想要提高POM的耐磨性,就得看這2種機(jī)理+6種改性方法!
POM具有優(yōu)良的自潤滑性能,被廣泛用于制作機(jī)械、電子電氣等領(lǐng)域各種要求有自潤滑性能的機(jī)械零部件,而且有不斷增長的趨勢。但隨著辦公用具、自動化及音像設(shè)備等的高性能化,其機(jī)械裝置也越來越復(fù)雜,只能適用于低速低負(fù)荷的普通POM已難以滿足精密機(jī)械、電子電氣等動力傳導(dǎo)零部件高速、高壓、高溫、輕量化的要求。
為了適應(yīng)新的需求,同時使POM具有較高的臨界PV值和較高的刺耳噪音發(fā)生負(fù)荷,需通過共混、填充、嵌段共聚、與金屬復(fù)合等手段開發(fā)出摩擦磨損特性好、力學(xué)性能優(yōu)異的POM自潤滑復(fù)合材料。
目前,改良POM摩擦磨損性能的方法有很多,歸納起來主要有以下六種方法。但機(jī)理上有兩種,一種潤滑,一種是增加硬度。
機(jī)理一(潤滑)
一、添加聚四氟乙烯(PTFE)、高密度聚乙烯(HDPE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、高分子量硅酮等自身摩擦系數(shù)較低的高分子材料:
添加有機(jī)高分子類潤滑劑,主要是因其可偏折在POM的表面上層附近,使POM表面和摩擦副表面之間的摩擦形式部分轉(zhuǎn)化為添加高分子的表面和摩擦副表面之間的摩擦形式,從而減小對POM 表面所產(chǎn)生的摩擦阻力,有效減小疲勞斷裂點的生成,或者是因其分散在POM相中,以其局部的減磨效果和整體上的網(wǎng)絡(luò)效果,限制摩擦副表面上較尖銳部分的磨損或磨粒對POM表面的嵌入深度,既降低了POM 表面的摩擦阻力,又有效地抑制犁切裂紋及疲勞斷裂點的生成,以上兩種情況均使POM表面在摩擦過程中不易產(chǎn)生材料片狀磨屑的剝離和脫落而誘發(fā)的大面積粘著磨損。原則上,材料本身的摩擦系數(shù)比POM小,耐磨性比POM好,且其熔融溫度低于POM的高分子化合物,如PTFE、LDPE、HDPE、UHMWPE、PB、NBR及硅樹脂等都可以使用。
目前國內(nèi)外對POM摩擦磨損性能改進(jìn)采用最多的方法是添加PTFE高分子潤滑材料。1966年國外最先報導(dǎo)了在POM樹脂中添加PTFE粉,摩擦系數(shù)降低50%,極限PV值提高2~3倍。研究表明,POM中加入PTFE粉末后,摩擦系數(shù)和磨損量均顯著降低,其摩擦系數(shù)從純POM的0.21下降至0.10,這主要是由于PTFE具有極低的摩擦系數(shù),它能在較短的時間內(nèi)在對偶表面形成轉(zhuǎn)移膜,使摩擦變成PTFE內(nèi)部的摩擦。
但 PTFE的加入使改性聚甲醛的力學(xué)性能和加工性能劣化,PTFE添加量增加10%,一般會使拉伸強(qiáng)度下降8%-10%,且PTFE的大量加入無疑會大大提高產(chǎn)品的成本。為了克服加入大量PTFE造成的力學(xué)性能的下降,可以向共混物中加入經(jīng)過鈉-萘配合物的四氫呋喃溶液處理的PTFE。PTFE經(jīng)過處理后,其表面的極性基團(tuán)增加,與POM的相容性增加,可以均勻地分散在POM中,而吸附在PTFE表面的NaF鹽起著POM結(jié)晶成核劑的作用,從而使POM共混物的力學(xué)性能大幅度提高。但要注意控制化學(xué)處理PTFE的加入量,否則會造成共混物摩擦磨損性能的大幅度下降。
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一種性能優(yōu)異的高密度聚乙烯,與普通聚乙烯相比,摩擦系數(shù)小、磨耗低,向POM中加入20%UHMWPE,材料的耐磨自潤滑性能可得到極大的改善,摩擦系數(shù)由純POM的0.26下降為0.20,磨耗由3.5mg降為1.0mg。有專利報道,將UHMWPE作為一種潤滑劑加入POM樹脂中,控制UHMWPE的粒徑,加入10份即可提高POM樹脂的摩擦磨損性能,如用UHMWPE纖維則效果更佳,這種復(fù)合材料可用來制作齒輪,軸承和鏈條。而在POM/UHMWPE共混物中加入少量潤滑油,其結(jié)果表明混有UHMWPE的聚甲醛制品無缺陷出現(xiàn),且降低了摩擦系數(shù),提高了耐磨性,可用于代替金屬的耐磨部件(如齒輪和軸承等)。
此外用馬來酸酐改性超高分子量聚乙烯加入POM樹脂中,則制成的POM復(fù)合物不僅具有優(yōu)異的潤滑性能,良好的抗磨損性和很高的PV值,而且還具有良好的抗沖擊性。徐衛(wèi)兵等在增容劑的作用下將LDPE和HDPE與聚甲醛共混,提高了POM的缺口沖擊強(qiáng)度,摩擦系數(shù)為0.20~0.30,可用于制作精密的部件。
二、添加硅油、礦物油、油脂等潤滑油及潤滑脂類:
