吳賀賀,何春霞(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,江蘇南京,210031)

超高分子量聚乙烯改性尼龍6復(fù)合材料的力學(xué)性能研究

吳賀賀,何春霞
(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,江蘇南京,210031)

通過擠出方法制備了尼龍6(PA 6)/超高分子量聚乙烯(UHMW PE)復(fù)合材料,考察了復(fù)合材料摩擦學(xué)性能和力學(xué)性能。用光學(xué)顯微鏡觀察分析了復(fù)合材料磨損表面形貌。結(jié)果表明:復(fù)合材料摩擦性能較純尼龍有一定的提高,當(dāng)UHMW PE含量為5%和10%時,復(fù)合材料耐磨減摩性較好。但隨著UHMW PE含量的增加,復(fù)合材料的硬度、拉伸強度、伸長率有所下降。

PA 6;超高分子量聚乙烯;力學(xué)性能;摩擦學(xué)性能

尼龍6(Nylon6)學(xué)名聚酰胺(PA 6),是工程塑料中開發(fā)最早的品種,是目前聚酰胺塑料中產(chǎn)量最大的品種之一。PA 6具有力學(xué)強度高、電氣性能良好、耐磨、抗震吸音、耐油、耐弱酸、耐弱堿、耐弱極性有機溶劑、加工流動性好等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、電子、機械等領(lǐng)域。預(yù)計到2011年,PA 6樹脂和薄膜消費量將由2006年的23.2萬t增加到26.7萬t,年均增長率將達(dá)到約2.9%。西歐地區(qū)己內(nèi)酰胺消費量為67.0萬t,其中,PA 6纖維對己內(nèi)酰胺的需求量為22.6萬t/年,約占總消費量的33.73%;PA 6樹脂和薄膜的需求量為40.6萬t/年,約占總消費量的60.60%;預(yù)計到2011年,己內(nèi)酰胺的總需求量將達(dá)到約73.5萬t。其中,PA 6樹脂和薄膜的消費量增加到45.6萬t/年,年均增長率將達(dá)到約2.4%。日本也作為一個己內(nèi)酰胺的需求大國,年均需求約以1.7%的速度增長,到2011年,總需求量將達(dá)到約27.1萬t,其中,PA 6樹脂的消費量將由2006年的17.0萬t增加到2011年的19.4萬t,年均增長率將達(dá)到約2.8%。我國也作為一個己內(nèi)酰胺的消費大國,目前主要還是依賴進(jìn)口,2008年己內(nèi)酰胺的需求量約為86萬t,其中,進(jìn)口量為45.01萬t,較上一年有所減少。主要用于生產(chǎn)PA 6纖維(錦綸6)和PA 6工程塑料。隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展,大量引進(jìn)汽車、家電、通訊等生產(chǎn)線投入生產(chǎn),通訊、汽車等行業(yè)發(fā)展速度將遠(yuǎn)高于GDP增長率。預(yù)計到2010年,我國PA 6工程塑料的需求量將達(dá)到19萬t。2010年到2020年期間,我國PA 6工程塑料的需求量將以年均9%的速度增長,到2020年, PA 6工程塑料的國內(nèi)需求量將達(dá)到45萬t左右。尼龍的酞基和水分子之間容易形成氫鍵,具有較強的吸水性,導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性差、耐強酸強堿性差、干態(tài)和低溫沖擊強度低等缺陷,限制了其應(yīng)用。因此,國內(nèi)外研究者對PA 6進(jìn)行了大量的研究和開發(fā),研制出許多性能優(yōu)異、滿足特殊要求的改性材料。提高PA 6性能的方法包括共聚、共混、填充、增強、分子復(fù)合等,共混改性是近十多年來發(fā)展最為迅速的改性方法之一,并以其投資小、見效快、生產(chǎn)周期短等特點得到廣泛應(yīng)用。

近年來,尼龍復(fù)合材料[1-2]作為一種高效能改性材料的研究迅速興起。添加超高分子量聚乙烯對材料的摩擦性能有很大的提高,在工業(yè)上具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。本研究以PA 6為本體,采用擠出制備PA 6/超高分子量聚乙烯(UHMW PE)復(fù)合材料,并考察了材料的摩擦性能和力學(xué)性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料及儀器

