氟醚橡胶摩擦磨损性能研究

摘 要: 研究了石墨、碳纤维和聚四氟乙烯不同用量和三者 并用对氟 醚橡胶 摩擦磨 损性能 的影响, 并用 SEM
对橡胶磨损表面形貌进行了分析。结果表明, 石墨和聚四 氟乙烯填充的氟醚橡胶以粘着磨损为主, 磨损严重,
而碳纤维填充的橡胶磨损主要是疲劳磨损, 可显 著提高氟醚橡胶的摩擦磨损性能。石墨和碳纤维并用可产生
为提高唇形密封件寿命, 需要降低胶料的摩 擦系数, 提高唇口部位的耐磨性。石墨、碳纤维和 聚四氟乙烯( PT FE ) 是最常见的固体减 摩填料。 石墨和 PT FE 有利于 聚合物与金属 对磨面间转 移膜的形成, 并降低聚合物表面、亚表面的应力, 从而降低摩擦系数和磨损率[ 1, 2] 。而碳纤维中碳 层具有类石墨结构, 并且预取向, 平行于主轴, 表 现出良好的自润滑和减摩特性, 此外聚合物中填 加碳纤维还可以提高聚合物的硬度、蠕变阻力和 压缩强度, 并在滑移过程中承载大部分的载荷, 从 而提高聚合物的耐磨 性能[ 3] 。在环氧树 脂基体 中, 三者以适当比例并用还具有协同效应, 可使聚 合物表现出比单独使用一种填料更优异的减摩抗 磨性能[ 4] 。
在 PT FE 填充的橡胶磨 损表面可以 观察到 以下现象: ( 1) 明显的阶梯状光滑表面; ( 2) 破碎的 转移膜; ( 3) 团聚的粒状磨屑; ( 4) 粒子脱落后留下 的凹坑, 而且凹坑表面轮廓很光滑。其磨损过程 可能如下: 由于 P T F E 颗粒光滑, 表面能低, 因而 与氟醚橡胶界面结合力差, 在剪切力作用下橡胶 发生大块的剥离, 剥落的橡胶在压力作用下形成 光滑的转移膜, 但转移膜与钢环表面的结合力较 弱, 因而并不连续, 强度也差, 部分重新回到橡胶 表面, 与脱落出的 P T F E 颗粒结合而成为颗粒状
Ws = m FNL
式中, m 为试样磨损后的损失质量; 为试样密 度; FN 为正压力; L 为总的摩擦行程。
2 结果与讨论
2. 1 填料用量对氟醚橡胶摩擦磨损性能的影响 石墨、碳纤维和 PT FE 用量对氟醚橡胶摩擦
系数和磨损率的影响如图 1 和图 2 所示。从图中 可以看出, 当石墨用量为 0~ 30 份时, 橡胶摩擦系 数随着用量的增大先降低后增大, 用量在为 15 份 时减摩效果最显著, 在 30 份时摩擦系数略有上 升, 但仍比纯胶低很多。磨损率则随石墨用量的 增大先增大后降低, 在 15 份和 30 份时磨损率与 纯胶相差不大。由此可见, 石墨在 0~ 30 份用量 下可以减小氟醚橡胶的摩擦系数, 但难以提高其 耐磨性能。
填充碳纤维的氟醚橡胶摩擦系数随着碳纤维 用量的增大而降低, 并在用量为 30 份时橡胶摩擦 系数达到 3 种减摩填料在各种用量下的最小值, 由纯胶的 1. 548 降低到 0. 616。在用量为 15 份 时, 橡 胶 磨 损 率达 到 最 小 值, 为 6. 280 10- 8 mm3/ N m, 比纯胶的耐磨性提高 3 倍, 但随着用量 的进一步增大, 磨损率略有上升。因此, 碳纤维能 有效降低氟醚橡胶的摩擦系数和磨损率。
充的橡胶磨损主要表现为疲劳磨损。从图 3( c) 中还可以看出, 磨损表面有抽出的长短不一的碳 纤维, 其中的长纤维并不承担基体的载荷, 相反会 由于第三体的磨损效应降低材料的耐磨性, 而短 纤维则有利于转移膜的形成, 从而降低橡胶磨损 率[ 3] 。当纤维含量过高时, 纤维分散性差, 与基体 界面结合力变弱, 长纤维抽出的比例增大, 这可能 是导致其磨损率比低含量时增大的原因。
2008 年
王 力等 氟醚橡胶摩擦磨损性能研究
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的磨屑。因此聚四氟 乙烯填充的橡 胶摩擦系数 高, 磨损率也大。
