聚四氟乙烯纳米复合材料的制备及其力学和摩擦学性能

聚四氟乙烯纳米复合材料的制备及其力学和摩擦学性能
汪海风;徐意;申乾宏;樊先平;罗仲宽;杨辉
【摘要】以添加表面活性剂的水为溶剂，采用溶剂混合法制备纳米 Al2 O3填充聚四氟乙烯（PTFE）复合材料，研究其力学性能和摩擦学性能，并与乙醇中分别制备纳米 Al2 O3填充 PTFE 复合材料进行比较。

结果表明：在相同 Al2 O3填充比例下，水中制备的复合材料的拉伸强度和硬度要低于乙醇中制备的复合材料，而断裂伸长率却要高于乙醇中制备的复合材料。

在200 N 和干摩擦条件下，当纳米Al2 O3质量分数为1％～5％时，水中制备的复合材料的磨耗量要低于乙醇中制备的复合材料，并较纯 PTFE 磨耗量下降了1～2个数量级；且水中制备的复合材料的摩擦因数也要低于乙醇中制备的复合材料。

复合材料磨痕处 SEM显示复合材料的磨损机制为黏着磨损和磨粒磨损。

%Nanometer Al2 O3 filled PTFE composites were prepared in water containing surfactant and in ethanol,and their mechanical and tribological properties were investigated,respectively.The results show that the composites prepared in water exhibit lower tensile strength,lower hardness and higher elongation at break than that of composites prepared in ethanol at the same Al2 O3 contents.Under dry sliding condition of 200 N,the wear mass loss of the composites prepared in water,1 ~2 orders of magnitude lower than that of pure PTFE,is lower than that of the composites prepared in ethanol with Al2 O3 content in 1% ~5 %,and the friction coefficient of the composites prepared in water is also lower than that of the composites prepared in ethanol.The SEManalysis of the worn surfaces of the composites shows the wear mechanism of PT-FE composites is adhesive wear and abrasive wear.
【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2013(000)010
【总页数】4页(P21-24)
【关键词】聚四氟乙烯;纳米Al2O3;拉伸强度;断裂伸长率;磨耗量;摩擦因数
【作者】汪海风;徐意;申乾宏;樊先平;罗仲宽;杨辉
【作者单位】浙江大学浙江加州国际纳米技术研究院浙江杭州 310029;浙江大学
浙江加州国际纳米技术研究院浙江杭州 310029;浙江大学材料科学与工程学系浙江杭州 310027;浙江大学材料科学与工程学系浙江杭州 310027;浙江大学材料科
学与工程学系浙江杭州 310027;浙江大学浙江加州国际纳米技术研究院浙江杭州310029; 浙江大学材料科学与工程学系浙江杭州 310027
【正文语种】中文
【中图分类】TH117.1
聚四氟乙烯 (PTFE)具有优异的耐高低温、耐腐蚀、耐老化、不黏等性能，已广泛
应用于航空航天、石油化工、机械电子等领域。

然而，纯PTFE存在着耐磨损性能差、蠕变大、硬度低、尺寸稳定性差等缺陷，使其应用范围受到了一定限制［1］。

近年来，为了扩大PTFE应用领域，人们开始通过填充纳米粒子来提高其性能［2
－8］，但由于纳米粒子易团聚且与PTFE相容性不好，以及PTFE在搅拌中易结
团等原因，使得高性能PTFE纳米复合材料的制备尤为困难［2－8］。

目前用于混合PTFE和纳米粒子的方法包括干混、溶剂混和湿混，它们都存在缺陷，如干混操作简单，但不易混合均匀，尽管目前常借助气流破碎机来打破PTFE结团，促使两
相混合均匀，但这样会导致纳米粒子丢失严重［4－6］;溶剂混能避免PTFE结团，有利于其与纳米粒子混合均匀，但需使用有机溶剂，如丙酮、甲醇、乙醇等，因而存在环境污染及易燃易爆等风险;湿混不适合 PTFE粉末的加工［9］。

鉴于此，本文作者提出了一种新的混合PTFE和纳米粒子的方法，该方法也属于溶剂混方法，只是其所使用的溶剂不是有机溶剂而是水。

具体来讲，该方法使用的水中添加了表面活性剂，其表面张力降低，如同有机溶剂，能润湿PTFE，所以该方法机械搅拌时PTFE不发生结团，能与纳米粒子充分混合。

同时，该方法无污染，无易燃易爆风险，适合大规模生产。

本文作者采用上述方法制备了纳米Al2O3填充PTFE复合材料，并将其性能与常
规溶剂混合方法制备的Al2O3/PTFE纳米复合材料的性能进行了比较。

1 实验材料及方法
1.1 原料
PTFE，平均粒径50 μm，浙江巨化集团生产;纳米Al2O3，平均粒径30 nm，杭
州万景新材料有限公司生产;非离子表面活性剂，丙二醇嵌段聚醚(L44)，平均分子量2200，南通新宝源化工有限公司生产;γ－缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷
(KH560)，深圳市优越昌浩科技有限公司生产;无水乙醇，分析纯，杭州高晶精细
化工有限公司生产。

