摘　要：通過機械攪拌和超聲分散制備了納米Al₂O₃填充聚四氟乙烯(PTFE)復合材料。研究了Al₂O₃用量、表面改性等因素對復合材料密度、硬度、力學性能、摩擦磨損等性能的影響。結果表明：當改性Al₂O₃的質量分數小于5％時，復合材料的拉伸強度、硬度要高于相同用量未改性Al₂O₃填充的復合材料；對改性Al₂O₃，當其質量分數為1％和9％時，復合材料的磨耗量較純PTFE分別下降了55倍和286倍，而對未改性Al₂O₃，當其質量分數為1％和9％時，復合材料的磨耗量較純PTFE分別下降了7倍和420倍；復合材料的密度與Al₂O₃的用量，表面是否經KH560改性關系不大；復合材料的摩擦因數隨Al₂O₃用量的增加先減小后增大，對未改性Al₂O₃，當其質量分數為1％時，復合材料具有低摩擦因數，而對于改性Al₂O₃，當其質量分數為3％時，復合材料具有低摩擦因數。
關鍵詞：聚四氟乙烯；復合材料；力學性能；摩擦磨損

　　聚四氟乙烯(PTFE)樹脂具有優異的耐高低溫、耐腐蝕、耐老化、高絕緣、不黏等性能，但由于其尺寸穩定性差、導熱性能差、蠕變大、硬度低，尤其是在載荷下易磨損，使它在機械承載、摩擦磨損和密封潤滑等領域的應用受到限制。因此為了拓展PTFE的應用領域，需要對其填充改性，即利用填充粒子硬度大、耐磨、尺寸穩定、導熱性好等優點來改善PTFE的缺陷。常用的填充材料包括玻璃纖維、碳纖維、青銅粉、石墨、炭黑、各種陶瓷粉以及一些耐高溫有機物等。目前，納米粒子由于具有小尺寸效應、表面與界面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應，正逐漸引起人們的注意，被用來填充PTFE樹脂，制備高性能的PTFE復合材料。
　　本文在前人研究的基礎上，繼續探討了高性能納米粒子(Al₂O₃)填充PTFE復合材料的制備和性能。對復合材料的密度、硬度、力學性能、摩擦磨損等性能進行了研究。

1　實驗部分

1.1　原料和試劑
　　PTFE：平均粒徑50μm，山東東岳高分子材料有限公司；Al₂O₃：平均粒徑60 nm，上海水田材料科技有限公司；γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷：KH560，深圳市優越昌浩科技有限公司；無水乙醇：分析純，杭州高晶精細化工有限公司。
1.2　KH560改性納米氧化鋁
　　稱取0.4 g KH560溶入200 mL乙醇中，攪拌10min后，往其中加入10 g納米Al₂O₃，25～35℃ 超聲攪拌4 h，過濾除去溶劑，固體經100 ℃烘干4 h即可。
1.3　PTFE／Al₂O₃復合材料的制備
　　稱取一定量的納米Al₂O₃(表面經KH560改性或未改性)，加入到PTFE中，手攪10 min，往其中加入無水乙醇，超聲并機械攪拌30 min，接著過濾回收乙醇，固體則經100 ℃烘干4 h。Al₂O₃在復合材料中的質量分數分別為1％、3％、5％、7％和9％。制備好的復合材料又經冷壓成型―燒結成型―毛坯制品―鋸割―打磨等過程，制備成測試樣品。
1.4　復合材料的性能測試
　　拉伸性能：按照HG／T 2902-1997標準測試，拉伸速率10 mm／min；磨損性能：按照GB／T 3960-1983標準測試，轉速200 r／min，干摩擦，對偶件硬度為HRC的45^#鋼環，摩擦表面粗糙度R_a為0.08~0.12 μm，磨損時間為120 min，載荷200 N，用萬分之一天平測量試樣磨損前后的質量，根據摩擦磨損過程中記錄的摩擦力矩計算試樣的摩擦因數；硬度：按照GB／T 2411-1980標準測試；密度：按照GB1033-1986標準測試。

2　結果與討論

2.1　Al₂O₃用量PTFE／Al₂O₃復合材料的拉伸性能的影響

　　圖1為納米Al₂O₃用量對PTFE／Al₂O₃復合材料拉伸性能的影響(數據見表1)。由圖1a可以看出，隨著納米粒子的加入，復合材料的拉伸強度都會有所下降，這是因為納米粒子填充到FFFE基體中，它會阻礙基體大分子鏈的運動，使復合材料內部缺陷增多，同時納米粒子會產生應力集中，也導致了復合材料拉伸強度下降。當納米粒子質量分數小于5％時，改性納米Al₂O₃填充的復合材料的拉伸強度比未改性納米Al₂O₃復合材料的拉伸強度要高，這是因為納米粒子經改性后，表面能會降低，與PTFE混合時分散更加均勻。但當納米粒子質量分數大于5％時，改性前后兩種Al₂O₃填充的復合材料其拉伸強度值卻相差不大，這與納米粒子數量增多，不管它們是否改性，在FFFE中分布趨于一致有關。由圖1b可以看出，復合材料的斷裂伸長率與拉伸強度一樣，均隨著納米粒子的加入較純PTFE發生下降。
2.2　Al₂O₃用量PTFE／Al₂O₃復合材料硬度的影響

