超高分子量聚乙烯改性尼龙6复合材料的力学性能研究

吴贺贺,何春霞(南京农业大学工学院,江苏南京,210031)

超高分子量聚乙烯改性尼龙6复合材料的力学性能研究

吴贺贺,何春霞
(南京农业大学工学院,江苏南京,210031)

通过挤出方法制备了尼龙6(PA 6)/超高分子量聚乙烯(UHMW PE)复合材料,考察了复合材料摩擦学性能和力学性能。用光学显微镜观察分析了复合材料磨损表面形貌。结果表明:复合材料摩擦性能较纯尼龙有一定的提高,当UHMW PE含量为5%和10%时,复合材料耐磨减摩性较好。但随着UHMW PE含量的增加,复合材料的硬度、拉伸强度、伸长率有所下降。

PA 6;超高分子量聚乙烯;力学性能;摩擦学性能

尼龙6(Nylon6)学名聚酰胺(PA 6),是工程塑料中开发最早的品种,是目前聚酰胺塑料中产量最大的品种之一。PA 6具有力学强度高、电气性能良好、耐磨、抗震吸音、耐油、耐弱酸、耐弱碱、耐弱极性有机溶剂、加工流动性好等优点,广泛应用于汽车工业、电子、机械等领域。预计到2011年,PA 6树脂和薄膜消费量将由2006年的23.2万t增加到26.7万t,年均增长率将达到约2.9%。西欧地区己内酰胺消费量为67.0万t,其中,PA 6纤维对己内酰胺的需求量为22.6万t/年,约占总消费量的33.73%;PA 6树脂和薄膜的需求量为40.6万t/年,约占总消费量的60.60%;预计到2011年,己内酰胺的总需求量将达到约73.5万t。其中,PA 6树脂和薄膜的消费量增加到45.6万t/年,年均增长率将达到约2.4%。日本也作为一个己内酰胺的需求大国,年均需求约以1.7%的速度增长,到2011年,总需求量将达到约27.1万t,其中,PA 6树脂的消费量将由2006年的17.0万t增加到2011年的19.4万t,年均增长率将达到约2.8%。我国也作为一个己内酰胺的消费大国,目前主要还是依赖进口,2008年己内酰胺的需求量约为86万t,其中,进口量为45.01万t,较上一年有所减少。主要用于生产PA 6纤维(锦纶6)和PA 6工程塑料。随着我国经济的持续高速发展,大量引进汽车、家电、通讯等生产线投入生产,通讯、汽车等行业发展速度将远高于GDP增长率。预计到2010年,我国PA 6工程塑料的需求量将达到19万t。2010年到2020年期间,我国PA 6工程塑料的需求量将以年均9%的速度增长,到2020年, PA 6工程塑料的国内需求量将达到45万t左右。尼龙的酞基和水分子之间容易形成氢键,具有较强的吸水性,导致产品尺寸稳定性差、耐强酸强碱性差、干态和低温冲击强度低等缺陷,限制了其应用。因此,国内外研究者对PA 6进行了大量的研究和开发,研制出许多性能优异、满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、增强、分子复合等,共混改性是近十多年来发展最为迅速的改性方法之一,并以其投资小、见效快、生产周期短等特点得到广泛应用。

近年来,尼龙复合材料[1-2]作为一种高效能改性材料的研究迅速兴起。添加超高分子量聚乙烯对材料的摩擦性能有很大的提高,在工业上具有广阔的应用前景[3]。本研究以PA 6为本体,采用挤出制备PA 6/超高分子量聚乙烯(UHMW PE)复合材料,并考察了材料的摩擦性能和力学性能。

1 实验部分

1.1 主要原料及仪器

PA 6:上海联乐化工有限公司;UHMW PE:上海联乐化工有限公司;单螺杆挤出机:南京诚盟化工机械有限公司;W J-A烘箱:南京沃环科技实业有限公司;HTF80B注塑机:中国海天机械有限公司;CSS—44100电子万能试验机:长春试验机研究所;XHR—150塑料洛氏硬度计:上海联尔试验设备有限公司;M—2000型磨损试验机:宣化材料试验机厂;SM Z1000体视光学显微镜:日本尼康有限公司。

