在机械工程材料中，常常会用到一些高性能工程塑料和超级工程塑料，尤其是一些可以直接进行机械加工的超级工程塑料。聚醚醚酮（PEEK）就是其中的一个代表，它是一种全芳香族半结晶性的热塑性特种工程塑料，其玻璃化转变温度（Tg）为143℃，熔点为334℃，长期使用温度可达250℃，瞬间使用温度可高达300℃。由于大分子链上含有刚性的苯环、柔顺的醚键及提高分子间作用力的羰基，PEEK的结构规整，具有高耐热性、高强度、高模量、高韧性以及良好的加工性等优异的综合性能，还具有绝缘性、耐水解、抗辐射等特点，在机械工程及航空航天领域都有重要的应用。
不同的PEEK树脂被用于制造不同的应用元件，如密封圈、汽车快速连接头、吸能弹簧以及衬垫等。很多元件都是应用在快速运动的环境中，这样就需要材料具有优异的摩擦性能。尽管PEEK的耐磨性能优良，但其摩擦因数相对较高，这限制了其作为抗摩擦材料的应用。所以对PEEK进行摩擦改性是非常必要的。
Friedrich K等研究了以聚丙烯腈（PAN）或者树脂（Pitch）为碳纤维复合剂的PEEK碳纤维聚合物（PEEK/FC)的摩擦学性能，结果发现，当碳纤维质量分数为10%时，PEEK/FC具有最好的摩擦性能，摩擦因数降至0.25，比磨损率降至10-6mm·N-1m-1；此外还发现，在高压(3MPa)下树脂基碳纤维PEEK材料的摩擦学性能不如PAN基碳纤维PEEK。
对PEEK进行摩擦改性的填料中很重要的一类是固体润滑剂。最常用的固体润滑剂是聚四氟乙烯（PTFE），其常被用于降低PEEK的摩擦因数。Bijwe等系统研究了PTFE含量对注塑成型PEEK/PTFE共混物摩擦磨损性能的影响，结果表明，摩擦因数和磨损速率均随PTFE含量的增加而单调下降，拉伸性能也同时下降。
制备PEEK/PTFE共混物的一种主要方法是模压，一般是先冷压，然后烧结。Briscoe等采用叶片式共混机对PEEK和质量分数为0~100%的PTFE的粉体进行共混，然后压模、烧结，制备了PEEK/PTFE共混物。结果表明，随着PTFE含量增加，共混物的磨损率单调上升，摩擦因数单调下降。Sawyer等使用制备PTFE/Al纳米复合粒子的方法制备了PTFE/PEEK复合粒子，并发现当加入PTFE的质量分数为50%时，复合粒子的摩擦因数最低，加入PTFE的质量分数为68%时，磨损速最低。Friedrich等也研究了PEEK/PTFE共混物的性能，其中PTFE体积分数为0~40%的共混物是采用注射成型的方法得到，而PTFE体积分数大于40%的共混物是采用压模的方法得到。研究发现，PTFE的加入降低了PEEK的摩擦因数，当PTFE的体积分数为15%时，共混物的摩擦因数最低；当PTFE体积分数为5%-40%，共混物的磨损率最小。综合考虑共混物的各种性能后认为，PTFE的体积分数为10%-20%较为合适。
由前面的讨论可道，使用PTFE与PEEK共混可以使PEEK的摩擦性能得到很大改善。不过，PTFE不溶也不熔，加工性能较差，在PEEK/PTFE体系中，当PTFE的含量较高时很难采用挤出注塑的方法对其进行加工。PTFE都是作为一种固体粒子加入PEEK中，即使是用螺杆进行熔融加工不能对其初始粒径有很大改变，这会影响改性物的其它性能，特别是力学性能会变得更差。一般而言，PEEK的拉伸性能在工程塑料中算是很高的，但其冲击性能较差，为5.5~7.5 kJ·m-2。针对这些问题，我们采用了一种热塑性共聚氟塑料（CFP）对PEEK进行了改性。CFP的优点是可以熔融加工，并且在共混温度下它的黏度与PEEK的相近，故而可以通过螺杆共混挤出的方式使CFP在PEEK中均匀分散，从而达到对PEEK良好改性的目的。
PTFE作为粒子加入到PEEK中，加工过程中并不能使其细化，PTFE在PEEK中呈无规则的形状，其分散后的粒径仍为几十至几百微米。而CFP的熔点在260℃左右，在380~390℃的加工温度下黏度相对较低，它在PEEK中均匀分散，且其尺寸是PTFE的几百分之一，小至几百纳米。
表1 PEEK/PTFE与PEEK/CFP共混物的力学性能
| 性能 | 拉伸强度/MPa | 断裂伸长率/% | 冲击强度/(kJ·m-2) |
| PEEK/PTFE（80/20） | 66.6 | 9.6 | 5.45（±9%，断） |
| PEEK/CFP （80/20） | 81.1 | 38.3 | 45.49（±12%，不断） |
由表1可知，与PEEK/PTFE共混物相比，PEEK/CFP共混物的拉伸强度提高了约20%，断裂伸长率提高了3倍，冲击强度提高了近8倍。这是因为CFP在PEEK中均匀分散，分散相的尺寸更小，裂纹以及银纹的扩张阻力更大，所以PEEK/CFP共混物的拉伸强度和冲击强度更高，特别是冲击强度。CFP的尺寸接近纳米级，PEEK连续相中每一条银纹在扩张过程中碰到CFP粒子又会分裂成几条银纹，CFP粒子数越多，发生最终断裂时的银纹越多，吸收的能量越多，冲击性能就越好。
由图1可知，与PEEK相比，PEEK/CFP共混物的摩擦系数降低了很多。可见，CFP也能起到很好的摩擦改性效果。PEEK/CFP共混物的摩擦系数比PEEK/PTFE的略高，这可能是因为PTFE颗粒的表面结构在剪切受力下易成为纤状，摩擦过程中PTFE容易被拉扯转移到对摩面上形成PTFE转移膜，从而使得摩擦系数低；此外，PTFE的摩擦因数也较CFP的低。由作者课题组制备的力学性能均衡的高性能PEEK/CFP共混材料已在三个国家获得发明专利。
由图1可知，与PEEK相比，PEEK/CFP共混物的摩擦系数降低了很多。可见，CFP也能起到很好的摩擦改性效果。PEEK/CFP共混物的摩擦系数比PEEK/PTFE的略高，这可能是因为PTFE颗粒的表面结构在剪切受力下易成为纤状，摩擦过程中PTFE容易被拉扯转移到对摩面上形成PTFE转移膜，从而使得摩擦系数低；此外，PTFE的摩擦因数也较CFP的低。由作者课题组制备的力学性能均衡的高性能PEEK/CFP共混材料已在三个国家获得发明专利。
图1 PEEK/PTFE与PEEK/CFP共混物的摩擦因数
节选自《机械工程材料》2015年第7期
