无机纳米粒子改性高分子自润滑材料性能研究

3基金项目:国家自然科学基金项目(50175026);广州市科技成果重点推广计划项目(2004C13G0201)1收稿日期:2005-03-16无机纳米粒子改性高分子自润滑材料性能研究3张红烨1黄承亚2刘春连2(11广州机械科学研究院广东广州510700;21华南理工大学材料科学与工程学院广东广州510641)摘要:概述了无机纳米粒子的特性以及无机纳米粒子填充改性聚四氟乙烯、聚醚醚酮等高分子自润滑材料的力学、摩擦学等性能,并对其改性机理进行了简要分析。关键词:无机纳米粒子;高分子自润滑材料;力学性能;摩擦性能中图分类号:TQ32014文献标识码:A文章编号:0254-0150(2006)2-155-3ThePropertiesofSelf2lubricatePolymerAddingwithInorganicNano2particalsZhangHongye1HuangChengya2LiuChunlian2(1.GuangzhouMechanicalEngineeringResearchInstitute,GuangzhouGuangdong510700,China;21MaterialsScienceandTechnologyInstitute,SouthChinaUniversityofTechnology,GuangzhouGuangdong510641,China)Abstract:Thepropertiesofinorganicnano2particalswereintroduced.Themechanicalandtribologicalpropertiesofthecompositesofself2lubricatepolymersuchasPTFEandPEEKaddingwiththeinorganicnano2particals,andthemodifyingmechanismwerediscussed.Keywords:inorganicnano2particals;self2lubricatepolymer;mechanicalproperty;tribologicalproperty高分子自润滑材料,如聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯酯(Ekonol)、聚甲醛(POM)、高密度聚乙烯(HDPE)等作为润滑和密封材料,已广泛应用于汽车、油田、机械电子等工业。与金属材料相比,高分子自润滑材料具有质轻、耐腐蚀、摩擦因数小等优点,国内外研究应用和发展状况表明,这类材料的应用将会带来极大的经济和社会效益。一般高分子材料的分子链由范德华力或氢键连接,作用力较小,在受到外力作用时分子链易发生相对滑移,导致整个材料发生形变,形成光滑表面,因此高分子自润滑材料具有较低的摩擦因数,但同时也存在耐磨损性能较差、负载能力小、热变形温度低、尺寸不稳定、导热性能远远比不上金属材料等缺点。在实际应用中,通常填充各种有机或无机填料,以提高其综合机械性能。当所使用的无机填料粒径较大时,粒子与基体的结合能力较差,复合材料受到外力作用时,填料易与基体发生脱离,形成空化效应,产生应力集中,从而引发裂纹导致整个材料被破坏。无机纳米粒子因其尺寸小、比表面积巨大而表现出与常规微米级粒子截然不同的物理和化学性质,特别是与聚合物复合后,如能达到纳米水平分散,与基体结合良好,则将引入大量的界面,使基体的综合性能大为提高[1]。本文作者总结了近年来国内外研究者对无机纳米粒子改性高分子自润滑材料综合性能的研究状况,以期推动我国纳米/聚合物复合材料的进展。1纳米粒子的特性一般而言,纳米复合材料是指材料显微结构中至少有一相的一维尺度达到纳米级的材料,纳米粒子是指平均粒径小于100nm的粒子[2,3]。当任何材料被细化到纳米级时,其物理化学性能将发生巨大的变化,呈现出与常规材料完全不同的性质,如表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应以及量子隧道效应等,使得纳米颗粒呈现出许多奇异的物理、化学性质,出现一些与常规粒子异样的“反常现象”。因此,随着纳米材料的发展,利用纳米粒子填充改性聚合物的综合性能成为近几年来的研究热点。2无机纳米粒子改性高分子自润滑材料性能研究211改善力学性能纳米粒子对聚合物的增强增韧可看成是刚性粒子增韧方法的延伸和发展[4]。一般认为,填料粒径越小,粒子的比表面积越大,表面的物理和化学缺陷越多,因此表面具有较高活性,粒子与高分子链发生物理或化学结合的机会越多,和基体结合能力增强,相容性较好。当受到外力作用时,粒子不易与基体脱离,而且由于应力场的相互作用,在基体内产生很多的微变形区,吸收大量的能量;同时刚性粒子的存在使得基体树脂裂纹扩展受阻和钝化,这也决定了其能够较好地传递所承受的外应力,消耗大量冲击能,从而同时达到增韧和补强的作