PA 6:上海聯(lián)樂化工有限公司;UHMW PE:上海聯(lián)樂化工有限公司;單螺桿擠出機:南京誠盟化工機械有限公司;W J-A烘箱:南京沃環(huán)科技實業(yè)有限公司;HTF80B注塑機:中國海天機械有限公司;CSS—44100電子萬能試驗機:長春試驗機研究所;XHR—150塑料洛氏硬度計:上海聯(lián)爾試驗設(shè)備有限公司;M—2000型磨損試驗機:宣化材料試驗機廠;SM Z1000體視光學(xué)顯微鏡:日本尼康有限公司。

1.2 樣品制備

首先,將不同組份的超高分子量聚乙烯與尼龍6混合,保證總質(zhì)量為1500克,利用電子秤取質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、20%、30%、40%的超高分子量聚乙烯與相應(yīng)質(zhì)量的尼龍混合,分別裝在不同的袋子里,寫上標(biāo)簽,備混合擠出。在單螺桿擠出機中熔融共混擠出時,擠出機各段溫度[4-5]分別控制在:160℃、195℃、205℃、220℃、225℃、230℃。螺桿轉(zhuǎn)速為200 r/m in。經(jīng)水冷、牽引、切料,即得到共混物粒料,然后粒料在80℃真空烘箱中烘12小時以備注塑成型用。

將制得的共混物粒料在注塑機上注塑,注射壓力一般控制在120M Pa以上,各段溫度分別控制在:180℃、200℃、215℃、230℃、235℃、240℃,得到拉伸、硬度試驗試樣[6-7]。最后通過數(shù)控銑床加工得到磨損實驗試樣。

1.3 性能測試

(1)硬度試驗

環(huán)境溫度25℃,利用XHR-150塑料洛氏硬度計,標(biāo)尺為HRL,球壓頭直徑為6.35mm,初試驗力為98.07N(10Kg),總實驗力為588.4N(60Kg),測試的塑料洛氏硬度總實驗力保持時間為15s,試樣尺寸為170mm×30mm×8mm,每個試樣取5個點測試,取平均值,得出硬度值。

(2)拉伸試驗

環(huán)境溫度25℃,利用CSS—44100電子萬能試驗機,按GB/T 1040-92進(jìn)行試驗,拉伸速度為2mm/m in,測出試樣的抗拉強度,計算斷裂伸長率。

(3)磨粒磨損試驗

環(huán)境溫度25℃,M—2000型磨損試驗機,試樣尺寸為30mm×8mm×7mm,試樣所承受垂直載荷分別為50N和150N,磨輪直徑30mm,轉(zhuǎn)速為210 r/m in,試驗形式為滾動摩擦,磨損時間為30分鐘,記錄摩擦系數(shù),利用FA 1004電子秤測出試樣摩擦前后的磨損量。

(4)磨損表面分析

環(huán)境溫度25℃,SM Z1000體視光學(xué)顯微鏡,放大倍數(shù)為0.8×1.6×16,獲得摩擦試樣在50 N和150 N載荷下磨損表面形貌的顯微鏡照片。

2 結(jié)果與討論

2.1 UHMW PE含量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

2.1.1 UHMW PE含量對復(fù)合材料硬度的影響

由圖1可以看到,隨著UHMW PE含量的增加,復(fù)合材料的硬度呈下降趨勢,但下降幅度很小,從純尼龍到5%UHMW PE的復(fù)合材料,硬度下降最多,之后下降趨于平緩。說明在尼龍中加入少量超高分子量聚乙烯,會使硬度有一定程度的下降,隨著UHMW PE含量的繼續(xù)增加,硬度變化不大。

圖1 UHMW PE含量對PA 6復(fù)合材料硬度的影響Fig.1 EffectofUHMW PE contenton hardnessof PA 6 composites

2.1.2 UHMW PE含量對復(fù)合材料拉伸性能的影響

圖2示出了UHMW PE/PA 6的拉伸性能與UHMW PE含量的關(guān)系。從圖2中可以看出,UHMW PE的加入會明顯降低PA 6的抗拉強度和伸長率,純尼龍的抗拉強度為43.77M Pa,隨著UHMW PE含量的增加,復(fù)合材料的抗拉強度明顯呈下降趨勢,最后下降到13.5M Pa,下降了69%。從純尼龍到20%UHMW PE復(fù)合材料抗拉強度下降最多,從20%UHMW PE到40%UHMW PE復(fù)合材料抗拉強度下降較平緩。在伸長率方面,從純尼龍到5% UHMW PE急劇下降,從5%UHMW PE到40%UHMW PE,伸長率基本呈線性下降趨勢,下降較平緩。究其原因,在UHMW PE/PA 6復(fù)合材料中, PA 6是承載體,起著承載外來應(yīng)力的作用,還起粘結(jié)纖維、傳遞應(yīng)力的作用,基體與UHMW PE的粘結(jié)程度越好,應(yīng)力就能均勻地傳遞到UHMW PE上,材料的拉伸強度也就增高[8-9]?，F(xiàn)在復(fù)合材料的拉伸性能下降,說明UHMW PE與PA 6之間粘結(jié)狀態(tài)不佳,應(yīng)力不能得到有效地傳遞,易形成應(yīng)力集中,而導(dǎo)致材料的抗拉強度下降。

