中国粉体网讯 聚四氟乙烯(PTFE)含有强的氟碳键，具有良好的化学稳定性、耐高温性、绝缘性、自润滑性和不粘附等特性。作为摩擦/磨损高分子聚合物材料，PTFE在航天、医疗、建筑设备制造等领域被广泛用作电源和信号线的绝缘层，耐腐/耐磨薄膜、管板棒、轴承、垫圈、阀门及化工管道、管件、设备容器衬里等。
但是，未经改性的PTFE具有硬度较低且磨损量较大、导热率低且线膨胀系数较大、易冷流且抗蠕变性不佳等不足，一定程度制约并影响了它的应用领域和使用效能。
为了改善PTFE的性能缺陷，通常需要通过填充或共混的方法对其进行改性。改性后的PTFE性能大大提高，将其与弹性体复合制备出的组合式密封件，能够适应飞行器液压与气动系统中高温、高压、高载荷、高转速的苛刻工况。
材料磨损是密封装置常见的失效模式之一。针对PTFE耐磨性差的特点，通过加入适量能提升材料抗变形能力的增强填料(如纤维、硬质金属粉末)或者能改变材料界面特性的润滑填料均可以显著提升其耐磨性。针状硅灰石(Wollastonite)是一种纤维状的硅酸盐矿物，耐高温性能优越，热膨胀系数小，无毒无味且耐化学药品腐蚀，在橡塑改性中常作为增强或耐磨填料来使用，具有明显的性能优势与成本优势。
PTFE材质垫圈 图片来源：无锡市祥健四氟制品有限公司
1硅灰石填充改性PTFE提高材料摩擦性能
案例1
李红波等以针状的硅灰石和鳞片石墨为填料，采用冷压—烧结工艺制备了不同填料含量的PTFE复合材料，考察了复合材料的摩擦磨损性能，并利用扫描电子显微镜对磨痕和转移膜进行了分析。
结果表明，单独填充硅灰石和石墨时，PTFE的磨损率都会随填料含量的增加而降低，硅灰石的作用要强于石墨；但硅灰石会使PTFE的摩擦因数明显增大，而石墨会使PTFE的摩擦因数降低。两种填料提升PTFE耐磨性的作用机理不同，硅灰石在摩擦过程中会在滑动界面区域上逐渐堆积，起到优先承担载荷的作用，而石墨在摩擦过程中会发生片层的滑移与剥离，有助于转移膜的形成。适量的硅灰石(含量为20%)与石墨(含量为5%或10%)复合填充能产生协同效应，使PTFE的磨损率进一步降低，耐磨性比未填充的PTFE提高200倍。
PTFE及填料的微观形貌
案例2
王志丹等选择针状硅灰石(Wo)和碳纤维(CF)作为协同改性剂，制备聚四氟乙烯(PTFE)复合材料，并对改性复合材料的力学性能、热力学性能和耐磨损性能进行测试。
其中，摩擦性能实验结果表明：
干摩擦实验中，20%Wo对PTFE的改善效果最好，平均摩擦系数由0.241降至0.179；体积磨损率由853×10-4mm3/(N·m)降至0.71×10-4mm3/(N·m);
湿摩擦实验中，10%Wo与10%CF对PTFE的改善效果最好，平均摩擦系数由0.161降至0.112；体积磨损率由511×10-4mm3/(N·m)降至5.34×10-4mm3/(N·m)。比较干湿两种场景，PTFE+10%Wo+10%CF的耐磨损性能最好。
案例3
吴迪等将机械力化学改性后的凹凸棒石和硅灰石粉体添加到聚四氟乙烯(PTFE)中，通过机械搅拌、冷压烧结制成矿物/聚合物复合材料，并对复合材料的理化性能及其摩擦磨损特征进行了研究。
其中摩擦磨损结果表明，PTFE复合材料的摩擦系数较未添加矿物粉末的PTFE略微升高，但摩擦量显著降低；同时含有凹凸棒石与硅灰石的PTFE复合材料，在高载荷(200N)和中低转速(0.21m/s)工况环境下具有很低的磨损量和较低的摩擦系数。研究认为，与PTFE复合材料对磨的钢环表面，形成了含有矿物粉体组分的不连续转移润滑膜和氧化膜，有效改善了PTFE复合材料与对偶金属摩擦副摩擦界面的自适应性，进而有效减弱了钢环对PTFE复合材料的表面磨损。
硅灰石填充ＰＴＦＥ的磨痕及转移膜
2硅灰石提高PTFE摩擦性能的机理
2.1优先承担载荷
硅灰石在摩擦过程中会在滑动界面区域上逐渐堆积，起到优先承担载荷的作用。当硅灰石表面接触压力增加后，会因为PTFE的“冷流”作用陷入到树脂基体内部，这个过程的不断循环将导致接近滑动界面区域上的填料堆积。硅灰石含量越大，填料堆积就越迅速，摩擦因数也更大。
2.2形成润滑膜和氧化膜
摩擦界面形成了含有硅灰石矿物粉体组分的不连续转移润滑膜和氧化膜，膜层有效改善了PTFE复合材料与摩擦界面的自适应性。
结语
在硅灰石与其他碳基填料的协同作用下，PTFE不仅摩擦性能得到显著提升，其断裂伸长率、抗蠕变性能、洛氏硬度等都可以得到大幅度增强。总体而言，硅灰石填充改性塑料制品，相较大部分无机粉体而言，有明显的功能化、多元化优势以及较强的高值化潜力。
参考来源
王志丹，等：针状硅灰石/碳纤维协同作用对PTFE性能的影响，郑州工业应用技术学院建筑工程学院
李红波，等：硅灰石与石墨对聚四氟乙烯摩擦磨损性能的影响，中国航发北京航空材料研究院
吴迪，等：凹凸棒石–硅灰石/PTFE复合材料摩擦磨损性能及其机理，中国地质大学
