纤维与粉末填充改性增强聚四氟乙烯复合材料的制备与性能研究

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聚四氟乙烯(PTFE)是一种热塑性塑料,有“塑料王”之称,具有高度的化学稳定性和优异的润滑性,是重要的防腐和减摩材料。但PTFE的耐磨性和机械性能较差,限制了其广泛应用。常采用填充改性、表面改性和共混改性等方法改善PTFE的性能。本研究选用纤维和粉末填充改性PTFE,制备出纤维、粉末和石墨填充增强的PTFE复合材料。分析了原料配比对PTFE复合材料性能的影响,探讨了增强机理,为扩大PTFE的应用提供理论依据。通过拉伸试验、冲击试验、硬度测试和压缩试验测试了PTFE及其复合材料的力学性能,结果表明:PPS、PPTA和SiO2可使复合材料的硬度提高1倍多,而GF使复合材料的硬度稍有提高;PPS纤维和PPTA纤维的加入使复合材料的拉伸强度提高了10%,而GF、PPS纤维粉、PPS粉末和SiO2的加入却使复合材料的拉伸强度降低了30%-70%;PPS纤维、PPTA纤维和SiO2的加入使复合材料的冲击强度分别提高了27%、47%和23%,而GF、PPS纤维粉和PPS粉末的加入却使复合材料的冲击强度降低了14%-25%;GF和SiO2的加入使复合材料的压缩强度分别提高了17%和15%,而PPS和PPTA的加入却使复合材料的压缩强度降低了21%-44%。石墨能提高复合材料的压缩强度,但硬度、拉伸强度和冲击强度下降。纤维、粉末和石墨协同填充增强PTFE复合材料的拉伸强度、冲击强度、硬度均得到提高,而压缩强度较纯PTFE下降较少。测试了PTFE及其复合材料的摩擦磨损性能,并用扫描电镜(SEM)对磨损表面形貌观察,探讨纤维、粉末和石墨填充增强PTFE复合材料的减摩耐磨机理,结果表明:纤维和粉末在基体中优先承受载荷,并能将摩擦面上压应力和剪应力传递到基体内部而不至于在表面层应力集中,有效阻止了PTFE的大面积破坏,提高了耐磨性。纤维和有机粉末会在磨损面富集,导致摩擦系数提高,并且在载荷的作用下容易脱落,造成磨粒磨损;石墨可以在磨损表面形成润滑膜,降低摩擦系数,提高材料耐磨性。石墨的加入还可以减小纤维所受的摩擦力,降低纤维的脱落趋势,起到了润滑剂的作用。SiO2的加入降低了复合材料的摩擦系数和磨损率,而其他填料的加入使复合材料的摩擦系数增大,磨损率降低。纤维、粉末和石墨协同增强的PTFE复合材料的摩擦磨损性能更佳。综合试验结果可知:纤维、粉末和石墨协同增强PTFE复合材料的摩擦磨损性能、综合力学性能较好。最优配方分别为(wt%):15PPS纤维+15Gr+70PTFE:10PPS纤维粉+20Gr+70PTFE;10PPS粉末+20Gr+70PTFE;20PPTA+10Gr+70PTFE;20GF+10Gr+70PTFE;15SiO2+15Gr+70PTFE。
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