PTFE微粉改性ABS自潤滑材料的制備和摩擦性能研究

趙艷青，尹秀萍，賈 妮

(1.上汽大眾汽車有限公司長沙分公司，長沙 410132；2.上海普利特復(fù)合材料股份有限公司，上海 201707)

0 前言

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)由于優(yōu)良的加工流動性和優(yōu)異的力學性能被廣泛用于生產(chǎn)汽車內(nèi)飾件[1-3]，特別是汽車內(nèi)飾的各類把手和開關(guān)。然而ABS材料的摩擦因數(shù)較高，自潤滑性能較差，導(dǎo)致這類零件在操作過程中都會產(chǎn)生噪聲。隨著汽車數(shù)量的增長和人民生活水平的不斷提高，用戶對汽車內(nèi)飾舒適性和人機工程學的要求越來越高，把手或開關(guān)的噪聲問題引起了廣泛關(guān)注。提高ABS材料自潤滑性能最常用的方法是添加潤滑劑[4-5]，但是一直沒能達到理想的效果。

聚四氟乙烯(PTFE)是一種耐熱性聚合物, 其分子結(jié)構(gòu)規(guī)整, 靜摩擦因數(shù)可達0.04, 是已知的可實用的滑動材料中摩擦因數(shù)最小的[6-7]。筆者嘗試采用PTFE微粉改性ABS塑料的自潤滑性能，一方面保留ABS優(yōu)異的力學性能、沖擊強度，以及耐溫、抗紫外線(UV)等性能，另一方面可以利用PTFE優(yōu)異的自潤滑性提高ABS基零部件的自潤滑性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料

ABS，牌號3504，上海高橋石油化工有限公司；

PTFE微粉，牌號A1401，粒徑為2目，上海安特洛普化學有限公司；

其他助劑，市售。

1.2 主要設(shè)備

注塑機，MA4700II/2950型，寧波海天塑機集團有限公司；

紅外光譜儀，Nicolet iS50，賽默飛世爾科技(中國)有限公司；

缺口沖擊儀，HIT25P，上海茲韋克儀器科技有限公司；

拉力機，Z010P.TH，上海茲韋克儀器科技有限公司；

表面能測試儀，DSA100，德國KRUSS中國公司；

黏滑測試臺，SSP-03，德國Ziegler工業(yè)設(shè)備公司。

1.3 樣品制備和測試

將ABS樹脂、PTFE微粉、相容劑、偶聯(lián)劑、抗氧劑按比例加入攪拌機中，攪拌10 min，得到預(yù)混料。將預(yù)混料置于雙螺桿擠出機中，雙螺桿擠出機的螺桿直徑為35 mm，長徑比為40，主機筒從加料口至機頭出口分段控制溫度為100 ℃、230 ℃、230 ℃、225 ℃、225 ℃、220 ℃、220 ℃，雙螺桿轉(zhuǎn)速為500 r/min，擠出料條經(jīng)過水槽冷卻后切粒得到了含有不同PTFE質(zhì)量分數(shù)(0%、3%、5%、8%、10%)的聚合物塑料粒子。

注塑成品為30 cm×15 cm的光板件，各檢測項目的制樣根據(jù)相應(yīng)的標準要求進行裁切,并參考相關(guān)標準進行紅外測試、缺口沖擊強度測試、拉伸強度測試、摩擦因數(shù)測試和黏滑系數(shù)(RPN)測試[8-10]。

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 復(fù)合材料的紅外光譜和熱分析

對共混復(fù)合制得的ABS復(fù)合材料進行紅外測試，結(jié)果見圖1。由圖1可以看出：無PTFE微粉添加的復(fù)合材料在1 100～1 300 cm-1處，只有1 182 cm-1一個苯環(huán)彎曲振動峰；隨著PTFE含量的增加，譜圖出現(xiàn)1 208 cm-1和1 156 cm-1兩個明顯的振動峰，分別對應(yīng)—CF2—的不對稱伸縮振動峰和—CF2—的對稱伸縮振動峰。

(a) 無PTFE微粉添加

對共混復(fù)合制得的ABS復(fù)合材料進行熱分析，結(jié)果見圖2。由圖2可以看出：無PTFE微粉添加的復(fù)合材料在113 ℃附近有ABS由玻璃態(tài)到黏流態(tài)的相變；添加了PTFE微粉的復(fù)合材料除了113 ℃附近的相變以外，在325 ℃附近還有PTFE的熔融峰。從紅外和差示掃描量熱法(DSC)譜圖可以推斷，PTFE微粉已經(jīng)成功添加到復(fù)合物中，但是PTFE微粉并沒有改變ABS的分子結(jié)構(gòu)。

(a) PTFE微粉質(zhì)量分數(shù)為10%

2.2 復(fù)合材料的摩擦因數(shù)

物體受力滑動由靜摩擦轉(zhuǎn)為動摩擦，由于動摩擦因數(shù)小于靜摩擦因數(shù)，摩擦力減小引起能量釋放，導(dǎo)致物體振動，產(chǎn)生黏滑效應(yīng)或產(chǎn)生噪聲的諧波[6,11-12]。因此，靜動摩擦因數(shù)的差值越小，越可以降低復(fù)合材料的噪聲。筆者測試了不同PTFE微粉質(zhì)量分數(shù)的復(fù)合材料的靜動摩擦因數(shù)，結(jié)果見圖3。由圖3可以看出：隨著PTFE微粉質(zhì)量分數(shù)的增加，雖然靜動摩擦因數(shù)在PTFE微粉質(zhì)量分數(shù)為8%時出現(xiàn)了波動，但是復(fù)合材料靜摩擦因數(shù)和動摩擦因數(shù)的差值一直呈遞減的趨勢；無PTFE微粉添加的ABS材料的靜動摩擦因數(shù)差值為0.18，PTFE微粉質(zhì)量分數(shù)為10%的復(fù)合材料的靜動摩擦因數(shù)的差值只有0.09。PTFE微粉的添加大大降低了ABS復(fù)合材料的靜動摩擦因數(shù)的差值，對提高復(fù)合材料的自潤滑性能有著積極的作用。

