聚四氟乙烯(PTFE)因具有良好的自润滑性能及耐高温耐腐蚀性能，通常被应用于摩擦材料[1-3]。但由于PTFE材料耐磨性极差，导致材料使用寿命短暂，故需要对其进行改性。为改善PTFE复合材料性能，通常选择碳纤维、氧化铝、二硫化钼等材料对PTFE进行填充[4-9]。近年来，研究学者又将资源丰富、成本低、性能独特的天然硅酸盐矿物作为填充材料，将其填充到高分子材料中以改善其摩擦磨损性能[10-13]。Jia等[14]选择蛇纹石作为填充材料，制备形成PTFE/蛇纹石材料，该复合材料的磨损率较未改性得到较大提高，摩擦系数相对稳定。王伟等[15]研究了干摩擦条件下凹凸棒石增强环氧树脂材料的摩擦学性能。结果表明：填充3%离子液体功能化改性凹凸棒石的复合材料的耐磨性较纯环氧树脂提高了60%，并在界面形成转移膜，从而避免了摩擦副的直接接触。索军营等[16]选择针状的硅灰石作为填充材料，采用冷压烧结工艺制备PTFE/硅灰石复合材料。结果表明：填充15%针状硅灰石时，PTFE复合材料磨损率明显降低，压缩性能提高。然而，由于填充材料在聚合物基体中分散性不好，导致复合材料稳定性差。为增强材料的整体性能，通常采用硅烷偶联剂或表面活性剂等对填充材料进行有机改性，改善填料与基体间的结合作用。于向天等[17]在Al(OH)3/SiS2橡胶中添加硅烷偶联剂，将橡胶的拉伸强度提高75%。赵国璋[18]采用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)改性凹凸棒石，以机械共混法制备橡胶基凹凸棒石纳米复合材料，发现橡胶的力学性能、耐磨耗性能、热稳定性能、耐溶剂性能明显提高。在保障PTFE复合材料的摩擦学性能稳定的前提下，提高填料在PTFE基体中的分散性，进一步优化复合材料的压缩性能。本实验采用硅烷偶联剂(KH550)及表面活性剂CTAB对凹凸棒石粉体进行改性，将改性前后凹凸棒石粉体和硅灰石粉体作为PTFE的填充原料制备复合材料，研究复合材料的结构、压缩性能、硬度及摩擦磨损性能。1实验部分1.1主要原料凹凸棒石(Paly)，A-921976，安徽滁州联胜化工有限公司；聚四氟乙烯(PTFE)，DF-16A，一级品，山东东岳化工有限公司；硅灰石(Wl)，HQ-3000，大连环球矿产有限公司；十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、硅烷偶联剂KH550，纯度99.9%，国药集团化学试剂有限公司。1.2仪器与设备行星式球磨机，QX4，南京南大仪器有限公司；平板硫化机，XLB-3，青岛宙斯智创机械科技有限公司；傅里叶红外光谱仪(FTIR)，Nicolet 6700，美国赛默飞公司；扫描电子显微镜(SEM)，ZEISS Gemini 300，德国蔡司公司；邵氏硬度计，LX-D，上海高致精密仪器有限公司；电子万能试验机，CMT4304，上海松顿仪器制造有限公司；环块摩擦磨损试验机，MRH-3，济南益华摩擦学测试技术有限公司。1.3样品制备1.3.1凹凸棒石粉体预处理将凹凸棒石粉体、水、钢球以1∶5∶20的质量比混合后置于行星式球磨机中进行球磨。球磨机转速为500 r/min，球磨时间为30 h，球磨烘干后得到改性凹凸棒石粉体。1.3.2CTAB改性将凹凸棒石粉体(50 g)与CTAB（凹凸棒石粉体质量分数50%）混合，再与一定量的去离子水形成混合溶液，70 ℃恒温，中速搅拌8 h洗涤至用0.1 mol/L AgNO3溶液检测无氯离子、离心，80 ℃烘干，记为CTAB-Paly。1.3.3KH550改性将凹凸棒石粉体(50 g)与一定量的去离子水混合，再与硅烷偶联剂KH550（凹凸棒石粉体质量分数10%）混合后搅拌改性，粉体80 ℃烘干，记为KH550-Paly。1.3.4复合材料制备表1为PTFE复合材料配方。