塑料的黏度改性分为两种情况，绝大多数情况需要降低树脂的黏度，以增加流动性，如大尺寸薄壁注塑产品。尤其是在热固性树脂和PPS树脂的加工配方设计中，加入交联剂是必需的，否则其黏度不能适合于塑化加工。目前，剪切增黏材料主要用于人体防穿刺材料、石油增黏剂和阻尼材料等。（二）降低塑料黏度改性增塑剂是PVC最有效的黏度改性剂，在PVC中加入增塑剂以降低加工温度，提高整体流动性。......
2023-06-26
塑料减摩和耐磨性配方的优化设计
【摘要】：用于将动摩擦材料因摩擦起热产生的热量迅速转移，以免引起热裂解反应，降低材料的性能。对PTFE减摩、耐磨性配方而言，实行多元填充的耐磨性好。可使耐磨性提高250倍，摩擦因数降低30%。其他PTFE减摩、耐磨配方见表4-79和表4-80所示。表4-79 PTFE常用的减摩耐磨复合材料配方表4-80 聚苯酯改性PTFE耐磨复合材料为改善与共混物的相容性，F4的相对分子质量应
减摩性塑料具有低摩擦、自润滑、耐磨、耐腐蚀、减震吸振、降低噪声、密度小、比强度高、加工简便、压缩和疲劳强度高、抱合性、嵌埋性、顺应性和抗胶合性等优点。减摩塑料可解决金属难以克服的许多问题，节省大量贵重金属，减轻设备质量，降低成本。
减摩性塑料的缺点为刚性、蠕变性、导热性和耐热性不高，只能用于低载荷、低转速、常温和界面散热条件好的场合使用。
减摩性塑料为在热塑性和热固性树脂中添加有机或无机减摩材料，最早的减摩材料开发于20世纪20年代的石墨填充酚醛树脂和可浸油的酚醛树脂，以后陆续开发了尼龙、PTFE、POM、PI、UHMWPE及环氧基减摩材料。
减摩性塑料复合材料的组成：
①基础树脂：PTFE、POM、PA、聚苯酯、氯化聚醚、UHMWPE、PI、PF及EP等；
②减摩润滑组分：PTFE、润滑油、石墨、二硫化钼、二硫化钨、铅、氧化铅及铟等；
③耐磨组分：石墨、二硫化钼及耐磨聚合物等；
④增强组分（硬度、强度、耐蠕变性）：玻璃纤维及碳纤维等；
⑥热稳定组分：热稳定剂及抗氧剂等。
（一）基础树脂
常用的耐磨聚合物如表4-78所示。
F4具有低摩擦因数（已知树脂中最低）、优异自润滑性、高度不黏性，但耐磨性差、压缩蠕变大、尺寸稳定性差、导热性差、力学性能一般，加工性能不好。
聚苯酯为聚对羟基甲酸苯酯，为芳香族聚酯系聚合物，高结晶、不溶不熔。耐热性好、分解温度530℃、可在300℃长期使用，具有良好的自润滑性、耐磨性，导热系数大（比PA、F4大3～5倍），耐辐射，耐一切有机溶剂，绝缘性优良。
（二）减摩组分
聚四氟乙烯聚合物，其摩擦因数仅为0.13。在PA6中加入15%的改性F4，其摩擦因数可由0.41降低到0.24。
具体品种有石油系润滑油、合成润滑油、植物油、动物油、各种表面润滑剂等。其改性原理为：利用润滑剂向聚合物和摩擦副表面迁移和扩散，在聚合物和摩擦副表面形成转移油膜，使聚合物与摩擦副之间的摩擦转换成润滑剂本身的分子滑移，从而减小了聚合物与摩擦副之间的摩擦阻力，提高聚合物的耐磨性和极限PV值、降低摩擦因数、改善耐蠕变性能，特别适合于塑料与光滑金属表面配合，有效防止黏着磨损。不足之处为力学性能和硬度略有下降。
为提高润滑剂在聚合物中的分散性，防止在加工中油类析出，往往需要加入少量表面活性剂和超细的PT-FE、石墨、二硫化钼等作为吸油载体。
无机润滑剂主要包括：具有层状结构的石墨、氟化石墨、二硫化钼等，具有层状结构的无机润滑剂可在摩擦力和剪切力作用下，在层片之间发生相对滑移，在摩擦副表面生成转移膜，减小摩擦因数，提高耐磨性。
（三）耐磨组分
①添加金属粉末，常用的金属粉末有：铅粉、青铜粉、铜粉、纳米铜粉、锌粉、锡青铜粉、巴氏合金、高锡铝合金、镍粉和硒粉等，但以纳米铜粉效果最好，它与聚合物基体的结合好，比界面产生的擦伤作用较弱，造成的磨粒磨损较小，使耐磨性有较大提高。例如，在PTFE中填充锌粉、镍粉和硒粉，可使其磨损率降低到1/1000。
②金属氧化物：主要为SiO2、B2O3、Al2O3、CuO、La2O3、Pb3O4及Fe2O3等。
③碳化物：主要为石墨、氟化石墨、二碳化三铬和碳化硅等。
④硫化物：主要为MoS2、CuS及Ag2S等。
⑤氮化物等：主要为氮化硅、粒径小于1μm球形陶瓷粉末及CuF等。