　　PTFE／Al₂O₃復合材料的硬度與Al₂O₃用量的關系如圖2(數據見表1)。由圖2可知，隨著納米粒子的填充，復合材料的硬度較純PTFE增加，這是因為Al₂O₃為硬質材料，在復合材料中起到分散和傳遞載荷的作用，能較好地增加材料的硬度。同樣當Al₂O₃的用量較低時(1％、3％)，改性后Al₂O₃填充的復合材料其硬度值要大于未改性Al₂O₃填充復合材料的硬度值，而當Al₂O₃的用量繼續增加時，兩種復合材料的硬度值則趨于一致。
2.3　Al₂O₃用量對PTFE／Al₂O₃復合材料密度的影響

　　PTFE／Al₂O₃復合材料的密度與Al₂O₃用量的關系如圖3(數據見表1)。由圖3可知，復合材料的密度在2.07～2.15 g／cm³之間，與純PTFE相差不大，并且與Al₂O₃的質量比和其表面是否經KH560改性關系也不大。
2.4　Al₂O₃用量對PTFE／Al₂O₃復合材料摩擦磨損性能的影響
　　PTFE／Al2O3復合材料磨耗量與Al₂O₃用量的變化關系如圖4(數據見表1)。由圖4可以發現，當納米粒子質量分數為1％時，改性Al2O3填充的復合材料其磨耗量要明顯小于未改性Al₂O₃填充的復合材料，并分別比純PTFE的磨耗量(628.8 mg)降低了55倍和7倍多，可見，納米Al₂O₃能顯著提高PTFE的耐磨性能，尤其是經過改性的Al₂O₃，它在PTFE中分散更加均勻，更能起到提升耐磨性的作用。繼續增加納米粒子的用量，兩種復合材料的磨耗量逐漸減小并趨于一致，當納米Al₂O₃質量分數達9％時，改性Al₂O₃填充的復合材料其磨耗量較純PTFE降低了286倍，而未改性Al₂O₃填充的復合材料其磨耗量較純PTFE降低了420倍。納米粒子的加入能大大提高復合材料的耐磨性能，主要是由于磨損過程中PTFE大分子鏈發生滑移或斷裂，加入硬質填料后，填料具有優先承載的作用，且納米填料表面又可吸附大分子鏈，使大分子鏈互相纏繞，從而阻止了PTFE帶狀結構的大面積破壞，提高耐磨性。復合材料的磨痕寬度見表1，其變化趨勢與磨耗量一致。

2.5　Al₂O₃用量對PTFE／Al₂O₃復合材料摩擦因數的影響
　　PTFE／Al₂O₃復合材料的摩擦因數與Al₂O₃用量的關系如圖5(數值見表1)。由圖5可知，當納米Al₂O₃的質量分數不超過5％時，兩種復合材料的摩擦因數均比純PTFE低，而當繼續增加Al₂O₃用量時，兩種復合材料的摩擦因數則都超過純PTFE。PTFE在摩擦過程中，會向磨件表面轉移形成一層PTFE膜，使摩擦變成PTFE之間的摩擦，因此PTFE具有低的摩擦因數。若PTFE中填充有納米粒子，它同樣會出現在PTFE轉移膜中，少量的納米粒子能吸附對磨件金屬，固定轉移膜，從而進一步降低摩擦因數，但納米粒子數若多，它在摩擦面上的分布也越多，這樣會破壞轉移膜，使PTFE與金屬直接對磨，從而增加摩擦因數。從圖5可以看出，當未改性納米Al₂O₃的質量分數為1％，改性納米Al₂O₃的質量分數為3％時，對應復合材料的摩擦因數低，均為0.15。

3　結論

　　1)隨著納米Al₂O₃的加入，復合材料的拉伸強度和斷裂伸長率都較純PTFE發生下降。KH560改性后納米Al2O3在其質量分數小于5％時，制備的復合材料的拉伸強度要大于相同用量未改性Al₂O₃填充的復合材料，而當進一步增加Al₂O₃用量時，兩種復合材料的拉伸強度逐漸減小并趨于一致。
　　2)復合材料的硬度隨著Al₂O₃用量的增加不斷增大，并當Al₂O₃用量較低時(小于3％)，改性Al₂O₃填充復合材料的硬度要大于未改性Al2O3填充復合材料的硬度。復合材料的密度與Al₂O₃的用量及其表面是否經KH560改性關系不大。
　　3)納米Al₂O₃能顯著提高復合材料的耐磨性能，對改性Al₂O₃，當其質量分數為1％和9％時，復合材料的磨耗量較純PTFE分別下降了55倍和286倍，而對未改性Al₂O₃，當其質量分數為1％和9％時，復合材料的磨耗量較純PTFE分別下降了7倍和420倍。復合材料的摩擦因數隨著Al₂O₃用量的增多先減小后增大，對于未改性Al₂O₃，當其質量分數為1％時，復合材料的摩擦因數小，而對于改性Al₂O₃，當其質量分數為3％時，復合材料的摩擦因數小。