付揚威，龍春光，董佩冉

(長沙理工大學汽車與機械工程學院，長沙 410004)

0 前言

高分子復合材料在各工業(yè)領域的使用呈指數(shù)級增長，在汽車領域的應用較為活躍。通過使用高分子復合材料構件替換部分金屬構件能夠有效實現(xiàn)汽車輕量化，減少燃料消耗以及減輕對環(huán)境破壞的目的[1]。POM是一種主鏈只以—CH2—O—作為重復鏈節(jié)的線形熱塑性聚合物，其分子結構排列規(guī)整，結晶度較高，能達到60 %～80 %[2]。POM具有優(yōu)異的力學性能、耐蠕變性、摩擦學性能和耐化學藥品腐蝕性，并且具有突出的耐磨性及自潤滑性，其單位質(zhì)量的強度高于大多數(shù)金屬，有“賽鋼”、“超鋼”之稱，是五大工程塑料之一[3]。

Sep是一種富鎂含水的硅酸鹽粘土礦物，其化學式 Mg8Si12O30(OH)4(H2O)4·8H2O[4]，通常呈白、淺灰或淺黃等顏色，不透明沒有光澤。世界上探明的Sep儲量約50 000 kt，主要生產(chǎn)國有西班牙、中國、美國、土耳其、澳大利亞、俄羅斯、朝鮮、法國等[5]。Sep結構特殊，使其具有很好的吸附性、流變性、催化性。根據(jù)資料顯示，Sep已擁有100多種商業(yè)用途，是世界上應用最為廣泛的天然黏土礦物之一，被稱為“軟黃金”。作為改性填料，Sep增強聚合物制備復合材料；已有大量文獻報道[6-16]，如Zheng 等[16]21-27采用熔融法將甲基三甲基硅烷改性Sep添加到聚碳酸亞丙酯(PPC)中，制備PPC/O-Sep納米復合材料。通過SEM、XRD、熱重分析以及力學性能分析得出，O-Sep在PPC中均勻分散并且其明顯增強了力學性能和熱穩(wěn)定性。

本研究以POM為基體樹脂，選取Sep纖維為填料，制備性能優(yōu)良的復合材料；通過對Sep纖維的表面改性，研究Sep纖維的表面改性前后填料含量對復合材料力學性能、摩擦學性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

POM，M90，云南云天化股份有限公司；

Sep，325目，河南瑞達礦業(yè)有限公司；

硅烷偶聯(lián)劑，KH550，揚州天揚助劑有限公司；

無水乙醇，分析純，天津市富宇精細化工有限公司。

1.2 主要設備及儀器

轉矩流變儀，RM-200A，哈爾濱哈普電氣技術有限責任公司；

塑料注射成型機，LS-80，中國柳州高新區(qū)開元塑膠機械有限公司；

球磨機，QM-3C，南京南大實驗儀器有限公司；

電子萬能試驗機，WDW-100，上海華龍測試儀器有限公司；

數(shù)顯沖擊試驗機，CBD-7.5，承德精密試驗機有限公司；

摩擦磨損試驗機，MMW-1，濟南思達測試技術有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)，JSM-5600LV，日本JEOL公司。

1.3 樣品制備

Sep纖維改性：均勻混合20.0 % KH550、72.0 %無水乙醇，8.0 %蒸餾水，靜置0.5 h，得到KH550水解溶液；將Sep纖維浸泡于質(zhì)量比為9∶1的醇水溶液中，添加KH550水解溶液(KH550質(zhì)量為欲處理海泡石纖維質(zhì)量的1.5 %)，超聲波分散0.5 h，取出置于烘箱80 ℃干燥9 h后，球磨機研磨，得到O-Sep；

POM復合材料的制備：分別將Sep和O-Sep以2.5 %、5.0 %、7.5 %、10.0 %的質(zhì)量分數(shù)與POM混合均勻，在180 ℃下用轉矩流變儀熔融擠出。將擠出的母料在185 ℃，60 MPa下由塑料注射成型機注射成型。

1.4 性能測試與結構表征

力學性能測試：拉伸性能按GB/T 1447—2005測試，拉伸速度為 2.0 mm/min；彎曲性能按GB/T 1449—2005測試，速度為2.0 mm/min；簡支梁沖擊性能按GB/T 1451—2005測試，沖擊能量為4.0 J，沖擊速度為2.9 m/s，缺口深度為2.0 mm；

