塑料材料刮擦磨损机理及提高塑料耐磨方法

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一、塑料材料表面刮擦磨损机理

1.1. 刮擦磨损机理

塑料制品表面有好几种明显损坏的方法,其中有尖锐物体的划痕;磨料摩擦产生的磨损;改变表面性能或光泽的表面损伤;或者钝化物体轻微刮擦造成的“写入效果”。

根据汽巴精化的高级研究员Ashu Sharma博士的解释,材料在压入力和滑动力或横(侧)向力的作用下发生屈服,产生延性/脆性破坏从而造成刮痕。在刮痕中,不平的表面产生不均匀的光散射和“刮痕发化”。改善刮痕性能的解决方法包括尽可能减小聚合物底面粗糙程度和降低刮痕的胎肩,以产生尽可能少的光散射以及尽可能小的刮痕可见度。准确地测量耐刮擦性能,弄清楚表面破坏背后的材料科学知识对于形成改善方案是重要的。

1.2. 刮擦损害测试

检测表面损害的试验方法有好几种。一种是五指刮痕试验(five-finger scratch test),它是在不同载荷刮擦后,根据经验比较刮痕可见度,美国的汽车OEM商们常常要求使用这种方法。而欧洲的汽车行业广泛采用的是伊利其逊十字形切口试验(Erichsen cross cut test),它检测的是刮痕应力发白发生的颜色变化。美国德克萨斯A&M 大学(TAMU)聚合物技术中心的刮痕联盟(Scratch Consortium)已经开发出刮痕试验设备和新的试验方法,最近已得到美国材料试验协会(ASTM)的批准,标准号为D7027-5。该刮痕试验的测试方法所具有的较少主观性已经得到了汽车行业的肯定。作为联盟会员的汽巴(Ciba)公司正为了能使这三个方法相互关联起来而积极努力,希望这三个方法都能在短期内得以使用。

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二、提高塑料耐刮擦耐磨方法

有些塑料本身已经有很好的耐磨性,加入各种耐磨添加剂之后,可以更加改善其耐磨性。这些添加剂像聚四氟乙烯,二硫化钼,石墨,硅利康油,玻纤,碳纤和芳香族聚酰胺纤维的添加剂制成的塑料复合材料具有自润性(self lubricating),配合加入南京塑泰适合牌号的相容剂,提高材料间的结合力和分散。可降低配合零件的压力,从而提高材料的耐磨性。

2.1. 选择合适的基材树脂

通常超高分子量聚乙烯是最耐磨的塑料之一,选择UHWPE可以较为简单的提高材料耐磨性能。

通常高结晶、规整度高的塑料比较耐磨,通常硬度高的塑料更耐磨,通常由类似苯环这种大分子的塑料比较不耐磨,比如聚苯乙烯。

在混合型TPO中,通常采用POE、EPDM、TPV(EPDM/PP)来增韧PP,弹性体的加入导致耐刮擦性能的下降。因此选择合适的弹性体非常重要,通常它们之间耐刮擦性能比较是这样的:TPV>EPDM>POE。

2.2. 采用耐磨性好的填料

2.2.1. 二硫化钼

二硫化钼的另一个常见的名字为”Moly”,主要用于尼龙塑料的一种耐磨添加剂。二硫化钼的作用有如结晶剂,用以增加尼龙的结晶度,使尼龙材料产生一个较硬和较耐磨擦表面。二硫化钼对金属有很高的亲和力。一旦吸附在金属表面,二硫化钼的分子会填塞金属表面用显微镜才可看见的毛细孔,并使金属表面变得更滑。此点使二硫化钼成为一个理想的耐磨添加剂用于当尼龙与金属互相磨擦的应用。
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2.2.2. 石墨

石墨的化学结构为一个独特的格子状结构。此独特的化学结构使石墨分子在很小磨擦力上很容易地互相滑动。此耐磨特性在有水的环境中尤其重要。此特性使石墨成为一种理想的耐磨性添加剂用于很多置于水中的应用,如水铺外壳、轮叶(impeller)和关封(Value seals)。
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2.2.3. 玻璃纤维

玻璃纤维是一种硬而且刮损性高的纤维,因而常被错误地认为塑料中加入了玻璃纤维会破坏该塑料的耐磨性。玻璃纤维提供了高分子间坚固的机械性结合的功能,所以玻璃纤维可以增加热塑性塑料结构的整个性并改善耐磨性。玻璃纤维提供补强可以增加塑料的抗潜变性,热传导性和热变形性,因而可以显著改善塑料的耐负荷与耐磨擦速度的能力。
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2.2.4. 碳纤维

与玻璃纤维的情况一素,碳纤维能大幅改善结构的整体性、耐磨性和耐负荷与耐磨擦速度之能力。和玻璃纤维不同的是碳纤维是一种较软且刮损性较低的纤维。碳纤维不会刮伤与其磨擦的铁钢质或钢质的磨擦表面。热塑性塑料加入10%以上之碳纤维会有消除静电的功能,并可因此克服因造成的静电问题。
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2.2.5. 芳香族聚酰胺纤维

芳香族聚酰胺纤维也是耐磨添加剂之一。不像玻璃纤维和碳纤维,它是最软和最无刮损性的纤维。此特性是芳香族聚酰胺纤维在耐磨应用的主要优点,特别是在配合零件的表面对刮损性的纤维。

2.2.6. 其它类填料

滑石粉是比较常规的一种填料,要选择合适的偶联剂、合适的目数;

目前硅灰石的应用已从工程塑料方面延伸至热塑性弹性体,添加硅灰石,能改善热塑性弹性体的耐温性、提高压缩变形、改善耐刮擦性能;

纳米材料,如白炭黑,可以提高弹性体材料的压缩变性、耐磨性、耐刮擦性能,但选择一个合适的混合工艺非常关键。

2.3. 添加合适的耐磨助剂

2.3.1. 聚四氟乙烯(PTFE,铁氟龙)

PTFE是所有耐加剂中有最低的磨擦系数。在磨擦过程中磨出来的PTFE分子会在零件表面形成润滑的薄膜。PTFE在磨擦剪力下有很好的润滑性及耐磨性能,在高负荷应中,PTFE是最佳的耐磨添加剂。这些高负荷用包括液压式活塞环封、推力垫圈。最适当的PTFE含量为非结晶性含15%PTFE、而结晶性塑料含20%PTFE。知名品牌有3M公司。

2.3.2. 聚硅氧烷

聚硅氧烷液体是一种会移行的耐磨添加剂,当加入热塑性塑料中,该助剂会缓慢移行到零件表面,并形成一层持续不断的薄膜。聚硅氧烷有很广泛的粘度范围,粘度以centistokes 计量。聚硅氧烷的粘度逾低,逾成流质状且速地移行到零件表面产提供耐磨特性。若聚硅氧烷的粘度太低,则在较易挥发,并会很快地从零件中移行消失掉。知名品牌有德国瓦克、德固萨、美国道康宁。

2.3.3. 爽滑剂

如禾大公司的油酸酰胺ER、芥酸酰胺VRX,当它们被加入进热塑性塑料中的时候,会迁移到聚合物产品的表面或起霜白化,产生一个腊层,减少了摩擦系数同时也降低了刮痕的可见度。缺点就是不是一种真正的“干爽”,不能彻底改善表面发粘现象。

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