景亞賓，蔣曉璐，朱曉琴

（1.浙江歌瑞新材料有限公司，浙江 衢州 324004；2.浙江巨化新材料研究院有限公司，杭州 310000）

涂油器即是將玻纖浸潤劑均勻涂覆到玻璃絲表面的的一種設(shè)備，它一般主要有涂油輥、涂油盒、涂油盒蓋、保持架、驅(qū)動馬達和傳動齒輪（聯(lián)軸器）等組成[1]。由于玻璃纖維要用到不同的高分子材料當(dāng)中，因此在生產(chǎn)過程中必須涂覆不同的高分子乳液浸潤劑，在這一生產(chǎn)過程中必須用到玻璃纖維涂油輥。涂油輥工作時處于高溫高濕的環(huán)境，玻璃纖維與浸潤劑需要清潔無污染，且可回收再次利用，并易于溶劑清洗和車床車削，另一方面還要保證一定的潤滑性以防止玻璃纖維毛絲的產(chǎn)生，同時還必須有一定的氣孔率和一定的表面自由能以保證輥子攜帶浸潤劑油膜厚度的需求。

目前傳統(tǒng)的石墨涂油棍本身的污染性較大、不耐磨，浸合金石墨以及氧化鋁陶瓷類涂油輥雖然表面光滑，硬度較高，可以克服磨損顆粒對玻璃纖維的污染，但是摩擦系數(shù)較大而且被玻璃斷頭砸傷后不能修復(fù)，磨損面將切斷玻璃纖維使產(chǎn)品產(chǎn)生毛絲，同時也不能通過車削再加工后重復(fù)使用，因此限制了在玻璃纖維行業(yè)中的使用。

聚四氟乙烯（PTFE）具有優(yōu)異的耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和較低的摩擦系數(shù)被廣泛應(yīng)用。但PTFE 本身并不具有很好的抗磨損性能，以PTFE 為基體，加入各種填料后，他的抗磨性得到極大的提高[2]。筆者通過對不同材料填充改性PTFE 制作涂油輥性能的對比研究，并通過長周期生產(chǎn)線實際應(yīng)用測試加以驗證，以確定填充改性聚四氟乙烯在玻纖涂油輥中的應(yīng)用的優(yōu)化材料配方。

1 實驗部分

1.1 原材料

PTFE 懸浮粉料，牌號4TM；晶體石墨（GR），粒度44；聚酰亞胺（PI），SG100P。

1.2 樣件制作及性能測試

將PTFE和填料按一定的質(zhì)量比在高速混合機混合均勻后，在40 MPa 設(shè)計壓力下冷壓成用于測試的樣塊，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后，按照GB/T 3960－1983 標(biāo)準(zhǔn)制樣，用塑料滑動摩擦試驗機對樣品進行摩擦系數(shù)、磨耗量測試[3]；按照HG/T 2903－1997 標(biāo)準(zhǔn)制樣，用微機控制電子萬能試驗機對樣品進行拉伸強度、斷裂伸長率測試[4]；按照目前通用的光學(xué)投影外形圖像分析法，用接觸角測試儀對試樣進行表面接觸角、表面能測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨含量對PTFE材料磨損性能的影響

表1給出了干摩擦條件下石墨含量對填充改性PTFE復(fù)合材料摩擦性能的影響。

表1 石墨含量對PTFE復(fù)合材料摩擦性能的影響Tab 1 Effect of graphite content on friction properties of PTFE composites

由表1 可以看出，加入石墨后PTFE 復(fù)合材料的耐磨性能明顯提高，當(dāng)石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時候，復(fù)合材料的磨損率已明顯下降；但隨著石墨含量的進一部增加磨損率下降趨勢已不明顯。

這是由于純PTFE本身是由結(jié)晶薄片與無序非晶相的帶狀結(jié)晶構(gòu)成，兩相間的結(jié)合力較弱，而且PTFE較柔軟，強度低，在摩擦過程中極易發(fā)生黏著而使帶狀結(jié)構(gòu)被迅速破壞，導(dǎo)致其兩相間片狀脫落，使其耐磨性極差，材料呈現(xiàn)粘著磨損的機理。隨著批量石墨的加入，較多的石墨顆?？梢猿惺茌d荷，參與摩擦，阻止了PTFE基體大片剝落和向?qū)ε济孓D(zhuǎn)移，因此大大提高了復(fù)合材料的耐磨性。而隨著石墨含量的增加，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)了先增加后下降的趨勢，因為PTFE本身就是摩擦系數(shù)最低的固體潤滑劑，當(dāng)石墨含量低的時候，對偶件上形成的轉(zhuǎn)移膜并不完整[5]。當(dāng)石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到50%的時候，復(fù)合材料能在對偶表面形成較為完整的轉(zhuǎn)移膜，從而降低了復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。

從表1 還可以看出，改性的PTFE 復(fù)合材料比純的石墨材料的摩擦性能要好。

2.2 PI對PTFE材料性能的影響

PI 是綜合性能非常優(yōu)異的高分子材料，以其優(yōu)異的力學(xué)系能、自潤滑性能、耐高溫性能、耐腐蝕性能和抗蠕變性能，在材料改性方面獲得了廣泛的應(yīng)用[6]。

表2為不同PI含量PTFE基復(fù)合材料的性能。

表2 PI含量對復(fù)合材料性能的影響Tab 2 Effect of PI content on friction properties of PTFE composites