摩擦學性能：使用摩擦磨損試驗機對復合材料的摩擦學性能試驗，試驗參數(shù)為：干摩擦條件下，實驗時間為7200 s，載荷為200 N，轉速為200 r/min；

SEM分析：對POM、復合材料缺口沖擊斷面和摩擦磨損試驗樣品磨痕表面進行噴金處理后，進行形貌觀察，加速電壓為20 kV。

2 結果與討論

2.1 Sep纖維含量對復合材料力學性能的影響

圖1為Sep、O-Sep含量對復合材料拉伸性能的影響。由圖1可知，復合材料的拉伸強度先隨Sep、O-Sep纖維含量增加而增大；當達到5.0 %時，拉伸強度開始減小。但是，相同纖維含量下，POM/O-Sep復合材料比POM/Sep復合材料的拉伸強度要大；O-Sep纖維含量達到5.0 %時，拉伸強度獲得最大值68.43 MPa，比POM提高了28.6 %。

□—POM/Sep ☆—POM/O-Sep圖1 POM/Sep及POM/O-Sep復合材料拉伸強度Fig.1 Tensile strength of the POM/Sep composite and POM/O-Sep composite

□—POM/Sep ☆—POM/O-Sep(a)彎曲強度 (b)彎曲模量圖2 POM/Sep及POM/O-Sep復合材料的彎曲性能Fig.2 Flexural property of the POM/Sep composite and POM/O-Sep composite

圖2為Sep、O-Sep含量對復合材料彎曲性能的影響。由圖2可知，Sep的加入對復合材料的彎曲性能影響較明顯，不管是彎曲強度還是彎曲模量均有較大幅度的提高。當O-Sep纖維含量達到5.0 %時，彎曲強度達到最大值89.81 MPa，比POM提高了51.9 %；彎曲模量也達到最大值3600.61 MPa，比POM提高了79.1 %。

圖3為Sep、O-Sep含量對復合材料沖擊性能的影響。由圖3可知，復合材料的缺口沖擊強度隨Sep纖維含量的增加先增加后降低，當O-Sep纖維含量達到5.0 %時，達到最大值為285.5 kJ/m2，比純POM提高了8.8 %。

□—POM/Sep ☆—POM/O-Sep圖3 POM/Sep及POM/O-Sep復合材料的沖擊強度Fig.3 Impact content of the POM/Sep composite and POM/O-Sep composite

圖4為純POM及POM/5.0 %O-Sep復合材料缺口沖擊斷面SEM照片。由圖4可知，純POM缺口沖擊斷面呈較光滑的層片狀，而POM/5.0 %O-Sep復合材料缺口沖擊斷面褶皺數(shù)明顯增加，且復合材料中Sep與POM兩者之間無明顯相界面，經(jīng)KH550改性后的Sep纖維表面粗糙，有大量樹脂包裹在纖維表面。

(a)純POM (b)POM/5 %O-Sep圖4 POM及其復合材料缺口沖擊斷面微觀形貌(×1 000)Fig.4 Impact fracture micro morphology of POM and its composite(×1 000)

當纖維含量適中時，基體樹脂能夠較好地包覆Sep纖維，復合材料中纖維和POM基體間界面黏結相對較好，且Sep纖維之間的互相干擾很小，纖維長度能夠有效地保留且其取向較為均勻，此時Sep纖維作為增強體能夠有效地提升復合材料的力學性能。Sep纖維表面含有大量的醇羥基[19]，具有強極性。較之Sep纖維，POM的表面極性相對較小，兩者之間界面極性相差較大，界面相容性相對較差。因此，POM/Sep復合材料的力學性能均低于POM/O-Sep復合材料。KH550通過水解后，與Sep纖維表面的醇羥基發(fā)生接枝反應，從而有效降低Sep與基體POM間的界面能，增強兩相間的界面黏合力，當復合材料受到外應力時，一部分Sep與POM界面脫粘，有效地吸收能量而提升復合材料性能。

