摩擦磨损是材料在服役过程中面临的基本物理现象，严重影响机械系统的可靠性、使用寿命及能源效率。聚合物基复合材料因其密度低、成本适中、加工性能良好及可设计性强等特点，在实现设备轻量化的同时能够提供优异的摩擦学性能，成为解决工业摩擦磨损问题的有效途径。

聚酰胺（PA）因其分子链中酰胺基团间的氢键作用，具有较高的机械强度和自润滑特性。通过玻璃纤维增强改性，不仅能够大幅提升PA基体的刚性和强度，增强其承载能力，还能有效改善复合材料的耐磨性能。

玻璃纤维(GF)作为增强相在摩擦过程中可分担载荷、阻碍基体的黏着转移，并提升复合材料的导热性和热变形温度。尽管玻纤增强PA复合材料已在实际工程应用中表现出诸多优势，但在苛刻工况下，其耐磨性能仍存在提升的空间。

PA66 GF50 图源：厦门博程塑胶

PA66长玻纤 摄于厦门长纤展台

为了提高聚合物基复合材料的耐磨性能，常通过引入固体润滑剂，改善摩擦界面状态，从而降低摩擦因数和磨耗量。典型的固体润滑剂包括二硫化钼（MoS2）、聚四氟乙烯（PTFE）和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）等。

PTFE分子链间仅有较弱的范德华力作用，结构规整，易形成层状结晶并在界面滑移，因此展现出极佳的自润滑性能，是应用最为广泛的固体润滑剂之一。

UHMWPE则具备优异的耐冲击性和耐低温性能，自润滑性良好，摩擦因数接近0.1，也是一种性能优异的聚合物固体润滑剂。

UHMWPE纤维

MoS₂是一种具有典型片层结构的无机化合物，分子结构中形成—S—Mo—S—键，相邻两个S原子位于Mo的上下，构成S—Mo—S三层原子平面，层与层之间结合力弱，易于层间滑移并在摩擦过程中形成转移膜。与PTFE和UHMWPE等高分子固体润滑剂相比，MoS2用量通常较少。

二硫化钼(MoS2）图源：安庆市月铜钼业

欧盟推出PFAS_FREE法案以来，塑胶行业中关于PTFE的使用存在担忧，UHMWPE和MoS₂作为PFAS_FREE环保耐磨助剂的研究，再次引发业内关注。

本研究选取MoS2、PTFE和UHMWPE三种典型固体润滑剂，系统研究了其对玻纤增强PA66复合材料力学性能、摩擦因数和磨损量的影响规律，并深入分析了各润滑剂的耐磨机制及适用条件，旨在为高性能耐磨PA复合材料的设计开发和工程选材提供科学依据。

耐磨玻纤增强PA66的配方组成

1.不同固体润滑剂对PA66-GF30力学性能的影响

耐磨改性PA66-GF30试样的力学性能、密度和熔体流动速率

可以看到，随着UHMWPE含量从3%增至10%，材料密度呈递减趋势（1.36g/cm³降低至1.33g/cm³),这是由于UHMWPE密度较低所致。拉伸强度和弯曲强度均呈下降趋势，拉伸强度从185MPa降至164MPa，弯曲强度从275MPa降至237MPa，弯曲模量也相应下降，这主要归因于UHMWPE本身强度较低。然而，材料的简支梁缺口冲击强度从10.4kJ/m²提升至13.4kJ/m²,表明UHMWPE的加入有效增强了材料韧性。MFR随UHMWPE含量增加而大幅下降（从7.9g/10min降低到2.7g/10min），这与UHMWPE的高分子量特性相关。

与UHMWPE体系相比，PTFE的引入对力学性能影响相对较小。添加10%和15%PTFE后，拉伸强度基本维持在175~178MPa水平，弯曲性能也保持相对稳定。随PTFE含量的增加，材料密度从1.43g/cm3上升到1.47g/cm3，这与PTFE较高的密度有关。此外，材料的MFR保持在相对较高水平，表明PTFE对材料流动性影响较小。

添加2.5%MoS2后，材料的力学性能基本保持不变，拉伸强度为184MPa，弯曲模量略有提升达到8915MPa。密度适度增加至1.39g/cm3。值得注意的是，材料的MFR提升至11.0g/10min，表明MoS2的引入有效改善了熔体流动性，这对加工成型具有积极意义。

2.不同固体润滑剂对PA66-GF30摩擦因数的影响

本文采用圆环磨耗试验对不同固体润滑剂改性PA66_GF30复合材料的摩擦性能进行评估，设定两种测试工况：低速工况（载荷30kg，滑动速度0.1m/s）和高速工况（载荷30kg，滑动速度0.5m/s）。

低速工况下，PA66/GF30基础配方的摩擦因数为0.45。随着UHMWPE含量从3%增至10%，摩擦因数呈递减趋势，分别为0.43、0.41和0.38。UHMWPE的润滑机理主要基于其在摩擦热作用下的软化迁移。由于UHMWPE极性较PA66弱，摩擦过程中优先向对偶表面迁移，形成具有低剪切强度的界面层，起到润滑作用。然而，在低UHMWPE含量（3%）下，UHMWPE难以在摩擦界面形成连续有效的润滑层，因此摩擦因数的降幅相对有限。

