一種碳纖維復合軸瓦材料的制備及應用研究

孫中梁，張鈺婷，袁瑞澤，戰思琪，張棟秀，王世偉，張明耀

（長春工業大學 化學工程學院，吉林 長春 130012）

普通軸瓦加工難度較大、成本較高，在高強度工作環境下需要高品質的潤滑油來保護瓦面，而聚合物軸瓦具有彈性大、壽命長、噪音小、摩擦特性優異等優點[1]。近年來，聚合物軸瓦材料的研究越來越受到研究者的關注，被廣泛應用于水泵、水電發電機組等領域。常見的聚合物軸瓦材料有碳石墨材料、工程塑料、木材、橡膠等[2-3]。

聚氨基甲酸酯又稱為聚氨酯，它的分子主鏈上除含有氨基甲酸酯基團（-NHCOO-）外，還存在酯基、醚基、脲基、脲基甲酸酯基、縮二脲基等極性基團，是一種新型的人工合成高分子材料，被譽為“第五大塑料”[4-7]。聚氨酯彈性體（PUE）獨特的硬軟段結構使其具有力學性能好、耐候性佳、耐老化性能強、耐高低溫性能優異、抗摩擦性好的優勢，滿足聚合物軸瓦材料的基本使用需求，但是它存在內生熱大而導致干摩擦性能差等問題。研究者通過多種手段解決上述問題，包括化學接枝、嵌段共聚、分子交聯、填料增強改性等[8-13]。利用改性碳纖維共混技術，制備了聚氨酯彈性體/碳纖維（PUE/CF）復合材料，詳細研究了CF 質量分數及共混方式對復合材料性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

聚四氫呋喃二元醇(PTMG)，工業級，日本三菱化學有限公司；甲苯-2，4-二異氰酸酯(TDI)，工業級，上海三友化學試劑公司；3，3'-二氯-4，4'-二氨基二苯甲烷(MOCA)，工業級，蘇州湘園精細化工有限公司；硅烷偶聯劑（KH550），上海皓鴻生物醫藥科技有限公司；碳纖維(CF)，上海國藥試劑有限公司；無水乙醇，AR，天津市富宇精細化工有限公司；助劑，實驗室自制。

1.2 實驗儀器

JSM-5600 LV 型掃描電子顯微鏡（SEM），日本JEOL 公司；IS10 型紅外光譜（FT-IR）分析儀，美國Thermo Scientific 公 司；LX-D 型 邵 氏 硬度 計，溫州韋度電子有限公司；M-200 型摩擦磨損試驗機，北京冠測精電儀器設備有限公司。

1.3 實驗方法

CF 的預處理：將一定量的CF、部分助劑和無水乙醇在燒杯中攪拌0.5 h，再進行真空超聲波處理0.5 h，重復處理3 次，隨后用布氏漏斗抽濾，將抽濾后的CF 放入60 ℃烘箱烘干24 h，取出備用。

PUE 預聚體的制備：稱取76.72 g 的PTMG 置于三口燒瓶中，升溫至110 ℃，真空脫水2 h，降溫至50 ℃；在快速攪拌的條件下加入23.26 g 的TDI，80～85 ℃的條件下機械攪拌并反應2 h，取樣分析異氰酸酯基質量分數，當其達到設計值時，PUE 預聚體制備完畢，進行氮氣密封保存待用。

PUE/CF 復合材料的制備：首先，稱取一定量處理后的CF，置于250 mL 三口燒瓶中，加入50.00 g 的PUE 預聚體，機械攪拌1 h，升溫至110 ℃，真空脫水2 h，加入13.55 g 的擴鏈劑MOCA，快速攪拌1 min 左右進行脫泡，隨后將其倒入預熱好的模具中，放入溫度為105 ℃的平板硫化機中加壓硫化40 min，脫模后將試樣放入100 ℃烘箱中熟化18 h，取出試樣，在室溫條件下放置7 d 后進行相關性能測試。

1.4 分析與測試

采用SEM 分析樣品磨損后的表面形貌；采用FT-IR 分析儀對材料進行分析測定，通過ATR 薄膜法對樣品進行測試，在波數為400～4 000 cm-1中分析確認樣品中所含基團。