1.2 KH560改性纳米氧化铝
称取0.4 g KH560溶入200 mL乙醇中，搅拌10 min后，往其中加入10 g纳米Al2O3，超声搅拌4 h，离心除去溶剂，固体经100℃烘干4 h备用。

1.3 PTFE纳米复合材料的制备
水中制备:室温条件下往玻璃烧杯中加入去离子水和 L44，搅拌 5 min后加入PTFE，继续搅拌10 min，加入KH560改性后的纳米Al2O3，15 min后停止搅拌。

过滤除去液体，固体使用去离子水洗涤3次，然后在120℃烘4 h得干燥粉
体;干燥粉体在38 MPa压强下模压成型，然后放在高温烘箱中于370℃烧结30 min后再冷却至室温，得复合材料。

复合材料中纳米Al2O3的质量分数分别为1%，3%和5%。

有机相 (乙醇)中制备:室温条件下往玻璃烧杯中加入无水乙醇，搅拌5 min后加入PTFE，继续搅拌10 min，加入 KH560改性后的纳米 Al2O3，15 min后停止搅拌。

过滤除去液体，固体在120℃烘4 h得干燥粉体;干燥粉体在38 MPa压强下模压成型，然后放在高温烘箱中于370℃烧结30 min后再冷却至室温，得复合材料。

复合材料中纳米Al2O3的质量分数分别为1%，3%和5%。

1.4 复合材料的性能测试
用电子万能试验机，按照HG/T 2902-1997测定试样的拉伸强度和断裂伸长率，拉伸速率10 mm/min。

用M-2000型摩擦磨损试验机按GB/T 3960-1983进行磨损实验，对偶件硬度为HRC40～45的钢环，实验条件为干摩擦，转速为200 r/min，磨损时间为120 min，载荷为200 N。

用万分之一天平测量试样磨损前后的质量，根据摩擦磨损过程中记录的摩擦力矩计算试样的摩擦因数。

用TH210邵氏硬度计，按GB/T 2411-1980测试试样的硬度;用GF-300D密度天平，按
GB1033-1986测定试样的密度;用扫描电镜SEM(XL30-ESEM)测试复合材料磨痕处的表面形貌。

2 结果与讨论
2.1 PTFE纳米复合材料的物理及力学性能
图1给出了PTFE纳米复合材料的拉伸强度和断裂伸长率随Al2O3质量分数的变化曲线。

可知，水中和乙醇中制备的2种复合材料的拉伸强度和断裂伸长率均随着Al2O3质量分数的增加而不断下降，其原因是纳米粒子填充到PTFE基体中，它会阻碍基体大分子链运动，使复合材料内部缺陷增多;另外纳米粒子上会产生应力集中，也可能导致复合材料拉伸强度和断裂伸长率下降。

从图1(a)中可看出，
在相同Al2O3质量分数下，水中制备的复合材料的拉伸强度要小于乙醇中制备的复合材料，其中的原因可能是水沸点较高，其在烘干阶段难以完全除去，高温烧结时水挥发出去在复合材料中留下了气孔，而气孔是种缺陷，它会导致复合材料拉伸强度发生降低。

从1(b)中可看出，在相同Al2O3质量分数下，水中制备的复合材料的断裂伸长率要远高于乙醇中制备的复合材料，这可能也与前者复合材料中含有气孔有关，因为气孔的存在，复合材料在拉伸时，气孔会发生变形，从而给复合材料另外增加了一部分形变。

图1 不同Al2O3质量分数时PTFE纳米复合材料的拉伸强度和断裂伸长率Fig 1 The tensile strength(a)and elongation at break(b)of PTFE nanocomposites with different content of Al2O3
图2显示了PTFE复合材料的邵氏硬度和密度与Al2O3质量分数的关系。

图2 不同Al2O3质量分数时PTFE纳米复合材料的硬度及密度Fig 2 The hardness and density of PTFE nanocomposites with different content of
Al2O3
由图2可知，由于纳米粒子的填充，复合材料的硬度较纯PTFE(为57.3)增加，这是因为Al2O3为硬质材料，在复合材料中起到分散和传递载荷的作用，能较好地增加材料的硬度。

同样，纳米粒子的填充提高了PTFE的密度值。

从图中还可以看出，相同Al2O3填充比时乙醇中制备的复合材料的硬度值要略大于水中制备的复合材料，但2种方法制备的复合材料的密度值几乎相等。

2.2 PTFE纳米复合材料的摩擦磨损性能
图3示出了不同Al2O3质量分数时PTFE纳米复合材料的磨耗量和摩擦因数。

从图3(a)可知，与纯PTFE磨耗量 (850.0 mg)相比，纳米粒子的加入能显著降低PTFE的磨耗量，当Al2O3质量分数为1%时，水中和乙醇中制备的复合材料的磨耗量分别为68.2和80.1 mg，较纯PTFE下降了一个数量级;继续增加Al2O3质
量分数，复合材料的磨耗量继续下降，但水中制备的复合材料的磨耗量一直低于乙醇中制备的复合材料。