綜上所述,從純尼龍到5%UHMW PE的復(fù)合材料,抗拉強度和伸長率下降最明顯,說明在尼龍中加入少量UHMW PE會使尼龍的拉伸性能下降很多,說明脆性、韌性也下降了,但是隨著UHMW PE含量的增加,其下降幅度逐漸減小。

2.1.3 UHMW PE含量對復(fù)合材料摩擦性能的影響

由圖3可見,在干摩擦條件下,隨UHMW PE顆粒含量的增加,復(fù)合材料的摩擦系數(shù)先逐漸減小,在50N和150N的載荷下,當(dāng)UHMW PE顆粒含量分別達(dá)10%和5%時,摩擦系數(shù)各自達(dá)到最小,隨UHMW PE顆粒含量的繼續(xù)增加,摩擦系數(shù)又逐漸上升,當(dāng)顆粒含量達(dá)40%時,摩擦系數(shù)達(dá)到最高。

圖2 UHMW PE含量對PA 6復(fù)合材料拉伸性能的影響Fig.2 EffectofUHMWPE contenton tensile p ropertiesof PA 6 composites

圖3 UHMW PE含量對PA 6復(fù)合材料磨損系數(shù)的影響Fig.3 Effec tof UHMW PE con tenton wear coefficientof PA 6 composites

在不同的載荷下,復(fù)合材料的摩擦系數(shù)的最低點位置不同。即對基體PA 6而言,UHMW PE分別存在一最佳填充量使復(fù)合材料的耐磨性達(dá)到最佳。

圖4 UHMW PE對PA 6復(fù)合材料磨損量的影響Fig.4 Effectof UHMW PE con ten ton ab rasion lossof PA 6 composites

由圖4中的UHMW PE對PA 6復(fù)合材料磨損量關(guān)系曲線可以得到以下幾點結(jié)論:

(1)兩曲線變化趨勢相似。在干摩擦條件下,從純尼龍到復(fù)合材料,隨UHMW PE顆粒含量的增加,復(fù)合材料的磨損量先逐漸減小,在50N和150N的載荷下,當(dāng)顆粒含量分別達(dá)10%和5%時,磨損量達(dá)到最小,隨UHMW PE顆粒含量的繼續(xù)增加,磨損量又逐漸上升,當(dāng)顆粒含量達(dá)40%時,磨損量達(dá)到最高。

(2)載荷不同,最佳耐磨點不同。當(dāng)載荷為50N時,復(fù)合材料的磨損量在10%UHMW PE處達(dá)到最低,即這種配比的復(fù)合材料最耐磨;當(dāng)載荷為150N時,復(fù)合材料的磨損量在5%UHMW PE處達(dá)到最低,即這種配比的復(fù)合材料最耐磨。

(3)載荷越大,磨損量越大。從圖4中可以明顯看出,載荷為150N時的磨損量大于50N時的,說明該復(fù)合材料的磨損量隨載荷的增加而上升。

(4)UHMW PE含量在一定范圍內(nèi)時,其耐磨性才優(yōu)于純尼龍。當(dāng)載荷為50N時,純尼龍的磨損量高于5%～20%UHMW PE復(fù)合材料的磨損量,低于20%～40%UHMW PE復(fù)合材料的磨損量;當(dāng)載荷為150N時,純尼龍的磨損量高于5%～10% UHMW PE復(fù)合材料的磨損量,低于10%～40% UHMW PE復(fù)合材料的磨損量。