2.2 Sep纖維含量對復合材料摩擦學性能的影響

圖5為Sep、O-Sep含量對復合材料摩擦因數(shù)、磨損量的影響。由圖5(a)可知，POM/Sep復合材料的摩擦因數(shù)隨著Sep纖維的增加先降低，隨后當Sep纖維含量大于2.5 %時，摩擦因數(shù)在小范圍內(nèi)波動，磨損量隨著Sep纖維含量的增加先增加后降低。分析原因，由于Sep纖維表面存在不飽和的殘鍵以及不同鍵合的羥基，具有一定的活性[20]；當加入至POM中制成復合材料后，界面黏結強度較高，因而復合材料摩擦因數(shù)隨著Sep纖維的增加先降低；當纖維含量繼續(xù)增加時，Sep纖維之間的互相干擾增大，所以復合材料的摩擦因數(shù)在一定范圍內(nèi)波動。而磨損量因為不同Sep纖維含量下的復合材料摩擦機理不同，從而導致磨損量變化存在不同的變化趨勢。由圖5(b)可知，POM/O-Sep復合材料的摩擦因數(shù)隨著O-Sep纖維的增加先降低后升高，而磨損量隨著O-Sep纖維的增加先降低后升高再降低。當O-Sep纖維含量達到5.0 %時，摩擦因數(shù)達到最小值0.072，比POM提高65.9 %；磨損量也達到最小值3.6 mg，比POM降低35.7 %。分析原因，Sep纖維經(jīng)KH550處理之后，有效降低Sep與基體POM間的界面能，增強兩相間的界面黏合力，從而使得復合材料耐摩性明顯提高，但隨著O-Sep纖維含量增加，O-Sep纖維之間的互相干擾同樣也會增大，使得復合材料摩擦因數(shù)和磨損量增大。

□—摩擦因數(shù) ★—磨損量(a)POM/Sep (b)POM/O-Sep圖5 POM/Sep及POM/O-Sep復合材料摩擦學性能Fig.5 Friction property of the POM/Sep and POM/O-Sep composites

圖6為純POM、POM/5.0 %Sep復合材料、POM/5.0 %O-Sep復合材料磨痕表面SEM照片。由圖6(a)可知，純POM磨痕表面較為光滑且僅僅表現(xiàn)出細微的劃痕，且磨痕表面有少數(shù)帶狀碎屑。因此，純POM表面磨損的主要磨損機理為塑性變形及粘著磨損[20]。由圖6(b)可知，5.0 %POM/Sep復合材料磨痕表面存在大量的剝離和分層剝落，這是因為在摩擦過程中，摩擦產(chǎn)生的熱量會使得基體軟化，在載荷力的作用下，銷釘與基體發(fā)生粘結；同時在剪切力作用下，則會出現(xiàn)基體剝離和分層剝落。因此， POM/5.0 %Sep復合材料表面磨損的主要磨損機理為粘著磨損。由圖6(c)可知， POM/5.0 %O-Sep復合材料磨痕表面光滑，僅在磨損軌道上有少量輕微犁痕和剝離。因此， POM/5.0 %O-Sep復合材料表面磨損的主要磨損機理為磨粒磨損和粘著磨損。當Sep纖維經(jīng)KH550處理后，纖維在聚合物基體中分散較均勻，而O-Sep纖維在切應力和壓應力作用下，在復合材料表面產(chǎn)生富集，起到了良好的潤滑作用，減低了剪切力。

(a)純POM (b)POM/5.0 %Sep (c)POM/5.0 %O-Sep圖6 POM及其復合材料摩擦磨損表面SEM照片(×500)Fig.6 SEM images of wear surface of POM and its composites(×500)

3 結論

(1)復合材料的力學性能隨著Sep含量的增加而改善,當O-Sep含量為5.0 %時，POM/O-Sep復合材料的拉伸強度、彎曲強度、彎曲模量和沖擊性能分別提高了28.6 %、51.9 %、79.1 %、8.8 %和65.9 %；

(2)O-Sep的加入降低了復合材料的摩擦因數(shù)和磨損量，當O-Sep纖維含量為5.0 %，復合材料摩擦學性能最好；

(3)POM/5.0 %O-Sep復合材料表面磨損的主要磨損機理為磨粒磨損和粘著磨損。