1.2 样品制备

首先,将不同组份的超高分子量聚乙烯与尼龙6混合,保证总质量为1500克,利用电子秤取质量分数分别为5%、10%、20%、30%、40%的超高分子量聚乙烯与相应质量的尼龙混合,分别装在不同的袋子里,写上标签,备混合挤出。在单螺杆挤出机中熔融共混挤出时,挤出机各段温度[4-5]分别控制在:160℃、195℃、205℃、220℃、225℃、230℃。螺杆转速为200 r/m in。经水冷、牵引、切料,即得到共混物粒料,然后粒料在80℃真空烘箱中烘12小时以备注塑成型用。

将制得的共混物粒料在注塑机上注塑,注射压力一般控制在120M Pa以上,各段温度分别控制在:180℃、200℃、215℃、230℃、235℃、240℃,得到拉伸、硬度试验试样[6-7]。最后通过数控铣床加工得到磨损实验试样。

1.3 性能测试

(1)硬度试验

环境温度25℃,利用XHR-150塑料洛氏硬度计,标尺为HRL,球压头直径为6.35mm,初试验力为98.07N(10Kg),总实验力为588.4N(60Kg),测试的塑料洛氏硬度总实验力保持时间为15s,试样尺寸为170mm×30mm×8mm,每个试样取5个点测试,取平均值,得出硬度值。

(2)拉伸试验

环境温度25℃,利用CSS—44100电子万能试验机,按GB/T 1040-92进行试验,拉伸速度为2mm/m in,测出试样的抗拉强度,计算断裂伸长率。

(3)磨粒磨损试验

环境温度25℃,M—2000型磨损试验机,试样尺寸为30mm×8mm×7mm,试样所承受垂直载荷分别为50N和150N,磨轮直径30mm,转速为210 r/m in,试验形式为滚动摩擦,磨损时间为30分钟,记录摩擦系数,利用FA 1004电子秤测出试样摩擦前后的磨损量。

(4)磨损表面分析

环境温度25℃,SM Z1000体视光学显微镜,放大倍数为0.8×1.6×16,获得摩擦试样在50 N和150 N载荷下磨损表面形貌的显微镜照片。

2 结果与讨论

2.1 UHMW PE含量对复合材料力学性能的影响

2.1.1 UHMW PE含量对复合材料硬度的影响

由图1可以看到,随着UHMW PE含量的增加,复合材料的硬度呈下降趋势,但下降幅度很小,从纯尼龙到5%UHMW PE的复合材料,硬度下降最多,之后下降趋于平缓。说明在尼龙中加入少量超高分子量聚乙烯,会使硬度有一定程度的下降,随着UHMW PE含量的继续增加,硬度变化不大。

图1 UHMW PE含量对PA 6复合材料硬度的影响Fig.1 EffectofUHMW PE contenton hardnessof PA 6 composites

2.1.2 UHMW PE含量对复合材料拉伸性能的影响

图2示出了UHMW PE/PA 6的拉伸性能与UHMW PE含量的关系。从图2中可以看出,UHMW PE的加入会明显降低PA 6的抗拉强度和伸长率,纯尼龙的抗拉强度为43.77M Pa,随着UHMW PE含量的增加,复合材料的抗拉强度明显呈下降趋势,最后下降到13.5M Pa,下降了69%。从纯尼龙到20%UHMW PE复合材料抗拉强度下降最多,从20%UHMW PE到40%UHMW PE复合材料抗拉强度下降较平缓。在伸长率方面,从纯尼龙到5% UHMW PE急剧下降,从5%UHMW PE到40%UHMW PE,伸长率基本呈线性下降趋势,下降较平缓。究其原因,在UHMW PE/PA 6复合材料中, PA 6是承载体,起着承载外来应力的作用,还起粘结纤维、传递应力的作用,基体与UHMW PE的粘结程度越好,应力就能均匀地传递到UHMW PE上,材料的拉伸强度也就增高[8-9]。现在复合材料的拉伸性能下降,说明UHMW PE与PA 6之间粘结状态不佳,应力不能得到有效地传递,易形成应力集中,而导致材料的抗拉强度下降。

综上所述,从纯尼龙到5%UHMW PE的复合材料,抗拉强度和伸长率下降最明显,说明在尼龙中加入少量UHMW PE会使尼龙的拉伸性能下降很多,说明脆性、韧性也下降了,但是随着UHMW PE含量的增加,其下降幅度逐渐减小。

2.1.3 UHMW PE含量对复合材料摩擦性能的影响

由图3可见,在干摩擦条件下,随UHMW PE颗粒含量的增加,复合材料的摩擦系数先逐渐减小,在50N和150N的载荷下,当UHMW PE颗粒含量分别达10%和5%时,摩擦系数各自达到最小,随UHMW PE颗粒含量的继续增加,摩擦系数又逐渐上升,当颗粒含量达40%时,摩擦系数达到最高。