无机耐磨组分加入树脂中后，复合材料的耐磨明显提高。例如，用氧化铜、硫化铜、四氧化三铅填充HDPE，可使其磨损量降低到1/15。再如，用三氧化二钇、二氧化硅填充PTFE，可使其磨损量降低到1/1000。
不同耐磨聚合物品种可以互相共混，以提高其耐磨性能。其具体改性原理为：耐磨性聚合物析出在主体聚合物的表层附近，使主聚合物表面与摩擦副表面之间的摩擦，转化为耐磨聚合物与摩擦副之间的摩擦，限制了摩擦副表面上较尖锐部分的磨损和磨粒对主体聚合物表面的嵌入深度，有效地抑制了犁切裂纹和疲劳断裂点的生成，防止诱发大面积的黏着磨损。
常用的耐磨聚合物有：聚苯酯、PI、UHMWPE、PBT、LCP、氯化聚醚、PPS、PAR等。例如在POM中加入20%UHMWPE，可使改性POM的自润滑性大幅提高，摩擦因数由0.26降为0.20，磨耗由3.5mg降为1.0mg。
（四）增强组分
添加玻璃纤维可提高聚合物的耐磨性、提高其力学性能和导热性能，但使摩擦因数增大。添加碳纤维的聚合物不仅力学改性效果更好、耐磨性显著提高，而且摩擦因数下降。添加芳纶纤维的聚合物在提高力学性能的同时，可显著降低摩擦因数，降低磨损率。添加纤维耐磨改性一般不单独使用，往往与PTFE或有机硅协同使用。
（五）导热组分
主要有金属粉、金属纤维、石墨、炭黑及碳纤维等。用于将动摩擦材料因摩擦起热产生的热量迅速转移，以免引起热裂解反应，降低材料的性能。
（六）几种常用减摩耐磨复合材料配方
1.PTFE
最常用的减摩耐磨复合材料，其本身具有最低的摩擦因数和自润滑性，在润滑不良或无油润滑条件及苛刻工作环境下使用最广。PTFE的不足之处在于力学性能低、PV值低、易冷流蠕变、不耐磨、导热性差及热胀系数大等缺点，必须经过综合改性形成复合材料才可应用。
PTFE（又称F4）减摩耐磨复合材料常用的填充材料有：玻璃纤维、碳纤维、石墨、二硫化钼、青铜粉、铅粉及氧化铅粉等。主要目的改善材料的耐磨性、力学性能、导热性，提高PV值。例如，对于PTFE+青铜+铅（或氧化铅）复合体系，在摩擦热效应和青铜的催化作用下，会发生PTFE与铅（或氧化铅）化学反应，生产有机氟化物，在摩擦表面上形成牢固的附着膜，大幅度提高耐磨性。对PTFE减摩、耐磨性配方而言，实行多元填充的耐磨性好。
举一最佳配方如下：
PTFE：58%～62%；青铜：2%～4%；铅：36%～38%。
可使耐磨性提高250倍，摩擦因数降低30%。
其他PTFE减摩、耐磨配方见表4-79和表4-80所示。
表4-79 PTFE常用的减摩耐磨复合材料配方
表4-80 聚苯酯改性PTFE耐磨复合材料
为改善与共混物的相容性，F4的相对分子质量应该低，采用无自凝性且易分解的F4，粒度为5～30μm超细为好。聚苯酯的粒度越细，耐磨性越好。此配方的优点为不损伤对磨材料。
再举一个沉淀BaSO4填充F4耐磨配方实例：
F4：77%；沉淀BaSO4：23%。
磨痕宽度：4.62mm（纯F4为8.49mm）；磨损量：2.4mg（纯F4为29.3mg）；摩擦因数 μ：0.218（纯F4为0.195）。
2.PA
PA具有突出的自润滑性，其磨耗量和摩擦因数都很小，是理想的耐磨材料。
填充成分为：玻璃纤维、碳纤维、润滑油、炭黑、石墨、二硫化钼及金属粉末等，目的提高其强度、刚性、耐磨性、导热性和耐候性等。
例如MC尼龙用润滑油处理后，制成的含油MC尼龙摩擦因数为0.12，接近F4；相对磨损量为1，是纯MC尼龙的1/4。
又如PA6的玻璃纤维耐磨改性配方：
PA6：75；玻璃纤维：15；改性F4：10；铜粉：适量。
此配方的具体性能为摩擦因数0.24，热变形温度165℃，冲击强度9.8kJ/m2，弯曲强度91MPa。
再如UHMWPE改性PA6配方：
PA6：72； HDPE-g-MAH：8； UHMWPE：20。
还有，在PA1010中加入15%的La2O3，其摩擦因数会从0.87降低到0.33，磨损率降低一个数量级。PA1010/CF/CuO三者以70/20/10比例混合，其耐磨性和摩擦性能好。
3.POM
