聚四氟乙烯(PTFE)作为一种结晶度较高的热塑性塑料，具有优异的结构稳定性、耐化学腐蚀性、阻燃性等优点，已经广泛用于包装、汽车以及建筑等领域[1-2]。然而PTFE存在较低的耐磨性能以及较低的硬度，限制了PTFE在耐磨材料等领域中的应用[3]。对PTFE进行填充改性从而提高PTFE的摩擦磨损性能，有助于扩展PTFE的应用领域。石国军等[4]研究表明：通过在PTFE基体中添加合适的添加剂有助于增强PTFE的摩擦性能。汤金柱等[5]通过在PTFE中加入石墨烯、羧酸化的碳纳米管以及碳纳米颗粒，制备了PTFE复合材料。结果表明：石墨烯可以在摩擦副中形成连续并且致密的保护膜，从而表现最佳的摩擦性能。林启权等[6]利用二硫化钼以及二硫化钨填充改性PTFE，得到PTFE复合材料。结果表明：二硫化钼含量低于20%时，其摩擦性能高于二硫化钨；而二硫化钼含量高于20%时，其摩擦性能低于二硫化钨。同时，两者复合填充时的摩擦性能均优于单一填充剂。氮化硼(BN)作为一种类石墨类物质，具有优异的结构稳定性，良好的力学性能以及耐磨性，已经被广泛用作高分子树脂的增强填料[7-9]。然而，由于BN的层间相互作用的影响，BN具有较低的极性以及分散性，导致其与树脂基体的结合力较差[10]。因此，BN功能化可以有助于改善其在基体中的混容性。聚多巴胺(PDA)由盐酸多巴胺聚合而成，其表面具有丰富的羟基基团，可以有效提升BN与树脂基体的混容性[11]。因此，将BN进行PDA改性可以得到共价功能化的BN材料，从而有效增强BN极性及其在树脂中的分散性。本实验将BN进行PDA改性得到改性BN(MBN)，并将其作为填料制备PTFE/MBN复合材料(PTFE/MBN)，并对其力学性能、摩擦性能进行研究。1实验部分1.1主要原料氮化硼(BN)，片层尺寸1 μm，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；Tris-HCl，分析纯，北京化工厂；盐酸多巴胺，分析纯，上海迈瑞尔制药有限公司；聚四氟乙烯(PTFE)，平均粒径25 μm，大金氟化工有限公司。1.2仪器与设备紫外光谱仪，Tensor 27，德国Bruker公司；万能试验机，3119-409，美国Instron公司；扫描电子显微镜(SEM)，S4800，日本日立公司；硬度仪，XHRD-150，莱州华银试验仪器有限公司；高速高温摩擦磨损试验机，M-2000，宣化正力动平衡机有限公司。1.3样品制备1.3.1MBN的制备0.315 g Tris-HCl溶于150 mL水中，调整pH值为8.5。在Tris-HCl溶液中加入5.5 g BN进行混合，超声30 min后，在溶液中缓慢加入0.75 g盐酸多巴胺，室温下连续搅拌48 h。得到的黑色溶液进行过滤，采用去离子水进行洗涤，60 ℃烘箱中放置48 h进行干燥，得到黑色粉末为改性BN，标记为MBN。1.3.2PTFE/MBN复合材料的制备表1为PTFE/MBN复合材料的配方。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.016.T001表1PTFE/MBN复合材料的配方Tab.1Formula of PTFE/MBN composites样品PTFEMBNPTFE00PTFE/MBN-5%955PTFE/MBN-10%9010PTFE/MBN-15%8515PTFE/MBN-20%8020%%根据表1配比将PTFE和MBN进行混合，加入20 mL水得到悬浮液。在160 ℃的油浴条件下连续搅拌48 h，得到PTFE/MBN涂膜前驱液。将涂膜液缓慢倒入玻璃模具中进行涂膜，放置在60 ℃烘箱中进行彻底干燥，制备的产物记作PTFE/MBN。采用相同的制备方法，将MBN换成BN，制备PTFE/BN复合材料，BN的添加量为5%、10%、15%和20%的复合材料记作PTFE/BN-5%、PTFE/BN-10%、PTFE/BN-15%和PTFE/BN-20%。1.4性能测试与表征SEM分析：对样品进行喷金处理，喷金90 s，测试电压为20 kV。吸光度测试：样品配置为10 g/L的分散液，测试其在203 nm处的吸光度。拉伸强度测试：按GB/T 1040.2—2006进行测试，拉伸速率8 mm/min。硬度测试：载荷设置为50 g，时间10 s，记录其硬度。摩擦试验：采用往复磨损方式，施加载荷为10 N，时间为600 s，对磨件采用直径为10 mm的钢球。老化试验：将样品放置在老化试验箱中，温度设置为80 ℃，紫外灯功率为120 W，老化时长为6 d。2结果与讨论2.1MBN的分散性表征图1为BN和MBN的分散性能。从图1a可以看出，BN溶液在放置一段时间后，其底部沉积了一层BN颗粒，表明其分散性较差。然而，经过PDA改性，MBN中底部并无明显的沉积，表明其分散液具有良好的分散性。从图1b可以看出，BN的吸光度下降趋势大于MBN，说明BN在水中的分散不稳定，容易发生沉积。产生这一结果的原因是BN与水之间的极性差异较大，从而导致其在水中的溶解性降低，因此放置一段时间后，容易发生沉积，导致BN水分散液的吸光度下降。而对于MBN，PDA表面的大量氨基官能团具有优异的亲水性，从而使其与水之间的极性差异降低，使得其分散性能增强[12]。由此说明MBN已成功合成，并且具有优异的分散性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.016.F001图1BN和MBN的分散性能Fig.1Dispersion properties of BN and MBN2.2PTFE/MBN的力学性能PTFE复合材料的拉伸性能以及硬度对其摩擦性能具有重要影响，因此对不同PTFE复合材料的拉伸强度和硬度进行评估，图2为测试结果。