从图3(b)可知，当Al2O3质量分数为1%和3%时，乙醇
中制备的复合材料的摩擦因数与纯PTFE一样，均为0.18，而当Al2O3质量分数
为5%时，乙醇中制备的复合材料的摩擦因数增至0.2。

而当Al2O3质量分数为1% ～5%时，水中制备的复合材料的摩擦因数均低于纯PTFE，有很好的减摩性能。

图3 不同Al2O3质量分数时PTFE纳米复合材料的磨耗量和摩擦因数Fig 3 The wear mass loss and friction coefficient of PTFE nanocomposites with different content of Al2O3(a)wear mass loss under dry sliding
condition(120 min，200 N);(b)friction coefficient
2.3 磨痕处SEM分析
图4为纯PTFE和PTFE纳米复合材料磨痕处的SEM图。

从图6(a)可以看出，纯PTFE的磨痕表面较为光滑，但有较大块的磨屑存在，磨屑为PTFE转移膜的大块
脱落，其磨损机制为严重的黏着磨损。

从图6(b)、(c)可以看出，乙醇和水中制备
的5%Al2O3填充复合材料的磨痕表面均有不同程度的犁沟和细小的磨屑，表明复合材料的磨损机制为黏着磨损与磨粒磨损共同作用;其中，在乙醇中制备的复合材
料的犁沟要比水中制备的复合材料更显著，且复合材料表面有较为明显的纳米
Al2O3团聚颗粒，这说明Al2O3在乙醇中更易团聚，形成较大颗粒，并加剧对PTFE基体的磨粒磨损。

这也说明了水中制备的复合材料的摩擦因数和磨耗量均要
小于乙醇中制备的复合材料的原因。

图4 PTFE和PTFE纳米复合材料磨痕处的SEM图Fig 4 SEM images of worn surfaces of PTFE and PTFE nanocomposites(a)PTFE;(b)PTFE nanocomposites prepared in ethanol;(c)PTFE nanocomposites prepared in water
3 结论
(1)相同A12O3填充比下，水中制备的复合材料的拉伸强度、硬度低于乙醇中制
备的复合材料，但断裂伸长率却高于乙醇中制备的复合材料。

(2)在200 N和干摩擦条件下，当A12O3质量分数为1%时，水中和乙醇中制备
的复合材料其磨耗量分别为68.2 mg和80.1 mg，较纯PTFE下降了一个数量级，继续增加A12O3质量分数，复合材料的磨耗量继续下降，但水中制备的复合材料其磨耗量和摩擦因数一直低于乙醇中制备的复合材料。

(3)水中制备PTFE纳米复合材料不使用有机溶剂，无污染，不易燃易爆，且制备
的复合材料有低的磨耗量及摩擦因数和高的断裂伸长率，因此它可作为一种新的方法推广应用。

参考文献
【1】钱知勉，包永忠.氟塑料加工与应用［M］.北京:化学工业出版社，2010:181－182.
【2】Li F，Hu K A，Li J L，et al.The friction and wear characteristics of nanometer ZnO filled polytetrafluoroethylene ［J］.Wear，2002，249:877 －882.
【3】Xiang Dinghan，Gu Chuanjin.A study on the friction and wear behavior of PTFE filled with ultra-fine kaolin particulates［J］.Materials Letters，2006，60:689 －692.
【4】Sawyer W G，Freudenberg K D，Bhimaraj P，et al.A study on the friction and wear behavior of PTFE filled with alumina nanoparticles ［J］.Wear，2003，254:573 －580.
【5】Burris D L，Sawyer W G.Improved wear resistance in alumina-PTFE nanocomposites with irregular shaped nanoparticles［J］.Wear，2006，260:915 －918.
【6】Burris D L，Zhao S，Duncan R，et al.A route to wear resistant PTFE via trace loading of functionalized nanofillers［J］.Wear，2009，267:653 －660.
【7】王家序，陈战，秦大同.纳米Al2O3对聚四氟乙烯工程材料性能的影响［J］.机械工程材料，2002，26(9):31 －33.Wang Jiaxu，Chen Zhan，Qin Datong.Effect of nano-Al2O3on the properties of PTFE engineering plastic ［J］.Materials for Mechanical Engineering，2002，26(9):31 －33.
【8】史丽萍，何春霞，顾红艳，等.PTFE/Al2O3纳米复合材料的摩擦磨损性能研究［J］.工程塑料应用，2003，31(9):53－55.Shi Liping，He Chunxia，Gu Hongyan，et al.Study on the friction and wear behaviors of PTFE/nano-
Al2O3composites［J］.Engineering Plastics Application，2003，31(9):53 －55.
【9】张永明，李虹，张恒.含氟功能材料［M］.北京:化学工业出版社，2008:33－34.
【10】汪海风，徐意，潘崇根，等.纳米A12O3填充PTFE复合材料的制备及性能研究［J］.塑料工业，2012，40(6):88 －91.Wang Haifeng，Xu Yi，Pan Chonggen，et al.Preparation and property study on the nano-A12O3filling PTFE composites［J］.China Plastics Industry，2012，40(6):88 －91.。