中國粉體網(wǎng)訊  聚四氟乙烯(PTFE)含有強的氟碳鍵，具有良好的化學穩(wěn)定性、耐高溫性、絕緣性、自潤滑性和不粘附等特性。作為摩擦/磨損高分子聚合物材料，PTFE在航天、醫(yī)療、建筑設備制造等領域被廣泛用作電源和信號線的絕緣層，耐腐/耐磨薄膜、管板棒、軸承、墊圈、閥門及化工管道、管件、設備容器襯里等。

但是，未經(jīng)改性的PTFE具有硬度較低且磨損量較大、導熱率低且線膨脹系數(shù)較大、易冷流且抗蠕變性不佳等不足，一定程度制約并影響了它的應用領域和使用效能。

為了改善PTFE的性能缺陷，通常需要通過填充或共混的方法對其進行改性。改性后的PTFE性能大大提高，將其與彈性體復合制備出的組合式密封件，能夠適應飛行器液壓與氣動系統(tǒng)中高溫、高壓、高載荷、高轉速的苛刻工況。

材料磨損是密封裝置常見的失效模式之一。針對PTFE耐磨性差的特點，通過加入適量能提升材料抗變形能力的增強填料(如纖維、硬質金屬粉末)或者能改變材料界面特性的潤滑填料均可以顯著提升其耐磨性。針狀硅灰石(Wollastonite)是一種纖維狀的硅酸鹽礦物，耐高溫性能優(yōu)越，熱膨脹系數(shù)小，無毒無味且耐化學藥品腐蝕，在橡塑改性中常作為增強或耐磨填料來使用，具有明顯的性能優(yōu)勢與成本優(yōu)勢。

PTFE材質墊圈 圖片來源：無錫市祥健四氟制品有限公司

1硅灰石填充改性PTFE提高材料摩擦性能

案例1

李紅波等以針狀的硅灰石和鱗片石墨為填料，采用冷壓—燒結工藝制備了不同填料含量的PTFE復合材料，考察了復合材料的摩擦磨損性能，并利用掃描電子顯微鏡對磨痕和轉移膜進行了分析。

結果表明，單獨填充硅灰石和石墨時，PTFE的磨損率都會隨填料含量的增加而降低，硅灰石的作用要強于石墨；但硅灰石會使PTFE的摩擦因數(shù)明顯增大，而石墨會使PTFE的摩擦因數(shù)降低。兩種填料提升PTFE耐磨性的作用機理不同，硅灰石在摩擦過程中會在滑動界面區(qū)域上逐漸堆積，起到優(yōu)先承擔載荷的作用，而石墨在摩擦過程中會發(fā)生片層的滑移與剝離，有助于轉移膜的形成。適量的硅灰石(含量為20%)與石墨(含量為5%或10%)復合填充能產(chǎn)生協(xié)同效應，使PTFE的磨損率進一步降低，耐磨性比未填充的PTFE提高200倍。

PTFE及填料的微觀形貌

案例2

王志丹等選擇針狀硅灰石(Wo)和碳纖維(CF)作為協(xié)同改性劑，制備聚四氟乙烯(PTFE)復合材料，并對改性復合材料的力學性能、熱力學性能和耐磨損性能進行測試。

其中，摩擦性能實驗結果表明：

干摩擦實驗中，20%Wo對PTFE的改善效果最好，平均摩擦系數(shù)由0.241降至0.179；體積磨損率由853×10^-4mm³/(N·m)降至0.71×10^-4mm³/(N·m);

濕摩擦實驗中，10%Wo與10%CF對PTFE的改善效果最好，平均摩擦系數(shù)由0.161降至0.112；體積磨損率由511×10^-4mm³/(N·m)降至5.34×10^-4mm³/(N·m)。比較干濕兩種場景，PTFE+10%Wo+10%CF的耐磨損性能最好。

案例3

吳迪等將機械力化學改性后的凹凸棒石和硅灰石粉體添加到聚四氟乙烯(PTFE)中，通過機械攪拌、冷壓燒結制成礦物/聚合物復合材料，并對復合材料的理化性能及其摩擦磨損特征進行了研究。

其中摩擦磨損結果表明，PTFE復合材料的摩擦系數(shù)較未添加礦物粉末的PTFE略微升高，但摩擦量顯著降低；同時含有凹凸棒石與硅灰石的PTFE復合材料，在高載荷(200N)和中低轉速(0.21m/s)工況環(huán)境下具有很低的磨損量和較低的摩擦系數(shù)。研究認為，與PTFE復合材料對磨的鋼環(huán)表面，形成了含有礦物粉體組分的不連續(xù)轉移潤滑膜和氧化膜，有效改善了PTFE復合材料與對偶金屬摩擦副摩擦界面的自適應性，進而有效減弱了鋼環(huán)對PTFE復合材料的表面磨損。

硅灰石填充ＰＴＦＥ的磨痕及轉移膜

2硅灰石提高PTFE摩擦性能的機理

2.1優(yōu)先承擔載荷

硅灰石在摩擦過程中會在滑動界面區(qū)域上逐漸堆積，起到優(yōu)先承擔載荷的作用。當硅灰石表面接觸壓力增加后，會因為PTFE的“冷流”作用陷入到樹脂基體內部，這個過程的不斷循環(huán)將導致接近滑動界面區(qū)域上的填料堆積。硅灰石含量越大，填料堆積就越迅速，摩擦因數(shù)也更大。

2.2形成潤滑膜和氧化膜

摩擦界面形成了含有硅灰石礦物粉體組分的不連續(xù)轉移潤滑膜和氧化膜，膜層有效改善了PTFE復合材料與摩擦界面的自適應性。

結語

在硅灰石與其他碳基填料的協(xié)同作用下，PTFE不僅摩擦性能得到顯著提升，其斷裂伸長率、抗蠕變性能、洛氏硬度等都可以得到大幅度增強。總體而言，硅灰石填充改性塑料制品，相較大部分無機粉體而言，有明顯的功能化、多元化優(yōu)勢以及較強的高值化潛力。

參考來源

王志丹，等：針狀硅灰石/碳纖維協(xié)同作用對PTFE性能的影響，鄭州工業(yè)應用技術學院建筑工程學院

李紅波，等：硅灰石與石墨對聚四氟乙烯摩擦磨損性能的影響，中國航發(fā)北京航空材料研究院

吳迪，等：凹凸棒石–硅灰石/PTFE復合材料摩擦磨損性能及其機理，中國地質大學