012 復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率得到顯著改善，繼續(xù)增加PTFE 用量，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低，同時壓縮彈性模量、拉伸強(qiáng)度也會進(jìn)一步降低，綜合性能變差。其中，綜合性能較好的3#試樣的壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量依然較低，還需進(jìn)一步改性增強(qiáng)。

2.2 PTFE/短切GF 改性PA1012 復(fù)合材料的摩擦磨損性能及力學(xué)性能

(1)摩擦磨損性能。

3#，6#～9#試樣為固定添加PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、短切GF 添加量依次提高的PA1012 復(fù)合材料，其摩擦系數(shù)和磨損率如圖4 所示。

由圖4 可以看出，隨著短切GF 添加量的增加，PTFE/短切GF 改性PA1012 復(fù)合材料的摩擦系數(shù)小幅下降，但當(dāng)短切GF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%時，其又開始上升，特別是短切GF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從15%提高至20%時，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)大幅提高，同時磨損率也大幅增加。這可能是由于短切GF 添加量較低時，短切GF 降低了摩擦過程中材料與對磨鋼環(huán)的實際接觸面積，使摩擦系數(shù)下降[14]。而當(dāng)短切GF 添加量達(dá)到一定值后，基體樹脂PA1012 對短切GF 的包裹能力不足，短切GF 容易在摩擦中折斷并在摩擦處積累，使摩擦系數(shù)和磨損率提高。

圖4 添加PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時不同短切GF 添加量PA1012復(fù)合材料的摩擦和磨損性能

添加PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時，不同短切GF 添加量PA1012 復(fù)合材料的表面形貌的顯微鏡照片如圖5 所示。

圖5 添加PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時不同短切GF 添加量PA1012復(fù)合材料的表面形貌的顯微鏡照片

對比圖5a 與圖5b 可以發(fā)現(xiàn)，添加短切GF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的9#試樣表面出現(xiàn)了寬度較大的溝痕，與一般的固體潤滑劑在材料表面形成的溝痕不同，這是硬度和尺寸都較大的短切GF 碎屑對材料表面不斷刮擦導(dǎo)致的。

(2)壓縮性能。

添加PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時，不同短切GF 添加量PA1012 復(fù)合材料的壓縮性能如圖6 所示。

圖6 添加PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時不同短切GF 添加量PA1012復(fù)合材料的壓縮性能

由圖6 可以看出，隨著短切GF 添加量的提高，PTFE/短切GF 改性PA1012 復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量都顯著提高，當(dāng)添加短切GF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時，相比只添加PTFE 的3#試樣，壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量分別提升53%和85%。相比微顆粒狀態(tài)的PTFE，短切GF 與PA1012 有更強(qiáng)的結(jié)合力，在材料被壓縮時，能有效抵抗材料在與被壓方向垂直方向的變形趨勢，最終表現(xiàn)為壓縮性能提高。

(3)其它力學(xué)性能。

添加PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時，不同短切GF 添加量PA1012 復(fù)合材料的拉伸、彎曲及沖擊性能見表3。

表3 添加PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時不同短切GF 添加量PA1012復(fù)合材料的拉伸、彎曲及沖擊性能

由表3 可以看出，隨著短切GF 添加量的提高，PTFE/短切GF 改性PA1012 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量及彎曲性能顯著提高，但斷裂伸長率降低，而簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。這是由于短切GF 含量較低時，短切GF 的增強(qiáng)效果不明顯，不足以抵消其帶來的應(yīng)力集中，因此簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度反而降低。試樣無缺口時，3#，8#，9#試樣由于未沖斷，無法得到其沖擊強(qiáng)度數(shù)據(jù)，6#，7#試樣的簡支梁無缺口沖擊強(qiáng)度分別為59.6，69.8 kJ/m2.