相比UHMWPE，PTFE的润滑效果更显著，添加10%和15%时摩擦因数分别降至0.37和0.32。PTFE具有极低的表面能，在摩擦过程中能够优先迁移至对偶表面，形成连续致密的转移膜。随着PTFE含量增加，转移膜的均匀性、连续性和完整性进一步提升，使界面接触更加光滑，摩擦因数持续降低。

添加2.5%MoS2后，材料的摩擦因数降至0.38，与添加10%UHMWPE的效果相当。MoS2的润滑机理基于其特有的层状结构：Mo_S层间结合力相对较弱，在剪切应力作用下易发生层间滑移，在摩擦表面形成有效的转移膜，从而降低摩擦阻力。

耐磨玻纤增强PA66的摩擦因数

相较于低速条件，高速摩擦时所有材料的摩擦因数均显著下降，数值集中在0.23~0.28区间内。研究表明，滑动速度对聚合物材料摩擦性能的影响机制复杂，主要涉及摩擦热的产生、传递以及界面温度变化等因素。

在本研究的载荷和速度范围内，PA66/GF30体系表现出摩擦因数随滑动速度增加而降低的特征，这可能与高速条件下摩擦界面温度升高、材料软化以及润滑膜形成更加充分有关。

综上可知，在低速工况下，不同固体润滑剂的润滑效果具有差异，其中PTFE表现最佳，MoS2以较低添加量实现了与10%UHMWPE相当的润滑效果。而在高速工况下，各种润滑剂的效果趋于一致，表明高速摩擦条件下界面润滑状态的改善主要受摩擦热和界面温度主导。

3.不同固体润滑剂对PA66-GF30磨耗量的影响

在分析了不同固体润滑剂对摩擦因数影响的基础上，进一步考察其对PA66‐GF30复合材料磨耗量的影响。低速工况下，PA66-GF30基础配方的磨耗量为6mg。添加UHMWPE和PTFE后，材料的磨耗量大幅降至0.1~0.5mg，减磨效果高达90%以上，表明高分子固体润滑剂在低速条件下具有优异的减磨效果。

相比之下，添加2.5%MoS2后磨耗量为3.4mg，虽较基础配方有所改善，但减磨幅度仅为43%，效果远不如高分子润滑剂显著。

耐磨玻纤增强PA66的磨耗量

高速条件下，所有材料的磨耗量均大幅增加，但不同润滑剂的表现差异更加明显。基础配方的磨耗量激增至70mg；随着UHMWPE含量从3%增至10%，磨耗量呈递减趋势，分别为36、30、23mg，最大减磨率达到67%。添加10%PTFE时磨耗量为42mg，当PTFE含量提高至15%时进一步降至16mg，减磨率高达77%，展现出最佳的高速耐磨性能。而添加2.5%MoS2的复合材料磨耗量仍高达55mg，减磨率仅为21%，效果有限。

玻纤增强复合材料的磨损行为涉及基体聚合物磨损和纤维磨损的协同作用，其中转移膜的形成质量和纤维磨粒磨损共同决定材料的摩擦性能。高分子固体润滑剂（UHMWPE和PTFE）具有良好的成膜性和界面相容性，能够在对偶表面快速形成连续稳定的转移膜。这种转移膜不仅有效隔离了摩擦界面的直接接触，还能够阻碍玻璃纤维的松动脱落，显著减少纤维从基体中被拔出或折断的现象，从而大幅降低复合材料的整体磨损。

MoS2的磨损机理则更为复杂。虽然其层状结构有利于形成润滑转移膜，但在摩擦过程中容易产生硬质磨粒并滞留在摩擦界面。这些磨粒引发三体磨粒磨损，产生微切削和嵌入效应，在摩擦表面形成应力集中点，诱发微裂纹的萌生与扩展。在循环载荷作用下，裂纹不断延伸并最终导致材料剥落，使磨损量增大。

此外，高速工况下磨耗量显著增加的另一重要因素是摩擦温升效应。如图4所示，当滑动速度从0.1m/s提高至0.5m/s时，摩擦表面温度显著升高，接近翻倍增长。摩擦热的快速积累使材料黏弹性对摩擦学性能的影响增强。

耐磨增强PA66的发热温度

根据摩擦转移理论，随着界面温度升高，聚合物材料的黏附转移倾向增强，摩擦过程中更多的基体材料发生黏附-剥离循环，导致磨耗量显著增大。值得注意的是，虽然3种润滑剂在低速条件下均能有效降低摩擦界面温度，但在高速高温条件下，其降温效果的差异直接影响了最终的耐磨性能表现。

综上，高分子固体润滑剂在不同工况条件下均表现出良好的减磨效果，其中PTFE在高速工况下的耐磨性能最为优异，而MoS2由于其磨粒磨损机制的存在，在高载荷高速条件下的减磨效果相对有限。

PA66 GF30 图源：厦门博程塑胶材料

汇总来看，（1）在玻纤增强PA66体系中，不同固体润滑剂对材料力学性能的影响存在差异，其中UHMWPE和PTFE对力学性能影响较大，MoS2影响相对较小。

（2）UHMWPE、PTFE和MoS2均能降低材料摩擦因数，低速条件下效果显著，高速条件下效果趋于一致且不明显。

（3）UHMWPE和PTFE具有优异的减磨效果，MoS2减磨效果有限。摩擦速度增加导致温升加剧，磨耗量显著增大。

参考资料：玻纤增强聚酰胺耐磨性的研究，叶士兵等