有機(jī)潤滑油和潤滑脂類對POM摩擦磨損性能的改良主要是因其向POM表面和摩擦副表面的遷移和擴(kuò)散作用,可在POM和摩擦副的界面上形成轉(zhuǎn)移油膜,使POM表面和摩擦副表面之間的真摩擦轉(zhuǎn)換為潤滑油本身的分子滑移,減少了POM和摩擦副之間的摩擦阻力,提高了POM的耐磨性能。這一類潤滑劑的種類繁多,有石油系潤滑油、合成潤滑油類、各種植物油、動物油,以及各種表面活性劑等。
70年代以來,國外在含油聚甲醛自潤滑材料方面發(fā)展迅速,他們采用液體潤滑油作潤滑劑,使POM 的自潤滑性和極限PV值均有大幅度提高。有專利和研究報道,將POM與潤滑油共混,通常制造方法有熔化法、溶劑法和載體法,其中以載體法最為實用,它是利用載油體(如PTFE、石墨、二硫化鉬等)把潤滑油帶到聚甲醛中,所制得的含油聚甲醛具有摩擦系數(shù)小(0.1左右),耐磨性和極限PV值高,并兼具有POM的剛性和耐蠕變性等特點,特別適合與光滑的金屬表面配合,能有效地防止粘著磨損。但不足之處是力學(xué)強(qiáng)度、硬度等有所下降。含油聚甲醛特別適合在無油潤滑或缺油潤滑環(huán)境下做齒輪、軸套、滑塊等摩擦部件,用于紡織機(jī)械、汽車、電子部件等領(lǐng)域。
三、添加MoS2、石墨等無機(jī)粉類潤滑材料:
無機(jī)潤滑劑如石墨、氮化硼、二硫化鉬等具有層狀格子構(gòu)造,層片之間可發(fā)生相對滑移,并在摩擦副表面上形成轉(zhuǎn)移膜,減小對POM表面的摩擦阻力,提高POM的耐磨性,但有時會因MoS2的加入而引起POM熱穩(wěn)定性下降,成型時產(chǎn)生較多的模垢。
四、利用接技、嵌段等手段在POM分子鏈上引入具有潤滑性的鏈段:
在POM 的聚合過程中,無論是均聚POM還是共聚POM,其大分子活性鏈的中止實質(zhì)上都是出分子量調(diào)節(jié)劑或是甲醇或三聚甲醛中含有的微量水、甲醇、甲酸等雜質(zhì)對活性鏈發(fā)生轉(zhuǎn)移來完成的。在發(fā)生轉(zhuǎn)移時,由于鏈轉(zhuǎn)移劑的一部分(如活潑氫原子)被大分子鏈所捕捉,而另一部分將和引發(fā)劑的殘端形成新的活性中心并引發(fā)甲醛聚合,因此,鏈轉(zhuǎn)移劑最終將被連接在POM分子的末端。
利用鏈轉(zhuǎn)移劑的這種性質(zhì),采用分子量較大并具有潤滑性能的分子作為鏈轉(zhuǎn)移劑,就可以在POM分子鏈上導(dǎo)入潤滑性質(zhì)的鏈段,改善POM的摩擦磨損性能。可作為潤滑性鏈段導(dǎo)入POM的化合物類型有多元高級醇類、聚醚類、各種活潑氫的彈性體類或聚硅烷類等。但這種聚合過程中的化學(xué)改性方法過程復(fù)雜,影響因素多,成本也高。
機(jī)理二(增加硬度)
一、添加玻纖,碳纖,芳綸等纖維狀材料:
添加玻纖、碳纖、芳綸等纖維狀材料能有效地提高POM的力學(xué)強(qiáng)度,其耐磨性可通過調(diào)整纖維的尺寸和長徑比得到提高,但摩擦系數(shù)增大。
因此一般將玻纖與PTFE或玻纖與和有機(jī)硅復(fù)合使用,可以在改善耐磨性的同時提高力學(xué)性能。碳纖維增強(qiáng)POM的力學(xué)性能比玻纖增強(qiáng)POM要高得多,摩擦系數(shù)下降,耐磨性顯著提高,并且可以消除制品的表面靜電。芳綸纖維加入POM中在提高力學(xué)性能的同時,也可顯著降低摩擦系數(shù)和表面磨損率。晶須由于硬度低且纖維直徑極小,有著較特殊的性質(zhì),在POM中添加晶須既可改善POM的摩擦磨損性能,又可增加POM的剛度和強(qiáng)度,適合于制造鐘表零部件。
二、添加銅粉、鉛粉、鋅粉等金屬粉末:
添加金屬粉末旨在提高聚合物復(fù)合材料的傳熱性、摩擦磨損性能、尺寸穩(wěn)定性和抗蠕變性。如添加一定量的銅粉(75um)和納米銅粉均可降低POM的磨損性能,其中添加納米銅粉的效果最好,主要原因是納米銅粉粒徑小,與樹脂基體的結(jié)合較好,對界面產(chǎn)生的擦傷作用較弱,造成的磨粒磨損較弱,導(dǎo)致磨損有較大下降。
此外有學(xué)者認(rèn)為,在對POM摩擦磨損性能改良時應(yīng)盡可能采用由多種潤滑劑組成的復(fù)合潤滑體系,使多種潤滑劑產(chǎn)生協(xié)同作用,用盡可能少的潤滑劑達(dá)到最好的自潤滑性和耐磨損性能。這不僅可以降低成本,更重要的是可以較好的保持POM原有的優(yōu)良的綜合性能。關(guān)鍵需解決的問題是,使多種潤滑劑組成的復(fù)合潤滑體系產(chǎn)生協(xié)同作用,不讓其互相影響而發(fā)生副作用。此外各潤滑劑組分之間的界面相容也是一大問題。
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