聚酰亚胺复合材料的性能研究

聚酰亚胺复合材料的性能研究*

黄　丽　徐定宇　程红原

摘　要　以聚酰亚胺-聚四氟乙烯、 聚酰亚胺-聚四氟乙烯-石墨共混体系为基础， 研究了体系的力学性能、 摩擦性能， 并进行了微观结构分析。 试验结果表明， 少量石墨的加入， 并未使复合材料的摩擦性能有所提高， 反而使冲击强度及布氏硬度下降， 而聚四氟乙烯的加入， 可使复合材料的摩擦性能有较大幅度的改善。

关键词　聚酰亚胺； 聚四氟乙烯； 石墨； 复合材料； 力学及摩擦性能

分类号　TQ323.7

Study on the property of polyimide composites

Huang Li　Xu Dingyu　Cheng Hongyuan

(College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing, 100029)

Abstract　Mechanical properties and frictional characteristics of the API/PTFE, API/PTFE/Graphite composite system are studied. The microstrucure of the composite is also investigated. The results of the test indicate that no improvement of the frictional properties of API composite is observed, but a decrease in impact strength and Hb shows up when a small proportion of graphite is added into API composite. The frictional property is improved significantly when PTFE is added into API composite.

Key words　polyimide; polytetrafluoroethylene; graphite; composite; mechanical and frictional properties

加成型聚酰亚胺(API)具有优良的加工性能， 其热氧化稳定性尤为突出， 但由于它的耐磨性能差， 目前将API作为摩擦材料还非常有限。 有关API摩擦性能的研究， 仅Fusaro及兰州物化所的学者有所涉足。 Fusaro对连续纤维增强的API复合材料的摩擦磨损性能作了研究［1］， 而兰州物化所的学者则对纯API及其复合材料的摩擦磨损性能进行了讨论［2］。

本文选用聚四氟乙烯(PTFE)及石墨作为API的减摩改性填料， 采用气流粉碎共混法和热压模塑成型工艺制备了API基复合材料， 并对该复合材料的力学性能、 摩擦性能及微观结构进行了初步的研究探讨。

1　实验

1.1　原材料

API模塑粉， 104μm(150目)， 中国科学院化学研究所； PTFE， 30～40μm， 俄罗斯进口； 石墨， 54μm(300目)， 徐渎化工厂。

1.2　工艺流程

API复合材料的加工工艺流程如下：

1.3　共混方式

在气流粉碎机中， 进一步混合经简单机械共混法制成的物料， 压缩空气压力为5×101.325～7×101.325kPa， 反复两次。

2　结果与讨论

2.1　API复合材料的组成与含量对硬度的影响

图1为PTFE含量对API复合材料硬度的影响。

图1　PTFE含量对API复合材料硬度的影响

Fig.1　Effect of PTFE content on the HB of API composite

由图1可见， PTFE及石墨(质量分数为5%)使API复合材料的硬度有所下降。 随着PTFE含量的增加， API复合材料的布氏硬度(Hb)呈下降的趋势， 而且当PTFE质量分数超过20%之后， 下降的趋势更为明显。 因此， 为使API复合材料具备较高的硬度， PTFE尽量不超过20%。

2.2　API复合材料的冲击性能及断口分析

2.2.1　API复合材料的冲击性能　图2为API复合材料的组成与含量对冲击强度的影响。

由图2可知， PTFE、 石墨的加入均使材料的冲击性能下降， 其中石墨的影响更为显著。 通过试验发现， 在API中添加PTFE之后并未起到增韧的效果。 随PTFE 含量的增加， 复合材料的冲击强度不断下降， 当PTFE w＞20%之后， 其冲击强度下降的幅度逐渐减小。

图2　API复合材料质量分数对冲击强度的影响

Fig.2　Effect of composition & content on impact strength of API composite

从图2也可看到， 加入质量分数为5%的石墨后， 纯API的冲击强度从126Pa下降至53Pa。 在此基础上添加质量分数为10%～20%的PTFE， 冲击性能并没有下降， 反而略有提高； 当PTFE的填充量w＞20%时， API复合材料的冲击性能又有所下降。

2.2.2　API复合材料的冲击断口形貌　在外界冲击力的作用下， 聚合物的断裂经历了裂纹萌生、 稳定扩散和快速扩展至断裂三个阶段， 相应在试样的断裂面上形成裂源区、 平滑区和放射区以及快速断裂区。 图3为纯API冲击断面图。

从图中可以看出， 纯API的冲击断裂是典型的脆性断裂。 从图3中还可以看出： 靠近断裂源处是比较光滑的平滑区， 在该区域内裂纹发展缓慢， 平滑区周围是呈放射状结构的放射区， 裂纹发展较快， 离断裂源越远， 放射带的间隔也越远(图3a)； 在快速断裂区， 可以看到肋状形态、 弧形条纹以及许多微裂纹银纹群(图3b)。

a (裂源区、 平滑区及放射区)

b (快速断裂区)

