埃洛石纳米管/聚四氟乙烯纳米复合材料的制备及其摩擦性能的研究

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聚四氟乙烯(PTFE)是一种常用的高分子聚合物,具有较高的结晶度、稳定的化学性质、优异的自润滑性能等特质,因此在机械、化工设备、电子和生物医学等领域都有广泛的应用。作为一种摩擦材料,PTFE可以在严苛的工况条件下提供极低的摩擦系数,但是PTFE分子间的范德华作用力较弱,内聚能低的特点也导致了其在摩擦过程中较为严重的磨损。填充改性是一种有效提高PTFE摩擦磨损性能的方法,一维和二维纳米填料在复合材料中可以起到优先支撑载荷,提高复合材料的刚性并优化应力传递的作用,在复合材料的制备中有较大的优势。埃洛石纳米管(HNTs)是一种优质价廉,储量丰富的一维纳米材料,其用于复合材料摩擦领域尤其是PTFE中的研究还未见到报道,因此,HNTs/PTFE纳米复合材料的制备及其摩擦性能的研究是一个需要解决的科学问题。  本文以HNTs为填料,PTFE为连续相,通过冷压烧结的方法制备了HNTs/PTFE纳米复合材料。利用XRD、FTIR、WCA、SEM、TEM、TG等手段进行表征,通过万能摩擦磨损试验机和万能材料试验机对复合材料的摩擦磨损性能和力学性能进行了测试。考察了HNTs的填充含量,复合材料的制备工艺和改性手段等对HNTs/PTFE纳米复合材料力学和摩擦磨损性能的影响。对于HNTs的填充含量,我们发现拉伸强度随着HNTs含量的增加出现先上升后下降的趋势,在HNTs的填充量为2wt.%时,拉伸强度达到29MPa,略高于纯PTFE的28MPa,之后随着HNTs含量的增加,复合材料的拉伸强度出现下降的趋势。随着HNTs填充量的增加,复合材料的抗磨性能逐渐提高:当HNTs的填充量为2wt.%时,磨损体积降低为纯PTFE的45%;当填充含量为10wt.%时,体积磨损为0.00163cm3/h,仅为纯PTFE的1/362,但是低磨损率也伴随着摩擦系数的提高。我们采用了溶剂混合的方法来混合HNTs和PTFE复合粉料。从制备的复合材料来看,在同样的物料配比条件下,湿法混合制备的2wt.%HNTs的HNTs/PTFE复合材料的拉伸强度比干法混合制备的同样配比的复合材料的拉伸强度提高了3-5MPa,体积磨损为干法混合制备的2wt.%HNTs的复合材料的1/5。我们分别对HNTs进行了接枝PMMA改性、表面羧基化改性和表面活性剂SDS的改性,制备了填充量为2wt.%的功能化HNTs的复合材料。改性后的复合材料体积磨损为纯PTFE的5%到8.3%。  本文利用HNTs表面富有羟基的特点引入氯乙酰氯,之后通过接枝亲水分子二乙醇胺和亲油分子十二胺的手段来调变HNTs的表面极性;另一方面利用HNTs具有吸附性的特点将丙烯酰胺(AM)吸附到HNTs表面,通过反相乳液聚合对HNTs进行表面包覆,并制备了填充量为2wt.%的HNTs/PTFE复合材料。测试发现,经亲油改性的HNTs/PTFE的复合材料力学性能最好,拉伸强度比纯PTFE提高了9MPa,断裂伸长率提高了30%。在摩擦磨损性能方面,三种改性的摩擦系数比纯PTFE有轻微的提高,润滑效果较好。经二乙醇胺改性的复合材料体积磨损约为纯PTFE的3.9%;经十二胺改性的复合材料的体积磨损约为纯PTFE的1.7%;经丙烯酰胺改性的复合材料的体积磨损约为纯PTFE的2.7%。根据以上研究可以得到:HNTs在PTFE基质中的分散性和相容性决定着复合材料的摩擦力学性能,亲水和亲油改性的HNTs有着相似的分散性,但是亲油改性的HNTs在PTFE基质中有更好的分散性和相容性,因此有着更好的力学摩擦性能。
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