不同硬质增强填料对PTFE性能的影响

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.08.003

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (8): 13-19.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.08.003

不同硬质增强填料对PTFE性能的影响

李红波(), 杨睿, 苏正涛()

中国航发北京航空材料研究院，减振降噪材料及应用技术重点实验室，北京 100095

收稿日期:2023-03-15 出版日期:2023-08-26 发布日期:2023-08-21
通讯作者: 苏正涛（1970—），男，研究员，从事特种橡塑材料研究，ztsu@263.net
E-mail:18801329406@163.com;ztsu@263.net
作者简介:李红波（1994—），男，工程师，从事高功能橡胶与密封材料研究，18801329406@163.com

Effect of different rigid reinforcing fillers on properties of PTFE

LI Hongbo(), YANG Rui, SU Zhengtao()

Key Laboratory of Vibration and Noise Reduction Materials and Application Technology，AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China

Received:2023-03-15 Online:2023-08-26 Published:2023-08-21
Contact: SU Zhengtao E-mail:18801329406@163.com;ztsu@263.net

摘要/Abstract

摘要：

分别以体积分数均为25 %的碳纤维（CF）、硅灰石纤维（WF）、聚酰亚胺（PI）、聚苯酯（POB）、铜粉（Cu）5种硬质填料对聚四氟乙烯（PTFE）进行改性，对比研究了不同填料对PTFE力学性能、蠕变性能、导热性能和摩擦学性能的影响，并对试样磨痕表面微观形貌进行分析，探讨了硬质增强填料提升PTFE耐磨损性能的机理。结果表明，5种硬质填料均可明显提高PTFE的硬度和压缩强度，改善蠕变性能和导热性能，但会降低拉强度和断裂伸长率。其中，CF改性PTFE的拉伸强度和压缩强度最高、抗蠕变性能最好，而Cu改性PTFE的硬度最大、导热性能最好。在摩擦过程中，由于填料会在磨痕界面逐渐富集，改性PTFE的耐磨损性能会得到显著提高，3种无机填料会使PTFE的摩擦因数增大，但是聚合物填料PI、POB则反而使得PTFE的摩擦因数略有降低。POB改性的PTFE摩擦因数仅为0.19，体积磨损率约为4.21×10^-6 mm³/（N·m），耐磨损性能比纯PTFE提升了260倍，摩擦学性能最为突出。

关键词: 聚四氟乙烯, 填料改性, 增强纤维, 摩擦学性能, 力学性能

Abstract:

Five types of polytetrafluoroethylene （PTFE）⁃based composites with carbon fiber （CF）， wollastonite fiber （WF）， polyimide （PI）， polyoxybenzoyl （POB） and copper powder （Cu） at a volume fraction of 25 vol% were prepared. The effects of different fillers on the mechanical properties， creep properties， thermal conductivity and tribological performance of the composites were comparatively investigated. The micro⁃morphology of the worn surface of the composites was analyzed， and their wear⁃resistant mechanism was discussed. The results indicated that the hardness and compressive strength of PTFE were significantly enhanced by the five types of rigid fillers， its creep was reduced， and its thermal conductance was improved. However， the tensile strength and elongation at break of PTFE were greatly reduced. The CF⁃modified PTFE composite exhibited the highest tensile and compressive strength and the best creep resistance. Meanwhile， the Cu⁃modified PTFE composite presented the highest hardness and the best thermal conductance. The modified PTFE obtained a considerably improvement in wear resistance due to the enrichment of the rigid fillers at the wear scar interface. The three types of inorganic fillers increased the friction coefficient of PTFE， whereas the two types of polymer fillers， PI and POB， reduced its friction coefficient slightly. The POB⁃modified PTFE composite presented the best tribological performance with a friction coefficient of only 0.19 and a volume wear rate of around 4.21×10^-6 mm³/（N·m）. Its wear resistance was 260 times higher than that of pure PTFE.

Key words: polytetrafluoroethylene, filler modification, reinforcing fiber, tribological performance, mechanical property

中图分类号:

TQ325.4

李红波, 杨睿, 苏正涛. 不同硬质增强填料对PTFE性能的影响[J]. 中国塑料, 2023, 37(8): 13-19.

LI Hongbo, YANG Rui, SU Zhengtao. Effect of different rigid reinforcing fillers on properties of PTFE[J]. China Plastics, 2023, 37(8): 13-19.

图/表 9

图1 填料的微观形貌

Fig.1 Micromorphology of the fillers

图2 不同填料对PTFE拉伸强度和断裂伸长率的影响

Fig.2 Effect of different fillers on tensile strength and elongation at break of PTFE

图3 PTFE及不同填料填充PTFE的拉伸断口形貌

Fig.3 Tensile fracture morphology of neat PTFE and those filled with different fillers

材料	1 %压缩强度/MPa	5 %压缩强度/MPa	10 %压缩强度/MPa	硬度/度
PTFE	2.66	10.51	13.87	57
PTFE/Cu	8.06	18.22	21.84	73
PTFE/POB	3.86	13.21	15.34	59
PTFE/PI	4.99	14.58	18.69	63
PTFE/CF	8.78	18.88	22.05	70
PTFE/WF	8.47	15.95	16.44	67

表1 不同填料填充PTFE的压缩强度及硬度

Tab.1 Compressive strength and hardness of PTFE filled with different fillers

温度/℃	30		150
性能	蠕变变形/%	全变形/%	蠕变变形/%	全变形/%
PTFE	6.09	12.21	21.77	29.07
PTFE/Cu	2.50	5.77	15.50	22.63
PTFE/PI	2.28	5.95	14.41	21.24
PTFE/POB	3.34	7.09	20.82	28.26
PTFE/CF	1.74	5.43	7.97	14.51
PTFE/WF	2.52	6.10	14.64	22.45

表2 不同填料填充PTFE的蠕变性能

Tab.2 Creep properties of PTFE filled with different fillers

图4 增强填料对PTFE导热性能的影响

Fig.4 Effect of reinforcing fillers on the thermal conductivity of PTFE

图5 不同填料对PTFE摩擦因数与体积磨损率的影响

Fig.5 Effect of different fillers on friction factor and volume wear rate of PTFE

图6 摩擦试样磨痕表面微观形貌

Fig.6 Micromorphology of worn surfaces of the friction samples

图7 纤维在PTFE磨痕表面富集过程示意图

Fig.7 Schematic diagram of fiber enrichment process on PTFE wear mark surfaces

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