采用高速搅拌机将PTFE、凹凸棒石粉体和硅灰石以表1配方[19-20]混合，在105 ℃烘箱中烘干得到混合粉体，采用50 MPa平板硫化机对混合粉体进行冷压成型至10 mm×10 mm×4 mm样块，采用无压烧结炉对样块进行烧结。烧结升温速率为1 ℃/min，升温至327 ℃保温2 h，升温至375 ℃保温1.5 h，随炉冷却至室温，得到PTFE复合材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.011.T001表1PTFE复合材料配方Tab.1Formula of PTFE composites样品PTFEPalyCTAB-PalyKH550-PalyWlPTFE100————PTFE/Paly/Wl6010——30PTFE/CTAB-Paly/Wl60—10—30PTFE/KH550-Paly/Wl60——1030%%1.4性能测试与表征FTIR测试：波数范围500~4 000 cm-1。SEM观察：对样品喷金处理，采用扫描电镜对复合材料微观形貌进行表征。硬度测试：按GB/T 2411—2008进行测试。压缩性能测试：按GB/T 1041—2008进行测试。摩擦系数和磨损率测试：测试条件为载荷为200 N，滑动速度为0.21 m/s，时长2 h。2结果与讨论2.1凹凸棒石改性结构分析图1为改性前后凹凸棒石的FTIR谱图。从图1可以看出，与未改性凹凸棒石相比，经CTAB改性后凹凸棒石在2 919 cm-1处出现—CH3不对称C—H伸缩振动峰，在2 850 cm-1处出现—CH2对称C—H伸缩振动峰；凹凸棒石经CTAB改性后，其表面与有机基团结合。经硅烷偶联剂KH-550改性，凹凸棒石在900~1 100 cm-1间的Si—O—Si键振动吸收带明显加强，表明硅烷偶联剂KH-550在凹凸棒石表面形成Si—O—Si结构，实现接枝。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.011.F001图1改性前后凹凸棒石的FTIR谱图Fig.1FTIR spectra of palygorskite before and after modification图2为改性前后凹凸棒石的SEM照片。从图2可以看出，未改性凹凸棒石呈现团聚的晶束，几乎不见独立的棒晶；凹凸棒石经CTAB改性后，聚集体基本被解离；经KH-550改性后，凹凸棒石分散均匀，聚集体与晶束基本都被拆解成纤维状棒晶，说明硅烷偶联剂KH-550对凹凸棒石具有明显的改性效果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.011.F002图2改性前后凹凸棒石的SEM照片Fig.2SEM images of palygorskite before and after modification2.2复合材料的SEM分析图3为PTFE复合材料的SEM照片。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.011.F003图3PTFE复合材料的SEM照片Fig.3SEM images of PTFE composites从图3可以看出，未改性凹凸棒石与硅灰石填充PTFE后，粉体在PTFE基体中分散不均，粉体与基体的界面结合较弱。但当粉体经过表面改性后，不仅抑制凹凸棒石自身团聚，而且提高凹凸棒石与PTFE基体的交联，强化与PTFE基体的结合，使其在基体中呈均匀分散的状态。经CTAB改性的凹凸棒石在PTFE基体中的分散程度优于经KH550改性的凹凸棒石在PTFE基体中的分散程度。2.3复合材料力学性能分析图4为PTFE复合材料的硬度。从图4可以看出，纯PTFE材料的邵氏硬度为55，添加未改性的凹凸棒石与硅灰石的PTFE复合材料的硬度可以达到68。矿物粉体限制了PTFE基体中的高分子链运动，导致复合材料硬度增加。凹凸棒石经改性后填充PTFE中，复合材料硬度进一步增加，PTFE/CTAB-Paly/Wl复合材料的硬度可达70，较纯PTFE增大27.3%。