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水液压用改性聚四氟乙烯垫片材料的应用研究
添加:2015-11-2 9:53:48    游览:1616    来源:www.aosailuo.cn

  水压传动具有无污染、安全、清洁卫生、结构简单、效率高等突出优点, 符合绿色生产及可持续发展的要求, 已成为当今国际液压技术领域的热门研究课题之一。但由于水的理化特性与传统液压介质存在着很大的差异, 使得水压元件的研发面临诸多技术难题, 其中水压元件材料的选择, 将是研发高性能水压元件的关键。本文以改性聚四氟乙烯垫片材料为例对其应用进行研究。

  1、聚四氟乙烯材料的特点

  聚四氟乙烯材料以其优异的耐高低温性能和化学稳定性、很好的电绝缘性能、非粘附性、阻燃性和良好的自润滑性, 已在诸多领域获得了广泛应用。例如其密封制品——聚四氟乙烯垫片的应用已涉及液压系统、化工设备及钢厂电厂等机械配件中。氟塑料中聚四氟乙烯的消耗量最大,用途最广, 是氟塑料中的一个重要品种, 有 “塑料王”之美称。然而纯聚四氟乙烯机械强度低、耐磨性差、导热性能差、工件结构尺寸不稳定、抗蠕变能力低等缺点限制了它的应用。目前国内外对 PTFE的研究重点集中于寻找适当的方法对其进行改性, 弥补PTFE自身缺陷, 从而扩大其在各方面的应用。

  2、PTFE填充改性研究

  虽然 PTFE是热塑性塑料, 但不能以一般的注射、挤出等加工热塑性塑料的方法来成型, 而只能采取类似粉末冶金时的预压、烧结成型工艺。适合于填充 PT2FE的填料必须满足下列要求: ①在 380~400℃烧结条件下稳定; ②粒径小于或等于 150μm; ③不会吸潮; ④在烧结条件下, 自身不会簇集; ⑤不与 PTFE反应。根据这些要求, 常用的填料有以下几种。

  2.1、金属填料填充 PTFE

  金属填料能改善 PTFE的机械性能和摩擦、磨损性能、导热性能, 提高抗蠕变性、抗压强度、硬度和尺寸稳定性。如青铜粉。其缺点是在水中耐腐蚀性能降低。

  2.2、金属氧化物填充 PTFE

  金属氧化物对 PTFE有很好的减磨效果, 且都能提高材料的承载能力, 大幅度地降低 PTFE复合材料的磨损。其缺点是金属氧化物易吸水, 尺寸稳定性差, 因此以上填料的复合材料不适合在水润滑条件下应用。

  2.3、碳纤维填充 PTFE

  碳纤维可改进聚四氟乙烯的机械性能、耐热性和耐摩擦性, 碳纤维填充聚四氟乙烯的线膨胀系数小,导热率高, 其模压强度、耐蠕变性以及在水中的耐磨耗性均有大幅度提高。

  2.4、石墨填充 PTFE

  石墨填充的聚四氟乙烯尺寸稳定性较好, 并具有良好的耐化学药品性、压缩蠕变性和较佳的导热性,以及提高 pv极限值。

  2.5、二硫化钼填充 PTFE

  二硫化钼的填充量较少, 其含量一般为 5%。二硫化钼的加入可提高填充聚四氟乙烯的刚性、硬度,降低摩擦系数和磨耗量, 改进耐蠕变性和电绝缘性,大量加入二硫化钼能提高聚四氟乙烯的导热性。

  2.6、玻璃纤维填充 PTFE

  加入玻璃纤维, 将使其耐蠕变性和抗冷流性得到较为显著的改善, 耐磨性能也会大大提高。但随着玻

  璃纤维含量的提高, 其拉伸强度、伸长率及韧性会逐渐下降; 摩擦系数逐渐增大。

  2.7、有机物填料填充 PTFE

  通过复合有机物填料的改性, 其耐磨性能大为提高, 对克服 PTFE的易蠕变、不耐磨耗等缺点有明显效果, 且不伤对磨材料, 并可提高使用温度。填充后的制品与纯 PTFE相比, 耐压性提高5~10倍, 耐磨性提高 1 000倍, 线膨胀系数降低80% , 导热性提高 5倍, 当石墨含量为 30%时, PT2FE /石墨复合材料的热导率达到 112W / (m·K) , 是纯PTFE树脂的近 6倍。