力學性能測試：按照GB/T 528-1998《拉伸應力應變性能測定方法》對試樣進行拉伸性能測試，拉伸樣條為啞鈴型，拉伸速度為100 mm /min；采用邵氏硬度計，依據GB/T 531-1999《硬度測試性能測試方法》對試樣進行硬度測試，硬度樣條試樣厚度大于6 mm，每個樣條壓針5 次，結果取平均值。

摩擦學性能測試：采用摩擦磨損試驗機，依據GB/T 3960-1983《摩擦磨損性能測定方法》對樣品進行摩擦性能測試，摩擦樣條大小為30 mm×7 mm×6 mm。測試條件：室溫，轉速為200 r/min，載荷為100 N。測試干摩擦性能時，樣品在無水狀態下測試2 h；測試水潤滑摩擦性能時，樣品在水潤滑狀態下測試2 h。

2 結果與討論

2.1 PUE/CF 復合材料的力學性能

CF 質量分數對PUE/CF 復合材料力學性能的影響見圖1。

圖1 CF質量分數對PUE/CF復合材料力學性能的影響Fig.1 Effect of CF mass fraction on mechanical properties of PUE/CF composites

由圖1 可知，復合材料中CF 質量分數對材料的力學性能有顯著影響，當CF 質量分數為7% 時，PUE/CF 復合材料力學性能最佳（拉伸強度為54 MPa，斷裂伸長率為298%），說明適量的CF 在PUE基體中能夠分散均勻，從而提高PUE/CF 復合材料的力學性能[14-17]。

肛周膿腫是發生在肛管直腸周圍軟組織間隙的急慢性化膿性感染,誘發因素為各種病菌,使得肛門周圍發生不同水平的細菌感染誘發膿腫。發病人群以20~40歲的青壯年為主[6],接受坐浴治療可發揮加快血液循環、消腫止痛的作用。有研究顯示,應用坐浴治療可擴張部分血管促進淋巴循環和血壓循環,有助于消除末梢神經惡性刺激,切實增強臨床療效。

表1 為CF 質量分數對PUE/CF 復合材料拉伸模量的影響。由表1 可知，隨著CF 質量分數的增加，復合材料的拉伸模量逐漸降低。圖2 為CF 質量分數對PUE/CF 復合材料硬度的影響。由圖2 可知，隨著CF 質量分數的增大，復合材料的剛性增加，硬度也隨之升高，當CF 質量分數增大到一定程度（13%）時，PUE/CF 復合材料的硬度增加趨勢基本穩定。

表1 CF 質量分數對PUE/CF 復合材料拉伸模量的影響Table 1 Effect of CF mass fraction on tensile modulus of PUE/CF composites

圖2 CF 質量分數對PUE/CF 復合材料硬度的影響Fig.2 Effect of CF mass fraction on hardness of PUE/CFcomposites

圖3 為PUE/CF 復合材料和PUE 的紅外光譜。

圖3 PUE/CF 復合材料和PUE 的紅外光譜Fig.3 Infrared spectroscopy of PUE/CF composites and PUE

由圖3 可知，3 300 cm-1處為-NH 基團伸縮振動產生的特征峰；2 900、2 800 cm-1處為甲基和亞甲基中C-H 基團伸縮振動產生的特征峰；1 700 cm-1處為氨基甲酸酯基中C＝O 基團伸縮振動產生的特征 峰；1 500 cm-1處為N-H 的變形 振 動 峰；1 100 cm-1處為PTMG 中C-O 基團伸縮振動產生的特征峰；2 270 cm-1處-NCO 基團的特征吸收峰基本消失，說明體系中-NCO 的反應基本完全[18-21]；PUE/CF 復合材料中各官能團的譜帶與純PUE 譜帶幾乎相同，說明CF 的存在并不影響PUE 的化學結構。