分散均匀的粉体对PTFE基体高分子链运动的限制作用进一步增加。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.011.F004图4PTFE复合材料的硬度Fig.4Hardness of PTFE composites图5为PTFE复合材料的压缩应力-应变曲线。从图5可以看出，在一定应力（基于实际使用工况定为20 N/mm2）下，PTFE的应变为70%左右。添加未改性凹凸棒石与硅灰石的复合材料应变程度并没有得到改善，而填充改性粉体后，复合材料的应变程度降低至40%左右，压缩性能得到一定改善。PTFE材料在外力作用下很容易在基体内部出现微裂纹并快速扩散，而矿物粉体在PTFE基体中的分散性决定了复合材料的压缩性能。未改性粉体与PTFE基体结合较弱；改性粉体与基体的界面结合更牢固，裂纹扩展受到了较大的阻力，裂纹扩展需要消耗更多的断裂能，故复合材料的压缩性能显著提高。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.011.F005图5PTFE复合材料压缩应力-应变曲线Fig.5Compression stress-strain curves of PTFE composites2.4复合材料摩擦磨损性能分析图6为PTFE复合材料的摩擦系数。从图6可以看出，纯PTFE材料的摩擦系数在0.23左右，添加凹凸棒石与硅灰石的复合材料的摩擦系数均有所降低，PTFE/KH550-Paly/Wl复合材料的摩擦系数为0.22左右，PTFE/CTAB-Paly/Wl复合材料的摩擦系数为0.20左右。复合材料在高载荷下，摩擦过程产生的机械能转化为热能，使得复合材料的抗剪切强度降低。同时，高载荷工况使得摩擦副表面的温度升高，对偶表面生成转移润滑膜，使得摩擦过程由复合材料与钢环之间的摩擦转变为复合材料与转移润滑膜之间的摩擦过程，摩擦系数降低，加入表面改性后凹凸棒石对复合材料摩擦性能的提高有一定作用。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.011.F006图6PTFE复合材料摩擦系数Fig.6Friction coefficient of PTFE composites图7为PTFE复合材料的磨损率。从图7可以看出，凹凸棒石与硅灰石复合填充的PTFE材料磨损率降低明显，普遍降低两个数量级。CTAB改性的凹凸棒石明显提高PTFE材料耐磨性能，PTFE/CTAB-Paly/Wl复合材料的磨损率为1.54×10-6 mm3/(N‧m)，推断CTAB改性凹凸棒石和PTFE基体间的相容性和结合强度与磨损率提高有关。综合对比摩擦系数和磨损率发现，改性凹凸棒石填充PTFE复合材料的摩擦磨损性能均低于未改性凹凸棒石填充的复合材料，主要是均匀分散的凹凸棒石在摩擦过程中更易于发生界面转移，从而提高摩擦界面的承载能力。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.011.F007图7PTFE复合材料磨损率Fig.7Wear rate of PTFE composites3结论（1）凹凸棒石经表面改性后，粉体聚集体基本被解离，将改性后的凹凸棒石填充到PTFE中，粉体在基体中的分散性较好，且经CTAB改性后的凹凸棒石在PTFE中的分散性优于KH550改性后的凹凸棒石。（2）凹凸棒石经CTAB改性后与硅灰石复合填充到PTFE中，复合材料硬度可达70，较纯PTFE增大27.3%，压缩性能提高40%左右。（3）凹凸棒石与硅灰石复合填充PTFE复合材料摩擦系数有所降低、磨损率降低两个数量级左右。经CTAB改性的凹凸棒石与硅灰石复合填充后，复合材料摩擦系数降低至0.2，磨损率降低至1.54×10-6 mm3/(N·m)，效果最佳。