由表2可以看出，隨著PI含量的增加材料的力學(xué)性能呈下降趨勢。當(dāng)PI 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%～15%時，拉伸強度下降幅度較??；PI 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過15%時力學(xué)性能下降的趨勢變明顯；當(dāng)PI 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30%的時候，復(fù)合材料出現(xiàn)了脆斷的現(xiàn)象。這是因為盡管PI 鏈段剛性較強，模量較高，材料本身機械性能非常高[7]。但在混體系中，PI是以非連續(xù)相結(jié)構(gòu)存在于共混體系，因此復(fù)合材料最終體現(xiàn)的是PTFE樹脂的基礎(chǔ)力學(xué)性能，同時較長時間的370 ℃高溫?zé)Y(jié)過程也會使PI 樹脂降解，且與惰性的PTFE 基體缺乏緊密的界面結(jié)合力，當(dāng)復(fù)合材料承受外界應(yīng)力時，PI與PTFE的界面處極易形成應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的強度和韌性下降。

而摩擦性能方面，當(dāng)PI 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，耐磨性能就大大提高；隨著PI 含量的進一步增加磨損量趨于穩(wěn)定。這是因為隨著PI 的加入，PI 樹脂可以承受載荷，參與摩擦，阻止了PTFE基體大片剝落和向?qū)ε济孓D(zhuǎn)移，因此大大提高了復(fù)合材料的耐磨性。隨著PI 樹脂的增加，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)了下降的趨勢，當(dāng)PI 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到15%時，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定，達到最小的0.09。由于PTFE 的不粘性，因此純的PTFE樹脂在摩擦過程中轉(zhuǎn)移對偶件的PTFE容易脫落，而帶有極性基團的PI樹脂能夠在對偶表面形成較為完整的轉(zhuǎn)移膜，從而降低了材料的復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。

隨著PI樹脂的加入，PTFE基復(fù)合材料的表面接觸角逐漸減小，表面能逐漸增大。當(dāng)PI 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，接觸角由純PTFE 的121°下降到98°；隨著PI含量的繼續(xù)增加，接觸角下降趨勢并不明顯，當(dāng)PI 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到50%時水的接觸角下降到最小。下降趨勢不明顯的原因是因為復(fù)合材料中連續(xù)相仍就是PTFE樹脂。

2.3 共混體系對復(fù)合材料摩擦性能的影響

表3 為不同配方的PTFE 基復(fù)合材料的機械性能、摩擦性能和表面性能。

表3 PTFE-PI-GR共混體系復(fù)合材料的性能Tab 3 Properties of PTFE-PI-GR blend system composites

從表3 可以看出，當(dāng)PTFE 樹脂和石墨比例不變的情況下，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的PI 的力學(xué)性能要比加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的PI力學(xué)性能差，這是共混體系中連續(xù)相的PTFE含量變少的原因，并且共混體系是熱力學(xué)上不相容的體系。

摩擦性能方面，添加更多的PI 的磨損量要更小，原因是在對偶件上形成了更為完整的轉(zhuǎn)移膜。相反，摩擦系數(shù)方面，加了更多的PI 的摩擦系數(shù)要更大，這是磨損機理發(fā)生了變化，剛性的PI添加到PTFE-石墨共混體系后，磨損機理由原來的粘著磨損轉(zhuǎn)為了磨粒磨損[8]。當(dāng)PI含量不變得時候，更多的石墨含量表現(xiàn)出更好的摩擦性能，力學(xué)性能反面下降的趨勢也不是非常明顯。

總的來說，綜合考慮復(fù)合材料的成本、摩擦性能和力學(xué)性能，配方PTFE(50%)+GR(50%)+PI（5%）表現(xiàn)出最好的綜合性能和最低的原料成本。

2.4 應(yīng)用測試

在國內(nèi)某大型纖維生產(chǎn)企業(yè)增強聚丙烯（PP）樹脂系列浸潤劑玻璃生產(chǎn)線上進行本材料加工的涂油輥與正常石墨材料涂油輥進行同工況條件下的應(yīng)用性能對比，結(jié)果見表4和圖1。

從表4可以看出，在相同臺位、相同線速、相同張力的工況條件下，本材料制作的涂油輥與常規(guī)石墨涂油輥的濕紗燒失量相同，即基本不受涂油輥材料的影響。毛羽量方面，相同檢測條件下，本材料與正常石墨涂油輥毛羽質(zhì)量降低了50.3%，毛紗量的降低，大大提高了玻纖品質(zhì)。使用壽命方面，正常石墨涂油輥在使用過程中，每天需取下進行表面打磨，且最多使用1～1.5 個月，就需更換新的涂油輥；而本材料涂油輥自投入使用，期間未經(jīng)任何打磨，連續(xù)使用4 個月后，測量其直徑，仍在允許使用范圍內(nèi)?？梢?，使用本材料制作的涂油輥可大幅度提高耐磨性和使用周期，進一步降機低加工頻次，從而節(jié)省玻纖生產(chǎn)成本。

表4 正常涂油輥應(yīng)用測試對比Tab 4 Application test comparison of normal oil roller

3 結(jié) 論

目前玻纖行業(yè)呈迅速發(fā)展趨勢，核心生產(chǎn)裝備的好壞直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。通過對連續(xù)玻纖生產(chǎn)過程中涂油輥應(yīng)用工況的分析，選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50%的PTFE、50%的石墨以及5%的PI 制作的復(fù)合材料涂油輥，相比于正常石墨涂油輥，相同工況條件下，在保證浸潤劑涂覆效率的同時，使用壽命提高了近3倍、玻纖毛羽質(zhì)量降低了50.3%。

本復(fù)合材料涂油輥的應(yīng)用研究，可供連續(xù)玻纖生產(chǎn)行業(yè)的裝備發(fā)展參考。