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        等離子體表面改性對PTFE織物自潤滑襯墊綜合性能的影響

        2022-06-08 02:20:54何俊惠莊彩虹徐文欽陳志雄
        軸承 2022年4期
        關(guān)鍵詞:改性

        何俊惠,莊彩虹,徐文欽,陳志雄

        (1.福建龍溪軸承(集團) 股份有限公司,福建 漳州 363000;2.福建省關(guān)節(jié)軸承企業(yè)重點實驗室,福建 漳州 363000)

        PTFE纖維是一種綜合性能優(yōu)異的高分子材料,具有耐化學腐蝕、耐高低溫性能極佳以及摩擦因數(shù)低等優(yōu)點[1-4],但是PTFE纖維不耐磨損,在自潤滑關(guān)節(jié)軸承上應用時常與耐磨的高分子纖維如Kevlar,Nomex,玻璃纖維等復合編織成PTFE織物使用[3]。而PTFE纖維的高結(jié)晶度和非極性使其具有非常低的表面能,造成PTFE纖維浸潤性差,與其他材料的黏接性差[5-6], PTFE織物直接應用于關(guān)節(jié)軸承上可能會影響自潤滑關(guān)節(jié)軸承壽命以及PTFE織物自潤滑襯墊與金屬基材的剝離強度,導致襯墊存在質(zhì)量缺陷。

        目前,用于改善PTFE織物浸潤性的表面改性方法有多種,如化學溶液處理、硅烷偶聯(lián)劑改性、等離子體處理、輻射處理等[4,7-8]。其中等離子體處理方法具備操作簡單,處理溫度低,處理時間短,污染小,改性效果顯著等特點,適合大規(guī)模纖維織物的處理,可實現(xiàn)量化生產(chǎn),是處理纖維織物的有效手段[9-11]。等離子體處理的原理是在真空狀態(tài)下給氣體施加電場,使氣體從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體狀態(tài)(包括電子、離子、光子和各類自由基等活性粒子),利用等離子體中的大量活性粒子轟擊材料表面,將能量傳遞給材料的表層分子,使材料發(fā)生熱蝕、交聯(lián)、降解和氧化反應并在表面產(chǎn)生大量自由基或引進某些極性基團,從而優(yōu)化材料表面性能[12]。

        本文利用等離子體對PTFE織物表面進行改性處理并浸漬到樹脂中制成PTFE織物自潤滑襯墊,研究等離子體改性對PTFE織物與樹脂的浸潤性以及PTFE織物自潤滑襯墊整體強度、剝離強度和摩擦磨損性能的影響。

        1 試樣及試驗條件

        采用某軸承企業(yè)自行研制的某PTFE織物進行試驗,織物由PTFE纖維和Kevlar纖維編織而成。采用LSFS-P-2000D型等離子體處理設備對PTFE織物進行低溫等離子體處理,處理氣體為N2與H2,處理室真空度為30 Pa,處理時間為20 min,處理功率為4 000 W。通過一定的制備工藝將經(jīng)過等離子體處理的PTFE織物浸漬樹脂制成PTFE織物自潤滑襯墊。

        選用某軸承企業(yè)制造的GE30ET-2RS關(guān)節(jié)軸承進行襯墊剝離強度及摩擦磨損壽命試驗,該軸承外圈材料為GCr15,熱處理硬度為54~60 HRC,內(nèi)圈材料為GCr15,熱處理硬度為58~64 HRC,軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 GE30ET-2RS關(guān)節(jié)軸承Fig.1 GE30ET-2RS spherical plain bearing

        2 等離子體處理對PTFE織物表面親水性及浸潤性的影響

        采用接觸角測量儀測試等離子體處理前、后PTFE織物與水的接觸角,結(jié)果如圖2所示。

        圖2 等離子體處理前后PTFE織物與水的接觸角Fig.2 Contact angle between PTFE fabric and water before and after plasma treatment

        圖2a為未經(jīng)等離子體處理的PTFE織物,其與水的接觸角為135.9°;圖2b為經(jīng)過等離子體處理20 min后的PTFE織物,其與水的接觸角為91.8°。對比兩圖可以看出,經(jīng)過等離子體處理后的PTFE織物與水的接觸角相較于未處理明顯變小,表明PTFE織物經(jīng)等離子體處理后親水性明顯改善。

        將未處理和經(jīng)等離子體處理后的PTFE織物制成襯墊,超景深顯微鏡下兩種襯墊表面形貌放大50倍后如圖3所示。對比兩圖可以看出,未處理的織物表面較多纖維裸露,而經(jīng)過表面處理后織物表面樹脂包裹嚴實。PTFE織物由PTFE纖維和Kevlar纖維編織而成, Kevlar纖維親水性較好,比較容易浸漬樹脂,大部分的樹脂只包裹在Kevlar纖維表面,而PTFE親水性差,導致PTFE纖維表面樹脂浸漬效果較差,所以未處理的織物表面較多纖維裸露。而織物經(jīng)過等離子體處理后,織物上的PTFE纖維表面能提高,親水性明顯改善,與樹脂之間的結(jié)合能力增強,所以織物浸漬樹脂后,包裹在織物上的樹脂較為完整、連續(xù),即織物與樹脂間的浸潤效果明顯改善。

