D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.02.03 第29卷第2期 北京科技大学学报 Vol.29 No.2 2007年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feh.2007 晶须表面改性及其填充聚醚醚酮摩擦学行为 汪怀远冯新史以俊陆小华 南京工业大学化学化工学院，南京210009 摘要利用溶胶凝胶(sol一g)、氟表面活性剂(FS0)和钛酸酯偶联剂(NDZ一1O2)等对钛酸钾晶须(PTW)进行了表面改性， 对比了改性后水接触角的变化，考察了干摩擦条件下PTW改性对聚醚醚酮(PEEK)复合材料摩擦磨损性能的影响.利用 SEM和光学显微镜观察了磨损面和对偶面转移膜形貌，并分析了其磨损机理。实验结果表明：改性后PTW的水接触角均有 不同程度的提高，FSO改性得最高：改性后PEEK复合材料的摩擦因数均降低，在各载荷下FSO和溶胶一凝胶改性PTW后 PEEK复合材料耐磨性明显优于未改性的，300N载荷下较未改性的分别提高2.64和2.11倍：但是NDZ一102改性却降低了 复合材料的耐磨性 关键词聚醚醚酮：钛酸钾晶须；表面改性：摩擦磨损；溶胶凝胶法 分类号TH117.3 聚醚醚酮是一种耐高温热塑性高聚物，具有良 对接触角和PEEK复合材料摩擦磨损性能的影响， 好的力学性能、化学稳定性和抗辐射性、显著的热稳 利用SEM和光学显微镜观察了磨损面和对偶面转 定性和耐磨性，可在250℃以下无油润滑使用-]. 移膜形貌，并分析了其磨损机理，为PEEK复合材 因而，在摩擦学领域PEEK及其复合材料的研究一 料的高耐磨性能设计和应用提供实验参考， 直是一个热点，利用纳米、微米颗粒或碳纤维等填 充PEEK,可以得到耐热、耐磨性能更好的PEEK复 1实验 合材料[3.但是，其承载能力和耐磨性仍不能满 1.1原料 足日益发展的需要，适合PEEK的新型填料和改性 PEEK:Victrex,平均粒径30m;聚四氟乙烯 技术需要进一步研究，与其他无机填料相比，钛酸 (PTFE):杜邦产，平均粒径25m;钛酸钾晶须：自 钾晶须具有优异的力学性能、化学稳定性和耐磨性， 制，平均直径1m,平均长度20m;二氧化钛胶体： 其较小的硬度（莫氏硬度4.0）对对偶面损伤小，越 自配：NDZ一102：南京曙光化工厂：氟表面活性剂 来越得到广泛的关注[].小尺寸、大比表面积的 (F$0):浙江远大进出口有限公司；钛酸四丁酯、丙 特点决定了PTW本身很容易发生团聚和搭桥，因 酮、乙醇等试剂：市售，均为分析纯 此在填充使用前必须对PTW进行表面改性].目 1.2PTW的改性 前，对晶须表面改性还是以硅烷和钛酸酯偶联剂为 (1)二氧化钛胶体的制备.量取40mL乙醇、 主，方法和效果上都不是很理想，急需新的方法和工 17mL钛酸四丁酯放入广口瓶中，加入磁子搅拌 艺1].溶胶凝胶表面涂敷是一种新的表面处理方 0.5h.取28mL无水乙醇、2.6mL乙酰丙酮、 法，在碳纤维和金属表面处理上获得良好效果[). 0.45mL浓硝酸和1.5mL去离子水加入到滴定管 氟表面活性剂处理无机纳米粉体可以提高其在树脂 中，滴加到上述广口瓶中.滴加完毕后再搅拌4h, 中的分散性21，迄今为止，未见溶胶一凝胶、氟表面 陈化48h后待用 活性剂改性PTW的研究及PTW填充PEEK复合 (2)NDZ一102（或FS0、二氧化钛胶体）改性 材料摩擦学行为的研究报道. PTW.室温采用干法处理，表面改性剂一般用量 本文采用溶胶一凝胶、FS0、NDZ一102等对 PTW表面进行了改性处理，考察了PTW表面改性 0.5%~3%101.取0.4gNDZ102,Fs0和含0.4g 二氧化钛胶体分别溶于5mL乙醇，用注射器将其均 收稿日期：2006-09-13修回日期：2006-12-21 匀地喷涂在20gPTW上，高速搅拌5min,105℃干 基金项目：国家高技术研究发展863计划项目(N。.2003AA333010): 燥6h,最终得到样品(PTW(NDZ一102)和PTW 清华大学摩擦学国家重点实验室基金资助项目(SKLT022) (F$0));对于二氧化钛溶胶一凝胶改性的，搅拌后 作者简介：汪怀远(1977一)男，博士研究生：陆小华(1959一)，男， 教授，博士生导师 样品置于马弗炉中以3℃·min-的速率升温到晶须表面改性及其填充聚醚醚酮摩擦学行为 汪怀远 冯 新 史以俊 陆小华 南京工业大学化学化工学院‚南京210009 摘 要 利用溶胶－凝胶（sol－gel）、氟表面活性剂（FSO）和钛酸酯偶联剂（NDZ－102）等对钛酸钾晶须（PT W）进行了表面改性‚ 对比了改性后水接触角的变化‚考察了干摩擦条件下 PT W 改性对聚醚醚酮（PEEK）复合材料摩擦磨损性能的影响．