碳纤维填充的橡胶磨损表面有大量无规分布 的纤维暴露出来, 在磨损过程中会发生纤维变细、 断裂、与基体界面的脱粘和抽出[ 3] 。碳纤维增强 的橡胶材料, 应力主要由碳纤维承担, 纤维间载荷 的有效传递可以减少基体和界面处裂纹的萌生和 扩展, 进而减小基体和界面的破坏, 因此碳纤维填
图 5 石墨、碳纤维单5 份石墨和碳纤维的橡胶磨损表面 SEM 图
3 结论
( 1) 碳纤维可以显著提高氟醚橡胶的摩擦磨 损性能, 用量为 30 份时, 摩擦系数达到最小值, 用 量为 15 份时, 磨损率达到最小值。
( 2) 纯胶和填充石墨、PT FE 的 橡胶磨损以 粘着磨损为主, 摩擦磨损严重, 而碳纤维填充的橡 胶磨损主要是疲劳磨损。
图 3 纯胶及分别填充 30 份石墨、碳纤维和 PTFE 的橡胶磨损表面 SEM 图
2. 3 填料并用对氟醚橡胶摩擦磨损性能的影响 及机理分析 图 4 示出了固定填料含量为 30 份, 石墨、碳
纤维、P T F E 以不同比例并用时氟醚橡胶的摩擦 系数和磨损率。可以看出, 石墨和碳纤维分别填 加 15 份时橡胶的摩擦系数最低, 为 0. 378, 此时 磨损率也最低, 为 5. 590 10- 8 mm3 / N m, 而且比 单独填充石墨或碳纤维的橡胶摩擦磨损性能更好 ( 见图 5) , 说 明两 者具 有 协同 效 应。而 石 墨和 PT FE 并 用时 效 果最 差, 这与 单独 使用 石 墨和 PT FE 时橡胶的摩擦磨损性能结果相一致。3 种 填料同时使用时, 无论以何种比例共用, 橡胶摩擦 磨损性能都相差不大。
SK- 160- A 型双辊炼胶 机, 福建省永春轻 工机械厂; H PC- 63( D) 型半自动压力成型机, 上 海西玛伟力橡塑机械有限公司; T 3- 200 型物理 天平, 成都科学仪器厂; MM W - 1 型立式万能摩 擦磨损试验机, 济南宏试金集团有限公司。 1. 2 试样制备
氟醚橡胶基本配方为: GLT 100, M gO 5, 双 2, 5 2, T AIC 3, 减摩填料 变量。首先将氟醚生胶 在双辊炼胶机上塑炼 4~ 5 遍, 依次加入 M gO、填 料、T AIC、双 2, 5, 薄 通 后出 片, 在室 温 下停 放 16h; 然后进行返炼, 并在半自动压力成型机上模 压出外径 53mm、内径 12mm、厚度为 6m m 的圆 环状摩擦磨损试样, 硫化温度 160 , 时间 10min,
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特种橡胶制品 Special P ur po se R ubber Pr oducts
V ol. 29 N o. 6 December 2008
氟醚橡胶摩擦磨损性能研究
王 力, 栗付平* , 蒋洪罡, 周易文
( 北京航空材料研究院, 北京 100095)
协同效应, 两者 用量均 为 15 份 时橡胶 摩擦 磨损性 能较 好, 此时摩 擦系 数为 0. 378, 磨损率 为 5. 590 10- 8
mm3 / N m。
关键词: 氟醚橡胶; 石墨; 碳纤维; 聚四氟乙烯; 摩擦磨损
中图分类号: T Q333 93 文献标识码: A
文章编号: 1005- 4030( 2008) 06- 0005- 04
PT FE 对橡胶摩擦系数的影 响, 除了在用量 为 10 份时摩擦系数稍有下降外, 其他用量下橡胶 摩擦系数基本与纯胶相同。而磨损率在 0~ 10 份 时随着用量的增加而增大, 超过 10 份后, 变化不 明显。由此可见, PT F E 填加到氟醚橡胶后并不 能明显减小橡胶的摩擦系数, 磨损率反而会上升。
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压力 10MP a, 最后橡胶试样在 230 24h 条件 下进行二段硫化。 1. 3 性能测试