        圖3 等離子體處理前后PTFE織物襯墊的浸潤情況Fig.3 Wetability of PTFE fabric liner before and after plasma treatment

        綜上,說明等離子體處理技術(shù)可以改善織物親水性,進而增強其與樹脂之間的浸潤性。

        3 等離子體處理對PTFE織物襯墊性能的影響

        3.1 PTFE織物襯墊的整體強度

        參照GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強力的測定 鋼球法》進行PTFE織物襯墊頂破強力試驗,環(huán)形夾持器內(nèi)徑為45 mm±0.5 mm,頂桿拋光鋼球直徑為25 mm,試驗機速度為300 mm/min,每組試驗試樣數(shù)不少于5個 ,試驗裝置如圖4所示。

        圖4 頂破強力試驗裝置圖Fig.4 Experimental equipment of bursting strength test

        未處理PTFE織物襯墊與等離子體處理PTFE織物襯墊頂破試驗結(jié)果見表1:經(jīng)等離子體處理的PTFE織物襯墊的平均頂破強力是未處理PTFE織物襯墊的1.59倍,說明經(jīng)等離子體處理的PTFE織物襯墊整體強度提高,在外力作用下能夠承受較大的頂破變形。

        表1 PTFE織物襯墊頂破強力試驗結(jié)果

        3.2 PTFE織物襯墊的剝離強度

        采用UTM5505型電子萬能試驗機對自潤滑關(guān)節(jié)軸承進行剝離測試,即將自潤滑襯墊從軸承試樣的外圈內(nèi)球面上剝離下來,測試參照GJB 5502—2005 《低速擺動自潤滑向心關(guān)節(jié)軸承規(guī)范》進行,其中剝離的襯墊與粘貼面成140°±40°,剝離速度為0.317 mm/s,有效剝離長度不小于 40 mm,剝離方式如圖5所示,每組剝離試驗至少制作6個試件,試驗結(jié)果取平均值。

        圖5 PTFE織物襯墊剝離強度測試Fig.5 Peel strength test of PTFE fabric liners

        PTFE織物襯墊剝離強度的測試結(jié)果見表2:未處理襯墊平均剝離強度為0.46,經(jīng)等離子體處理后襯墊平均剝離強度為0.95,是未處理襯墊的2.07倍。因此,等離子體處理可以極大地提高襯墊的剝離強度。

        3.3 PTFE織物襯墊的摩擦磨損壽命

        采用SPB-5A型恒載壽命試驗機進行襯墊摩擦磨損壽命試驗,動載荷為53.5 kN(90 MPa),內(nèi)圈擺動角度為±30°,頻率為1.2 Hz,試驗機示意圖如圖6所示,每組試驗至少制作3個試件,試驗周期為全壽命,試驗結(jié)果取平均值。

        表2 PTFE織物襯墊剝離強度測試結(jié)果

        1—陪試軸承座;2—被試軸承座;3—位移測量儀;4—關(guān)節(jié)軸承外圈;5—關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈;6—自潤滑襯墊。

        襯墊摩擦磨損壽命試驗結(jié)果見表3。未處理PTFE織物襯墊的平均壽命為375 h,而經(jīng)等離子體處理后織物襯墊的平均壽命為621 h,是未處理織物襯墊軸承的1.66倍。因此,經(jīng)等離子體處理后的PTFE織物襯墊的壽命水平大幅提高。

        表3 PTFE織物襯墊摩擦磨損壽命測試結(jié)果

        3.4 小結(jié)

        未經(jīng)等離子體處理的PTFE織物表面的樹脂與織物之間的結(jié)合力較弱,樹脂無法完整地包裹織物纖維,在試驗過程中樹脂層容易剝落,樹脂未對襯墊起到增強及耐磨作用。經(jīng)等離子體處理的織物與樹脂之間的結(jié)合力提高,樹脂完整地包裹織物表面,織物與樹脂之間的浸潤性良好,樹脂更好地浸入纖維束之間,增強了襯墊的抗承載能力。因此,經(jīng)過等離子體處理的PTFE織物襯墊的整體強度、剝離強度和耐磨性均得到提高,進而提高了襯墊的整體壽命。

        4 結(jié)論

        研究了等離子體表面改性對PTFE織物與樹脂的浸潤性以及PTFE織物自潤滑襯墊整體強度、剝離強度和摩擦磨損性能的影響,得到如下結(jié)論:

        1)經(jīng)等離子體表面改性后,PTFE織物與水的接觸角由135.9°降低到91.8°,織物的親水性明顯提高,織物與樹脂間的浸潤性更好;

        2)經(jīng)等離子體表面改性后,PTFE織物襯墊的平均頂破強力為未處理襯墊的1.59倍,襯墊的整體強度提高;

        3)經(jīng)等離子體表面改性后,PTFE織物襯墊的平均剝離強度為未處理襯墊的2.07倍,樹脂與織物結(jié)合力更強;

        4)經(jīng)等離子體表面改性后,PTFE織物襯墊的平均壽命為未處理襯墊的1.66倍,襯墊的耐磨性提高。

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