图3　纯API的冲击断面形貌

Fig.3　Intersection form of the pure API with impact

图4a为API-石墨复合材料的冲击断面形貌。 可以看出， 裂源发生在石墨颗粒周围， 平滑区的比例减小， 放射区显得相对粗糙。 在冲击过程中， 石墨颗粒周围首先产生应力集中， 石墨和基体树脂的界面在很小的应力作用下就会产生裂纹而引发材料破坏， 平滑区是裂纹缓慢扩展的区域。 平滑区比例越小， 断裂时间越短， 材料脆性就越大。 从断面形貌上也可看出， 加入石墨后， 材料的冲击性能有所下降。

a (API-石墨)

b (API-PTFE-石墨)

图4　API-石墨复合材料的冲击断面形貌

Fig.4　Intersection form of the API-graphite with impact

图4b为PTFE为20%时， API-PTFE-石墨复合材料的冲击断面形貌。 可以看出， PTFE的加入， 使材料的断面形貌特征变得很不明显。 少量PTFE的加入对API-石墨复合材料起到了一定的增韧作用， 这是因为PTFE颗粒在一定程度上能分散一部份集中在石墨上的应力， 而使材料延迟破坏。 从图2中也可看出， 随PTFE含量的增大， API-PTFE-石墨复合材料与API-PTFE复合材料的冲击强度逐渐趋于一致。 当PTFE含量较大时， API基体树脂的连续性受到影响， 使材料的冲击强度降低。

图5为PTFE为20%时， APT-PTFE复合材料的冲击断面形貌。 与纯API不同， 在裂源区周围已看不到平滑区， 断面由裂源区和放射区构成。 裂源发生在几个PTFE颗粒的聚集处， 由于PTFE和API之间的结合力很弱， 形成了许多宏观缺陷， 因而在外力的冲击作用下最先产生裂纹而引发材料的破坏。 在放射区， 当裂纹发展到PTFE颗粒周围时， 引发了更多的裂纹而加速了材料的破坏。

图5　API-PTFE复合材料的冲击断面形貌

Fig.5　Intersection form of the API-PTFE with impact

2.2.3　API复合材料的摩擦性能　不同PTFE含量对API复合材料摩擦系数的影响如图6所示。

从图6中可以看到PTFE的含量以及少量石墨的加入对API复合材料的摩擦系数(f)有较大的影响。 添加10%的PTFE， f未能降低， 反而略有升高， 当PTFE的含量为10%～20%范围内时， API-PTFE复合体系与API-PTFE-石墨复合体系的f都有很大程度的降低， 之后f不再随PTFE含量的增加发生显著的变化。 一般PTFE的减摩机理认为， PTFE与其它物体对磨时， 大分子容易被拉出结晶区， 可以向对磨面转移， 以库仑力和范德华力在对磨面上形成一层20～30nm厚的薄膜，使之变为PTFE之间的摩擦， 故体现为f的减小。 而当PTFE含量较少时， 不能形成完整的转移膜， 因而使得减摩效果较差。 另外， 根据Bowden的粘着理论f＝τf/Hb(τf为转移膜的抗剪切强度)， 若填料的加入不能有效地降低材料的τf， 而引起材料Hb下降较大， 那么将导致材料的摩擦系数f略有升高［3］。 本文试验结果表明， 少量石墨的加入并未起到减摩的作用。 对各种不同PTFE质量分数的配方添加5%的石墨， 复合材料的摩擦系数均相应增高(见图6)。

图6　PTFE质量分数对API复合材料摩擦系数的影响

Fig.6　Effect of PTFE content on frictional index of API composite

3　结束语

PTFE的加入量达到一定程度时， 可以使摩擦系数f有较大幅度的降低， 而冲击强度及布氏硬度Hb也有所下降。 少量石墨的加入也使得API复合材料的冲击强度及布氏硬度下降， 而摩擦性能并未得到改善。 当PTFE超过20%(质量分数)时， API复合材料的摩擦性能不再发生显著的变化， 且冲击强度及布氏硬度继续下降。 因此， 在API-PTFE的共混体系中， PTFE不宜超过20%。

*国家“八五”科技攻关项目(85-308-07-08)

作者简介：黄　丽 女， 39岁， 副教授

作者单位：　(北京化工大学材料科学与工程学院， 北京， 100029)

参考文献

1　Fusaro R.L.Evaluation of several polymer materials for use as solid lubricants in space. Tribol Trans, 1987, 31(2): 173～175

2　李同生， 丛培红. 聚酰亚胺复合材料与金属对磨的摩擦特性. 工程塑料应用， 1996， 24(4)： 30～33

3　王承鹤. 塑料摩擦学.北京： 机械工业出版社， 1994.178～184