试样密度按 GB/ T 533- 1991 进行测定。 摩擦磨损性能采用面/ 面接触方式, 摩擦副是 外径为 28m m、内径为 25mm 的 45# 钢环, 测试前 钢环表面用 1000# 砂纸打磨并用丙酮清洗。测试 在室温下进行, 转速为 50r/ min, 正 压力 60N, 摩 擦时间为 60min。通过测定摩擦力矩计算得出摩 擦系数, 每秒钟采集一个数据, 其最终值取试样达 到稳定摩擦状态后的平均值。磨损率 Ws 按下式 计算[ 4] :
墨, 平均粒径 0 5 m, 上海胶体化工厂; 短切碳纤 维 P- 100, 平均粒径 20 m, 平均长径比 20 ! 1, 鞍山东亚碳纤维有限公司; 聚四氟乙烯( PT FE) , 平均料径 0 2 m, 唐山日丰 化学工业有限公司; 吸酸剂活性氧化镁( M gO) 、硫化剂 2, 5- 二甲基 - 2, 5- 二叔丁基过氧己烷( 双 2, 5) 、助硫化剂三 聚异氰酸三烯丙酯( T AIC) , 均为市售品。
( 3) 石墨和碳纤维具有协同效应, 氟醚橡胶 中填充 15 份石墨和 15 份碳纤维时, 摩擦磨损性 能优于单独使用石墨或碳纤维的橡胶摩擦磨损性 能。
参考文献: [ 1] Jian Y ang, M in g T ian, Q ing x iu Jia, et al. Inf luence of
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图 4 石墨/ 碳纤维/ PTFE 并用时橡胶的摩擦系数和磨损率
图 6 是石墨、碳纤维并用时橡胶磨损表面形 貌图。磨损表面抽出的碳纤维比填充 30 份碳纤 维的橡胶更少, 而且短纤维比例增大, 这可能是由 于纤维在抽出之前发生了较多的断裂。另外, 石
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墨和碳纤维都可显著提高橡胶的硬度, 因而粘着 磨损减少。橡胶较低的摩擦系数和磨损率是石墨 的减摩作用和碳纤维的抗磨作用以及两者之间协 同作用的结果。
收稿日期: 2008- 05- 28 作者简介: 王 力( 1984- ) , 男, 河北石家庄人, 主要从事特种橡胶的
应用研究工作。 * 通讯联络人。
本文采用万能摩擦磨损试验机考察了石墨、 碳纤维和聚四氟乙烯单独使用和并用时对氟醚橡 胶摩擦磨损性能的影响, 并对相关机理进行了分 析。
1 实验部分
1. 1 主要原材料及设备 氟醚生胶 Vit on GL T , 美国 DuPont 公司; 石
图 1 石墨、碳纤维和 PTFE 不同用量时氟醚橡胶的摩擦系数
图 2 石墨、碳纤维和 PTFE 不同用量时氟醚橡胶的磨损率
2. 2 摩擦磨损机理分析 纯胶和分别 填充 30 份石墨、碳纤 维、P T F E
的橡胶磨损表面形貌如图 3 所示。可以看出, 纯 胶和填充石墨、PT FE 的橡胶磨损以粘着磨损为 主。纯胶磨损表面粗糙, 呈鳞片状, 因而摩擦系数 高。在摩擦过程中橡胶表面易发生卷曲变形, 但 由于氟醚橡胶分子链本身内聚能比较高, 在剪切 力的反复作用下才能将橡胶片层剥落, 因而纯胶 表现出一定的抗磨性。填充石墨后橡胶磨损表面 变得非常光滑, 因而摩擦系数迅速减小。磨损表面 边缘处可以看到有细小的磨屑存在, 这是由于石墨 的加入容易使橡胶以石墨为核心形成颗粒, 进而从 基体中脱落出来, 因而橡胶的磨损率并未降低。
唇形密封件是旋转轴密封的主要形式, 由于 其结构简单, 拆装维修方便, 密封效果好而广泛应 用于航空、航天、机械制造、汽车、化工等各领域。 在转轴高速旋转情况下, 密封件唇口除承受很大 的摩擦扭矩和生热外, 还受到密封介质的侵蚀和 油压作用, 工况条件极为苛刻。氟醚橡胶就是为 了满足苛刻工况条件而发展起来的一类新型特种 橡胶, 其具有优异的耐高低温、耐介质性能, 使用 温度范围一般为- 55 ~ 250 , 短期 300 , 这 是普通橡胶所无法达到的。