从图2a可以看出，在添加不同的BN后，PTFE复合材料的拉伸强度均表现为先升高后下降的趋势，并且在BN含量为15%时达到最佳值。当填料含量为15%时，添加MBN的PTFE复合材料的拉伸强度(21.3 MPa)优于添加BN的PTFE复合材料的拉伸强度(19.5 MPa)。BN作为一种层状材料，其力学强度优于PTFE，在拉伸过程中可以有效吸收外界应力。然而BN添加量较高时，BN之间的孔隙导致复合材料的致密度变差，从而降低了复合材料的拉伸强度[13]。MBN相比BN具有更好的分散性，在混合过程中，MBN在PTFE之间的分散性更好，从而使得PTFE/MBN的拉伸强度优于PTFE/BN。图2不同PTFE复合材料的拉伸强度和硬度Fig.2Tensile strength and hardness of different PTFE composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.016.F2a1（a）拉伸强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.016.F2a2（b）硬度从图2b可以看出，随着BN的含量的增加，复合材料的硬度逐渐下降。纯PTFE的硬度为9.8 HV，而PTFE/BN-20%的硬度最低，为5.9 HV。BN层间作用力较低，硬度较低，导致复合材料的硬度下降[14]。而对于PTFE/MBN材料，其硬度高于PTFE/BN，说明MBN可以有效降低BN的添加对复合材料硬度的影响，从而使PTFE/MBN复合材料保持较好的力学性能。2.3PTFE/MBN的摩擦性能图3为不同PTFE复合材料的摩擦曲线以及摩擦系数。从图3a可以看出，随着BN添加量的增加，PTFE复合材料的摩擦系数先减少后增加。由于BN受到摩擦过程中剪切力被剥离为单层片层材料，从而在基体表面形成转移膜，降低了摩擦系数并且增强了摩擦过程中的稳定性。在PTFE/MBN中，其摩擦系数明显低于PTFE/BN材料。由于MBN在PTFE中具有较好的分散性，使PTFE致密性增强，从而摩擦性能更好。图3不同PTFE复合材料的摩擦曲线以及摩擦系数Fig.3Friction curves and friction coefficients of different PTFE composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.016.F3a1（a）摩擦曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.016.F3a2（b）摩擦系数从图3b可以看出，PTFE/MBN-15%的平均摩擦系数最低，为0.068，低于PTFE/BN的0.106，表明相较BN，MBN的加入可以有效增强PTFE复合材料的摩擦性能。图4为不同PTFE复合材料磨痕的SEM照片。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.016.F004图4不同PTFE复合材料的磨痕的SEM照片Fig.4SEM images of wear marks of different PTFE composites从图4可以看出，PTFE的磨痕深度较大，并且呈现凹凸不平的坑状形貌。由于PTFE在摩擦过程中其分子的刚性较大，分子之间无分子链发生缠结，导致在摩擦过程中分子被拉出，从而形成了磨损形貌。PTFE/BN-15%的磨痕形貌无明显的坑状形貌，呈现沟壑状的磨痕形貌。由于BN的加入，使得BN在摩擦过程中被剥离，导致其片层剥落，从而产生一定的减磨作用[15]。部分PTFE分子与BN片结合而剥落，从而形成沟壑状结构。PTFE/MBN-15%的磨痕形貌最平整，并且沟壑状磨痕进一步降低，表明PTFE分子与MBN之间结合较紧密，从而使得BN片层在磨损剥离中成片剥离，具有优异的减磨作用[16]。基于此，PTFE/MBN表现更优异的耐磨性能。2.4PTFE/MBN的耐老化性能PTFE/MBN-15%具有最佳的摩擦性能，因此对其摩擦性能稳定性进行了分析。图5为PTFE和PTFE/MBN-15%在不同老化时间下的摩擦系数变化。从图5可以看出，随着老化时间的延长，两种材料的平均摩擦系数均发生上升。由于在高温紫外条件下，PTFE会发生断键，基体材料发生损坏，从而导致摩擦性能的降低。而在PTFE/MBN中，MBN作为无机材料，可以有效抵抗紫外和高温的老化作用，从而使得复合材料的抗老化性能增强。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.016.F005图5PTFE和PTFE/MBN-15%在不同老化时间下摩擦系数变化Fig.5Friction coefficient changes of PTFE and PTFE/MBN-15% at different aging time3结论（1）采用PDA改性的共价功能化BN作为填充剂，制备了PTFE/MBN复合材料，由于PDA的作用，显著提高了BN的分散性，从而有利于增强PTFE复合材料的综合性能。（2）MBN相较BN在溶液中具有更优异的分散能力，与PTFE结合后表现优异的拉伸性能。PTFE/MBN-15%的拉伸强度相对较好，达到21.3 MPa。（3）摩擦性能方面，PTFE/MBN-15%具有优异的耐磨性能，其摩擦曲线最低，平均摩擦系数为0.068，表现较好的摩擦性能。MBN的加入具有优良的减磨作用。此外，PTFE/MBN-15%具有优异的抗老化性能，在高温老化后仍能表现优异的耐磨性能。