圖3 不同PTFE微粉質(zhì)量分數(shù)的復(fù)合材料的靜、動摩擦因數(shù)及其差值

2.3 復(fù)合材料的表面能

PTFE是典型的低表面能聚合物，其表面張力在實用工程塑料中是最低的，這導(dǎo)致PTFE有很好的自潤滑性，摩擦因數(shù)也很低。筆者測試了不同PTFE微粉質(zhì)量分數(shù)的復(fù)合材料的表面能，結(jié)果見圖4。由圖4可以看出隨著PTFE質(zhì)量分數(shù)的增加，ABS復(fù)合材料的表面能呈下降趨勢：無PTFE微粉添加的ABS材料表面能為52.68 J/m2，PTFE微粉質(zhì)量分數(shù)為10%的復(fù)合材料表面能為40.49 J/m2,復(fù)合材料逐步呈現(xiàn)出PTFE低表面能的特性。因此，PTFE微粉的加入對提高復(fù)合材料的自潤滑性能，進而降低復(fù)合材料運動時產(chǎn)生的噪聲是有利的。

圖4 不同PTFE微粉質(zhì)量分數(shù)的復(fù)合材料的表面能

2.4 復(fù)合材料的力學性能

為表征復(fù)合材料的力學性能，筆者重點測試了不同PTFE微粉質(zhì)量分數(shù)的復(fù)合材料的拉伸強度和缺口沖擊強度，結(jié)果見圖5。由圖5可以看出：隨著PTFE微粉質(zhì)量分數(shù)的增加，復(fù)合材料的拉伸強度增強，在PTFE微粉質(zhì)量分數(shù)為10%時拉伸強度達到48 MPa；同時，復(fù)合材料的缺口沖擊強度由12.4 kJ/m2降低為8.2 kJ/m2。有關(guān)標準要求ABS材料的缺口沖擊強度要大于等于8 kJ/m2[10]，所以在實際生產(chǎn)應(yīng)用中PTFE微粉的添加量不能過多，否則會影響ABS復(fù)合材料的沖擊性能，建議PTFE微粉的質(zhì)量分數(shù)控制在10%以內(nèi)。

圖5 不同PTFE微粉質(zhì)量分數(shù)的復(fù)合材料的缺口沖擊強度和拉伸強度

2.5 復(fù)合材料的RPN

RPN為樣品摩擦過程中產(chǎn)生的能量、脈沖、加速度三個因素評級后的加權(quán)平均值，常用于評價物質(zhì)的黏滑效應(yīng)。RPN越大表明零件的黏滑效應(yīng)越明顯，物質(zhì)的自潤滑性能越差，材料在干摩擦過程中越容易產(chǎn)生噪聲。參考有關(guān)標準測試不同PTFE微粉質(zhì)量分數(shù)的復(fù)合材料的RPN[10]，結(jié)果見表1。根據(jù)標準要求，當RPN為1～3時，可接受(IO)；當RPN為4～5時，可帶條件接受(BIO)；當RPN為6及6以上時，不可以接受(NIO)。根據(jù)市場情況，供貨態(tài)零件無噪聲，零件曝曬一段時間之后噪聲明顯，所以筆者重點評價了90 ℃/300 h存放后各復(fù)合材料的RPN。由表1可以看出：無PTFE微粉添加的ABS材料存放后RPN在低速(4 mm/s)下為BIO甚至NIO；隨PTFE微粉質(zhì)量分數(shù)的增加，RPN逐步減小，當PTFE微粉質(zhì)量分數(shù)為8%～10%時，復(fù)合材料在載荷為10 N和40 N、速度為4 mm/s和10 mm/s時均表現(xiàn)出較低的RPN和良好的自潤滑性能。

表1 不同PTFE微粉質(zhì)量分數(shù)的復(fù)合材料的RPN

3 結(jié)語

(1) 由紅外譜圖和熱分析實驗可以看出，筆者采用共混法制備出了PTFE微粉改性ABS復(fù)合材料，PTFE微粉成功加入ABS復(fù)合材料中，且PTFE微粉并沒有改變ABS材料的分子結(jié)構(gòu)。

(2) PTFE微粉的加入能有效降低ABS復(fù)合材料的靜動摩擦因數(shù)的差值、表面能和RPN，充分發(fā)揮PTFE聚合物的高自潤滑性能，進而提高聚合物復(fù)合材料的自潤滑性能，制得低噪聲的ABS基復(fù)合材料。

(3) 隨著PTFE微粉質(zhì)量分數(shù)的增加，雖然ABS復(fù)合材料的自潤滑性能提高，但是PTFE微粉加入量過多，零件的流動性會下降，進而影響零部件的缺口沖擊強度。因此，為保證ABS復(fù)合材料符合零件的標準要求，建議PTFE微粉的質(zhì)量分數(shù)控制在10%以內(nèi)。