POM的摩擦性和耐磨性好，具有优异的自润滑性和较高的极限PV值。POM的减摩耐磨改性主要填充F4、UHMWPE、LDPE、玻璃纤维、碳纤维、润滑油、石墨、二硫化钼及金属粉末（铜、铅）等。例如含油POM的减摩耐磨性明显提高，摩擦因数由0.33～0.46降低到0.21～0.25，磨痕宽度由12.4降低为3.0～4.2，极限PV值（0.5m/s）由2.13提高到39。
（1）润滑油改性POM耐磨配方
①POM/30#机油/硬脂酸锂/石墨比例为92/5/0.5/2.5。
②POM/润滑油/硫酸钡比例为89/7/4。
③POM/19#压缩机油/3#表面活性剂比例为100/（5～7）/1。相关性能：摩擦因数0.21～0.25，磨痕宽度3.0～4.2mm/40min，极限PV值3.9（0.5m/s）。
④POM/70#机油/硬脂酸比例为100/10/0.5。
⑤POM/70#机油/硬脂酸钙比例为100/10/1。
⑥POM/石墨/锭子油比例为80/10/10。
⑦POM/二甲基硅油比例为100/2。
⑧POM/二甲基硅油/乙烯基硅橡胶比例为89/9/2。
（2）聚四氟乙烯改性POM耐磨配方
①POM/聚四氟乙烯比例为100/10～20。
②POM/乳液聚四氟乙烯比例为100/5～20。
③POM/聚四氟乙烯/铅比例为100/5/10。
④POM聚四氟乙烯/铜比例为100/5/20。
⑤POM/聚四氟乙烯/锡比例为100/5/16。
⑥POM/聚四氟乙烯/锑比例为100/5/14.5。
POM/聚四氟乙烯的性能见表4-81所示，POM/聚四氟乙烯/金属粉的性能见表4-82所示。
表4-81 POM加入聚四氟乙烯的耐磨性
表4-82 POM/聚四氟乙烯/金属粉复合材料的耐磨性
（3）POM固体耐磨性配方
①POM/石墨比例为100/（5～20）。
②POM/石墨/氟化石墨比例为100/16/19。
③POM/二硫化钼比例为100/2。
④POM/二硫化钼/聚苯醚比例为100/3/3。
（4）POM酯类耐磨性改性配方
②POM/二月桂酸1，3-丁二醇酯比例为98.75/1.25。
③POM/季戊四醇四醋酸酯比例为93/7。
（5）POM铁粉耐磨改性配方
POM（F30-03）：100；氧化镁：0.1；抗氧剂1010：0.3；三聚氰胺：0.2；硬脂酸钙：0.2；铁粉（1μm，用2%的NDZ-201处理）：4。
加工工艺：双螺杆挤出机造粒，注塑样品条。
相关性能：摩擦系数由0.13下降到0.1，磨损量下降50%。
4.PF
采用石墨、二硫化钼、氧化铅、石棉、F4、铜粉、铅粉、石英砂、玻璃纤维及碳纤维等，可使PF的耐磨性和PV特性得到改善。
具体配方如下：
改性PF：42%；石墨：15%；酸洗石棉：33%；六次甲基四胺：6.3%；二硫化钼：2.7%；油酸：1%。
具体性能：
①摩擦因数：干摩擦0.17，蒸馏水润滑摩擦0.035。
②磨痕宽度：干摩擦2.9mm，蒸馏水润滑摩擦1.15mm。
5.聚芳醚酮
表4-83 酚酞聚芳醚酮耐磨性改性配方
聚芳醚酮为摩擦和耐磨性优异的耐热性聚合物，为进一步提高其耐磨性，可用玻璃纤维、碳纤维、二硫化钼、铜粉、石墨及LCP等改性。以酚酞聚芳醚酮为例，其具体耐磨改性配方如表4-83所示。
6.聚苯硫醚
PPS虽然具有高的强度、耐热性和耐腐蚀性，但耐磨性和摩擦性都不高，其摩擦因数高达0.362，磨损体积高达13.60mm3，因此用于耐磨场合需要进行摩擦耐磨改性。
以含30%玻璃纤维PPS加入PA66为例，具体改性效果见表4-84。
表4-84 不同PA66含量对PP/PA66/GF（30%）体系性能的影响
7.UHMWPE
①纳米氧化物：主要为三氧化二铝、二氧化锆、氧化锌和二氧化硅等。如在UHMWPE树脂中加入10%的二氧化锆，磨损率下降64%；再如在UHMWPE树脂中加入2%的二氧化硅和2%的氧化锌，磨损率下降85%。
②碳纳米管（CNFs）：如在UHMWPE树脂中加入0.5%的碳纳米管，磨损率下降45%。
③天然珊瑚：如在UHMWPE树脂中加入35的天然珊瑚，磨损率下降70%。
④交联改性：如UHMWPE在50kGy的电子束辐射下交联，磨损率下降46%；再如UHMWPE在300℃温度熔融后于150kGy的电子束辐射下交联，磨损率下降87%。
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