這說明并非只要是復(fù)合材料,其耐磨性就優(yōu)于純尼龍。只有當(dāng)UHMW PE含量在一定范圍內(nèi)時,其耐磨性才優(yōu)于純尼龍[10-12]。對基體PA 6而言, UHMW PE存在一最佳填充量,低于此填充量,不能有效地對基體PA 6大分子產(chǎn)生物理交聯(lián)。超過最佳填充量,一方面UHMW PE粒子容易團(tuán)聚,團(tuán)聚體在基體中成為應(yīng)力集中點,因而在滑動摩擦過程中容易脫落;另一方面,團(tuán)聚的粒子與基體結(jié)合力較低,兩方面作用的結(jié)果造成復(fù)合材料磨損量增大[13]。只有在填充量適當(dāng)時UHMW PE才能有效地在基體中分散,鉚接基體PA 6大分子鏈,在滑動過程中阻礙基體向摩擦副轉(zhuǎn)移,從而最大程度地降低復(fù)合材料的磨損量。

2.1.4 磨損表面光學(xué)顯微鏡照片分析

(1)當(dāng)載荷為50N時:

由上面的體視顯微鏡照片可以看出,圖中明暗相間,這是由于磨損表面形成了與滑動方向平行的溝槽,明與暗分別表示磨損表面溝槽的凸出和凹下,當(dāng)UHMW PE含量為5%和10%時,磨痕較淺較少,顏色均勻,其中以10%的最平整,說明載荷為50N時,10%UHMW PE復(fù)合材料最耐磨, 5%的次之。從20%到40%UHMW PE,溝槽越來越明顯,并且溝槽周圍有大量的撕裂紋存在,說明耐磨性能越來越差。

(2)當(dāng)載荷為150N時:

由上圖可知,當(dāng)UHMW PE含量為5%和10%時,磨痕較淺較少,表面光滑平整,顏色均勻,僅存在輕微的劃痕。其中以5%的最平整,說明載荷為150N時,5%UHMW PE復(fù)合材料最耐磨,10%的次之。從20%到40%UHMW PE,磨痕越來越明顯,耐磨性能越來越差。

3 結(jié)論

(1)通過在PA 6中加入不同含量的UHMW PE,摩擦性能在一定范圍內(nèi)有所提高,但是同時抗拉強度、硬度、伸長率方面存在不同程度的下降。硬度下降幅度不是很大,抗拉強度和伸長率下降程度較明顯。

(2)當(dāng)載荷為50N時,10%UHMW PE的復(fù)合材料最耐磨;當(dāng)載荷為150N時,5%UHMW PE的復(fù)合材料最耐磨。

(3)填充UHMW PE的PA 6復(fù)合材料的磨損量隨載荷的增加而上升。

(4)當(dāng)UHMW PE的含量在5%到10%之間時,復(fù)合材料比純尼龍耐磨,隨著UHMW PE含量的繼續(xù)增加,復(fù)合材料反而不如純尼龍耐磨。這說明添加一定比例范圍內(nèi)的UHMW PE能有效地提高PA 6的耐磨性。并且對基體PA 6而言,UHMW PE存在一最佳填充量,只有在填充量適當(dāng)時UHMW PE才能有效地在基體中分散,從而最大程度地降低復(fù)合材料的磨損量。

在本實驗條件下,添加少量的UHMW PE雖然使復(fù)合材料的一些力學(xué)性能如硬度、抗拉強度、伸長率等有不同程度的下降,但是同時可以改善PA 6的摩擦磨損性能,使之可以在摩擦學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因此,只要通過控制UHMW PE量的加入,就可以制得摩擦性能優(yōu)良的UHMW PE/PA 6復(fù)合材料,以滿足不同的產(chǎn)品需求。

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Study on M echan ica l Proper ties of Ny lon6/UHMW PE Com posites

WU He-he,HE Chun-xia
(Schoolof Engineering,Nanjing Agriculture University,Nan jing 210031,Jiangsu,China)

Nylon6/UHMW PE com positesw ere p repared by extrusion-in jectionmodelingm ethod.The tribo logicalperform ances andm echanicalp ropertiesof this compositem aterialswere studied.The rub testused two different loadings,50N and 150N.The analysed wear surfacewere studiedm aking use of op ticalm icroscope.The results showed that,tribo logical perform ances had been imp roved to som e degreescomparingw ith ny lon6,5%and 10%UHMW PE are better than o thers.A ccord ing to final friction coefficient,abrasion loss and wo rn-out su rface feature,the 10%UHMW PE composites are the bestwear resistantwhen the loading is 50N;the 5%UHMW PE composites are the bestw ear resistantw hen the loading is 150N.Butw ith the increase of UHMW PE,the hardness,tensile strength and elongation rate of the composites are decreased.

nylon6;m echanicalp roperties;tribologicalperform ance

TQ 325.1+2

2010-03-29