利用 SEM 和光学显微镜观察了磨损面和对偶面转移膜形貌‚并分析了其磨损机理．实验结果表明：改性后 PT W 的水接触角均有 不同程度的提高‚FSO 改性得最高；改性后 PEEK 复合材料的摩擦因数均降低‚在各载荷下 FSO 和溶胶－凝胶改性 PT W 后 PEEK 复合材料耐磨性明显优于未改性的‚300N 载荷下较未改性的分别提高2∙64和2∙11倍；但是 NDZ－102改性却降低了 复合材料的耐磨性． 关键词 聚醚醚酮；钛酸钾晶须；表面改性；摩擦磨损；溶胶－凝胶法 分类号 T H117∙3 收稿日期：20060913 修回日期：20061221 基金项目：国家高技术研究发展863计划项目（No．2003AA333010）； 清华大学摩擦学国家重点实验室基金资助项目（SKLT02－2） 作者简介：汪怀远（1977－）‚男‚博士研究生；陆小华（1959－）‚男‚ 教授‚博士生导师 聚醚醚酮是一种耐高温热塑性高聚物‚具有良 好的力学性能、化学稳定性和抗辐射性、显著的热稳 定性和耐磨性‚可在250℃以下无油润滑使用［1－2］． 因而‚在摩擦学领域 PEEK 及其复合材料的研究一 直是一个热点．利用纳米、微米颗粒或碳纤维等填 充 PEEK‚可以得到耐热、耐磨性能更好的 PEEK 复 合材料［3－5］．但是‚其承载能力和耐磨性仍不能满 足日益发展的需要‚适合 PEEK 的新型填料和改性 技术需要进一步研究．与其他无机填料相比‚钛酸 钾晶须具有优异的力学性能、化学稳定性和耐磨性‚ 其较小的硬度（莫氏硬度4∙0）对对偶面损伤小‚越 来越得到广泛的关注［6－8］．小尺寸、大比表面积的 特点决定了 PT W 本身很容易发生团聚和搭桥‚因 此在填充使用前必须对 PT W 进行表面改性［9］．目 前‚对晶须表面改性还是以硅烷和钛酸酯偶联剂为 主‚方法和效果上都不是很理想‚急需新的方法和工 艺［10］．溶胶－凝胶表面涂敷是一种新的表面处理方 法‚在碳纤维和金属表面处理上获得良好效果［11］． 氟表面活性剂处理无机纳米粉体可以提高其在树脂 中的分散性［12］．迄今为止‚未见溶胶－凝胶、氟表面 活性剂改性 PT W 的研究及 PT W 填充 PEEK 复合 材料摩擦学行为的研究报道． 本文采用溶 胶－凝胶、FSO、NDZ－102 等对 PT W 表面进行了改性处理‚考察了 PT W 表面改性 对接触角和 PEEK 复合材料摩擦磨损性能的影响． 利用 SEM 和光学显微镜观察了磨损面和对偶面转 移膜形貌‚并分析了其磨损机理．为 PEEK 复合材 料的高耐磨性能设计和应用提供实验参考． 1 实验 1∙1 原料 PEEK：Victrex‚平均粒径30μm；聚四氟乙烯 （PTFE）：杜邦产‚平均粒径25μm；钛酸钾晶须：自 制‚平均直径1μm‚平均长度20μm；二氧化钛胶体： 自配；NDZ－102：南京曙光化工厂；氟表面活性剂 （FSO）：浙江远大进出口有限公司；钛酸四丁酯、丙 酮、乙醇等试剂：市售‚均为分析纯． 1∙2 PTW 的改性 （1） 二氧化钛胶体的制备．量取40mL 乙醇、 17mL 钛酸四丁酯放入广口瓶中‚加入磁子搅拌 0∙5h．取 28mL 无 水 乙 醇、2∙6mL 乙 酰 丙 酮、 0∙45mL浓硝酸和1∙5mL 去离子水加入到滴定管 中‚滴加到上述广口瓶中．滴加完毕后再搅拌4h‚ 陈化48h 后待用． （2） NDZ－102（或 FSO、二氧化钛胶体）改性 PT W．室温采用干法处理‚表面改性剂一般用量 0∙5％～3％［10］．取0∙4g NDZ－102、FSO 和含0∙4g 二氧化钛胶体分别溶于5mL 乙醇‚用注射器将其均 匀地喷涂在20g PT W 上‚高速搅拌5min‚105℃干 燥6h‚最终得到样品（PT W （NDZ－102）和 PT W （FSO））；对于二氧化钛溶胶－凝胶改性的‚搅拌后 样品置于马弗炉中以3℃·min －1的速率升温到 第29卷 第2期 2007年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．2 Feb．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．02．043