  3、改性聚四氟乙烯材料在水压元件中的应用优势

  (1).抗氧化、耐腐蚀性好,化学稳定性好,能够抵御淡水海水的侵蚀

  (2).具有优异的自认好性能,减少摩擦以及抗磨性能好,在水润条件下,摩擦磨损性能优良,并具有优良的抗腐蚀磨损性能。

  (3).能够嵌藏异物,顺应性好,具有较好的抗黏着磨损性能

  (4).具有良好的抗冲击性能和减震作用

  (5).密度小,不仅可以减轻元件质量,而且在告诉工作条件下运动惯性小

  (6).成型、加工工艺良好

  (7).无生物毒性,对环境无害

  (8).通过对PTFE改性后,其机械强度低、耐磨性差、异热性差、工件结构尺寸不稳定、抗蠕变能力差等缺点得到了大大的改善。尤其是改性聚四氟乙烯垫片经过改性处理后,耐蠕变性和抗冷流性得到提高,可以保证在规定的压力范围内长时间使用不会产生泄露。

  4、影响聚四氟乙烯磨损的因素

  影响聚四氟乙烯磨损的因素很多, 其中主要的是接触负荷、滑动速度、接触表面温度及对偶表面粗糙

  度等。

  4.1、接触负荷、滑动速度及温度的影响

  聚四氟乙烯的磨损率随着接触压力和速度的增加而增大, 随着温度的升高而加大。

  4.2、对偶表面粗糙度的影响

  实验表明,对偶面的材料对聚四氟乙烯的磨损有较大的影响。对偶材料的材质不同,聚四氟乙烯在其表面形成转移膜的粘着强度也不同,因而其磨损率也不相同,如表1所示。对偶面的表面粗糙度对转移膜的生成及其粘着强度有很大的影响。在十分粗糙的对偶面上,不仅因为犁沟作用而使聚四氟乙烯很难形成均匀的转移膜 , 而且已转移的膜也是不连续的。而对偶面非常光滑,则转移膜的粘着强度也不会很高。

表1:对偶材料对聚四氟乙烯磨损的影响
对偶材料 相对磨损率
碳钢 1
铸铁 1~2
青铜 1~2
不锈钢 1.5~5
镀硬铬表面 10~20
铝合金 20~50

 

  5、填料的选择

  为了满足水压传动选材的需要, 并结合聚四氟乙烯自身的磨损特点, 我们进行合理的填料的选择。如表2所示。

表2:填料对聚四氟乙烯磨损的影响
填料种类 填料的主要目的 备注
碳纤维 提高机械性能、耐热性、耐摩擦性、导热率、模压强度、耐蠕变性及降低线膨胀系数  
石墨 尺寸稳定性较好,压缩蠕变性和较佳的导热性以及高pv极限值 低中速
青铜粉 导热性能、抗蠕变性、抗压强度、硬度和尺寸稳定性 高速
玻璃纤维 提高其耐蠕变性和抗冷流性能  

  据记载,采用碳纤维 - 石墨填充 PTFE复合材料, 碳纤维填充量 15%左右、石墨填充量3%~5%生产的复合材料, 在水润滑的条件下优于其它 PTFE复合材料。另据报道: 在高速工作情况下水的流动性好, 会把吸附在摩擦面上的石墨冲洗掉,材料的磨损量加大, 因此在高速情况下, 用青铜粉代替石墨, 提高其导热性能, 摩擦热易排除, 利于进一步提高耐磨性。从理论上来说, 纯 PTFE的耐磨性极差是由于其内聚能低, 大分子易于解脱, 而且其硬度和剪切强度低, 很容易受对磨面上金属凸峰的切削所致。硬质填料对 PTFE抗磨能力改善主要机理是对负荷的优先承载作用; PTFE中的纤维可以优先承受载荷而减少复合材料的磨损。随着碳纤维填充量的增加, 碳纤维在摩擦面相对分布比例大, 承载能力较大, 并能将摩擦面上压应力和剪应力传递到基体内部而不至于表面层应力集中。对偶件相互摩擦时, 均匀分布的碳纤维阻止金属凸峰深入 PTFE表面, 刨削深度较小, 碳纤维的存在阻止了摩擦面上 PTFE带状结构的大片破坏, 防止了转移膜破坏。石墨的存在,一方面可以减小碳纤维所受的摩擦力, 降低碳纤维的脱落趋势, 起到了偶联剂的作用。另一方面转移膜容易自修复, 转移膜可以保持动态平衡, 利于形成连续、稳定的转移膜。

  6、结束语

  通过聚四氟乙烯的改性, 一方面大大的提高了机械强度、耐磨性、导热性、抗蠕变能力, 对工件结构尺寸不稳定也得到了大大改善, 其良好的综合性能更加适应于水压传动中的需要。经过改性同时也降低了成本, 扩大其应用领域。

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