低分子量聚四氟乙烯协同增强PTFE摩擦学性能的分子机制与界面调控研究

《Materials Today Communications》：Enhancement of tribological properties of polytetrafluoroethylene with low molecular weight polytetrafluoroethylene

【编辑推荐】本研究通过熔融共混法将低分子量聚四氟乙烯（M-PTFE）引入商用PTFE，开发出自增强材料（SPTFE）。实验表明，2 wt% M-PTFE可使摩擦系数降低9.4%，磨损率下降43.3%。其机制在于M-PTFE优先形成薄层摩擦膜（tribofilm）和小尺寸磨屑，并通过端基反应生成铁化合物/螯合物（Fe compounds/chelates），增强转移膜（transfer film）粘附性。该策略为PTFE的摩擦学性能优化提供了新思路。

　　

Highlight

为提升商用聚四氟乙烯（PTFE）的固有摩擦学性能，本研究通过简易熔融共混法设计了一种自增强材料（SPTFE），以低分子量PTFE（M-PTFE）作为协同改性剂。摩擦学表征显示，M-PTFE能显著降低PTFE的摩擦系数和磨损率。含2 wt% M-PTFE（经0.5 MGy辐照）的SPTFE，其平均摩擦系数降低9.4%，体积磨损率下降43.3%。扫描电镜（SEM）分析表明，SPTFE生成更薄的摩擦膜和片状磨屑，而非PTFE中的厚摩擦膜和块状碎屑。这一差异归因于SPTFE通过增强界面相互作用抑制大尺度结晶带滑移，从而降低磨损率。

Structure of M-PTFE

M-PTFE是辐照处理后的低分子量PTFE经稳定化处理的产物。对比分析显示，M-PTFE在375°C烧结时重量损失显著低于辐照PTFE（I-PTFE），表明其高温挥发性更低。红外光谱（FTIR）和核磁共振（NMR）证实M-PTFE富含–CF₃和–COOH端基，这些端基在摩擦过程中易断裂产生自由基，与钢环中的铁反应形成有机金属化合物和螯合物，强化摩擦膜基质并提升转移膜粘附性。

Conclusions

PTFE与M-PTFE的核心结构差异在于端基含量。富含端基的PTFE在摩擦中更易发生键断裂，生成自由基并与钢环中的铁反应形成铁化合物/螯合物（Fe compounds/chelates）。这些原位形成的化合物可增强转移膜对钢环的粘附，从而显著提升SPTFE的耐磨性。即使摩擦膜剥落形成磨屑，M-PTFE的存在也能减小碎屑尺寸，实现更低的摩擦系数和磨损率。