2.2 PUE/CF 復合材料的摩擦學性能

2.2.1 干摩擦性能 PUE/CF 復合材料摩擦示意圖見圖4。干摩擦條件下不同質量分數CF 的PUE/CF 復合材料的摩擦系數和磨損率見圖5。

圖4 PUE/CF 復合材料摩擦示意圖Fig.4 Schematic diagram of PUE/CF composite friction

圖5 干摩擦條件下不同質量分數CF 的PUE/CF 復合材料的摩擦系數和磨損率Fig.5 Friction coefficient and wear rate of PUE/CF composites with different CF mass fraction under dry friction conditions

由 圖5 可 知，當CF 質 量 分 數 為7% 時，PUE/CF 復合材料的摩擦系數和磨損率最低，其值分別為0.12 和0.570%。這是因為CF 加入量較佳時，填料與基體可以充分接觸，從而提高復合材料內部結構穩定性能[22-23]。

干摩擦條件下CF 質量分數為7%的PUE/CF復合材料的摩擦系數如圖6 所示。由圖6 可知，CF的加入提高了復合材料的承載能力，顯著降低了摩擦系數，也提高了復合材料的抗磨性能。

圖6 干摩擦條件下CF 質量分數為7%的PUE/CF 復合材料的摩擦系數Fig.6 The coefficient of friction of PUE/CF composites with 7%-CF mass fraction under dry friction

2.2.2 水潤滑摩擦性能 水潤滑條件下不同質量分數CF 的PUE/CF 復合材料的摩擦系數和磨損率如圖7 所示。

圖7 水潤滑條件下不同質量分數CF 的PUE/CF 復合材料的摩擦系數和磨損率Fig.7 Friction coefficient and wear rate of PUE/CF composites with different CF mass fraction under water-lubricated friction conditions

由圖7 可知，當CF 質量分數為7%時，水潤滑摩擦系數最小，為0.02，水潤滑磨損率最小，為0.129%。這是因為在水潤滑條件下，水作為載體不僅降低表面摩擦作用，而且還降低摩擦表面溫度，減少摩擦表面的軟化程度，從而降低表面摩擦系數[24-28]。

圖8 水潤滑條件下CF 質量分數為7%的PUE/CF 復合材料的摩擦系數Fig.8 The friction coefficient of PUE/CF composites with 7%-CF mass fraction under water-lubricated friction

2.3 PUE/CF 復合材料的SEM

圖9 為不同質量分數CF 的PUE/CF 復合材料磨損表面SEM 圖像。由圖9 可知，材料表面經過摩擦會清晰地出現磨輪行駛過的痕跡，具有一定的方向性。CF 分散于基體中，具有一定的潤滑作用，同時其良好的導熱性使基體表面形成一層碳化膜，碳化膜具有一定的耐磨保護作用[29-30]。但是，當CF 質量分數增大時，CF 在PUE 中不能均勻分散，一部分發生“團聚”現象，導致CF 與PUE 產生明顯的相分離，被包裹的CF 經過摩擦后有些會裸露出來，從而影響CF/PUE 復合材料的性能。

圖9 不同質量分數CF 的PUE/CF 復合材料磨損表面SEM 圖像Fig.9 SEM image of PUE/CF composite wear surface with different CF mass fraction

3 結論和展望

（1）隨著CF 質量分數的增加，PUE/CF 復合材料的拉伸強度和硬度增大，斷裂伸長率先增大后減小，當CF 質量分數為7%時，復合材料的物理機械性能最佳。

（2）在干摩擦條件下，當CF 質量分數為7%時，PUE/CF 復合材料的摩擦系數和磨損率最低，其值分別為0.12 和0.570%。這是因為CF 加入量較佳時，填料與基體充分接觸，提高了復合材料內部結構穩定性能。

（3）在載荷為100 N、轉速為200 r/min 的水潤滑條件下，PUE/CF 復合材料的摩擦系數明顯低于干摩擦條件下的摩擦系數。

（4）當CF 質量分數為7%時，PUE/CF 復合材料具有較佳的物理機械性能與摩擦學性能。根據聚合物軸瓦的使用工況和條件的不同，對復合材料的特性要求也有區別。但是，高的抗摩擦磨損、抗承載能力、耐水性和彈性等綜合性能指標一直是該行業追求的目標，尤其在軍工國防等領域，更有不同的需求。因此，通過分子結構設計和共混改性制備的高性能復合軸瓦材料將有廣闊的應用空間。