綜上所述，添加PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時，隨著短切GF 添加量的提高，PTFE/短切GF 改性PA1012 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量、壓縮及彎曲性能顯著提高，但材料的簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢；當(dāng)添加短切GF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)由15%提高到20%時，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率都得到顯著提升。

2.3 復(fù)合材料的吸水率及線膨脹系數(shù)

尺寸穩(wěn)定性也是水潤滑使用工況十分重要的指標(biāo)。不同填料含量的PA1012 和PA6 復(fù)合材料(1#，3#，5#，8#，10#，11#試樣)的吸水率及線膨脹系數(shù)見表4。

表4 不同填料含量的PA1012 和PA6 復(fù)合材料的吸水率及線膨脹系數(shù)

由表4 可以看出，純PA1012 樹脂(1#試樣)的吸水率顯著低于純PA6 樹脂(10#試樣)，因為PA分子鏈上酰胺鍵與水的氫鍵作用是其具有吸水性的主要原因[15]，而PA1012 的酰胺鍵密度遠(yuǎn)低于PA6，因此吸水率存在明顯差異。當(dāng)復(fù)合材料中PTFE 的添加量增加時，由于PTFE 親水性很低，復(fù)合材料(1#，3#，5#試樣)的吸水率逐漸下降。對比3#和8#試樣可知，增加短切GF 也會進(jìn)一步降低復(fù)合材料的吸水率。但如果以PA6 為基體樹脂，經(jīng)過質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的PTFE 及15%的短切GF 共同改性，復(fù)合材料(11#試樣)的吸水率依然較高。

由表4 還可以看出，純PA1012 樹脂(1#試樣)的線膨脹系數(shù)在0～40℃和40～80℃兩個溫度段都高于純PA6 樹脂(10#試樣)。因為PA1012 的酰胺鍵密度低于PA6，進(jìn)一步導(dǎo)致PA1012 分子鏈之間的氫鍵作用和結(jié)晶度都較低，在受熱時分子鏈運(yùn)動更不受約束，線膨脹系數(shù)增大。而PTFE 自身的線膨脹系數(shù)較大，且會破壞基體樹脂的規(guī)整性，因此隨著PTFE 添加量的增加，復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)進(jìn)一步增大。短切GF 有利于束縛材料受熱時的分子運(yùn)動，可以有效降低復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)[16]。對比相同短切GF 和PTFE 添加量的8#，11#試樣可知，其線膨脹系數(shù)差距已經(jīng)很小。

3 結(jié)論

(1)純PA1012 的耐磨性差，在摩擦過程中因熱量累積熔融磨損嚴(yán)重，添加固體潤滑劑PTFE 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥10%時，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率顯著降低，摩擦以磨粒磨損為主，進(jìn)一步提高PTFE 的用量，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)降低，但磨損率增加。

(2)固體潤滑劑PTFE 的添加對PA1012 的壓縮強(qiáng)度影響很小，但添加PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%后，復(fù)合材料的壓縮彈性模量下降明顯，拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度隨著PTFE 的添加量增加整體呈下降趨勢。

(3)固定添加PTFE 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，添加短切GF 增強(qiáng)復(fù)合材料，材料的壓縮性能、拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量及彎曲性能都顯著提高，而簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，當(dāng)添加短切GF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從15%提高至20%時，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率都顯著升高。

(4)純PA1012 樹脂的吸水率顯著低于純PA6樹脂，PTFE 和短切GF 的添加可以進(jìn)一步降低復(fù)合材料的吸水率；在0～40℃和40～80℃兩個溫度段，純PA1012 樹脂的線膨脹系數(shù)都大于純PA6 樹脂，PTFE 的添加使復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)增大，短切GF 的添加使材料的線膨脹系數(shù)減小。

(5)綜合摩擦磨損性能、力學(xué)性能、吸水率和線膨脹系數(shù)，當(dāng)PA1012，PTFE 與短切GF 質(zhì)量比為75∶10∶15 時，復(fù)合材料的綜合性能較好，可作為水潤滑耐磨材料使用。