图2 UHMW PE含量对PA 6复合材料拉伸性能的影响Fig.2 EffectofUHMWPE contenton tensile p ropertiesof PA 6 composites

图3 UHMW PE含量对PA 6复合材料磨损系数的影响Fig.3 Effec tof UHMW PE con tenton wear coefficientof PA 6 composites

在不同的载荷下,复合材料的摩擦系数的最低点位置不同。即对基体PA 6而言,UHMW PE分别存在一最佳填充量使复合材料的耐磨性达到最佳。

图4 UHMW PE对PA 6复合材料磨损量的影响Fig.4 Effectof UHMW PE con ten ton ab rasion lossof PA 6 composites

由图4中的UHMW PE对PA 6复合材料磨损量关系曲线可以得到以下几点结论:

(1)两曲线变化趋势相似。在干摩擦条件下,从纯尼龙到复合材料,随UHMW PE颗粒含量的增加,复合材料的磨损量先逐渐减小,在50N和150N的载荷下,当颗粒含量分别达10%和5%时,磨损量达到最小,随UHMW PE颗粒含量的继续增加,磨损量又逐渐上升,当颗粒含量达40%时,磨损量达到最高。

(2)载荷不同,最佳耐磨点不同。当载荷为50N时,复合材料的磨损量在10%UHMW PE处达到最低,即这种配比的复合材料最耐磨;当载荷为150N时,复合材料的磨损量在5%UHMW PE处达到最低,即这种配比的复合材料最耐磨。

(3)载荷越大,磨损量越大。从图4中可以明显看出,载荷为150N时的磨损量大于50N时的,说明该复合材料的磨损量随载荷的增加而上升。

(4)UHMW PE含量在一定范围内时,其耐磨性才优于纯尼龙。当载荷为50N时,纯尼龙的磨损量高于5%～20%UHMW PE复合材料的磨损量,低于20%～40%UHMW PE复合材料的磨损量;当载荷为150N时,纯尼龙的磨损量高于5%～10% UHMW PE复合材料的磨损量,低于10%～40% UHMW PE复合材料的磨损量。

这说明并非只要是复合材料,其耐磨性就优于纯尼龙。只有当UHMW PE含量在一定范围内时,其耐磨性才优于纯尼龙[10-12]。对基体PA 6而言, UHMW PE存在一最佳填充量,低于此填充量,不能有效地对基体PA 6大分子产生物理交联。超过最佳填充量,一方面UHMW PE粒子容易团聚,团聚体在基体中成为应力集中点,因而在滑动摩擦过程中容易脱落;另一方面,团聚的粒子与基体结合力较低,两方面作用的结果造成复合材料磨损量增大[13]。只有在填充量适当时UHMW PE才能有效地在基体中分散,铆接基体PA 6大分子链,在滑动过程中阻碍基体向摩擦副转移,从而最大程度地降低复合材料的磨损量。

2.1.4 磨损表面光学显微镜照片分析

(1)当载荷为50N时:

由上面的体视显微镜照片可以看出,图中明暗相间,这是由于磨损表面形成了与滑动方向平行的沟槽,明与暗分别表示磨损表面沟槽的凸出和凹下,当UHMW PE含量为5%和10%时,磨痕较浅较少,颜色均匀,其中以10%的最平整,说明载荷为50N时,10%UHMW PE复合材料最耐磨, 5%的次之。从20%到40%UHMW PE,沟槽越来越明显,并且沟槽周围有大量的撕裂纹存在,说明耐磨性能越来越差。

(2)当载荷为150N时:

由上图可知,当UHMW PE含量为5%和10%时,磨痕较浅较少,表面光滑平整,颜色均匀,仅存在轻微的划痕。其中以5%的最平整,说明载荷为150N时,5%UHMW PE复合材料最耐磨,10%的次之。从20%到40%UHMW PE,磨痕越来越明显,耐磨性能越来越差。

3 结论

(1)通过在PA 6中加入不同含量的UHMW PE,摩擦性能在一定范围内有所提高,但是同时抗拉强度、硬度、伸长率方面存在不同程度的下降。硬度下降幅度不是很大,抗拉强度和伸长率下降程度较明显。

(2)当载荷为50N时,10%UHMW PE的复合材料最耐磨;当载荷为150N时,5%UHMW PE的复合材料最耐磨。

(3)填充UHMW PE的PA 6复合材料的磨损量随载荷的增加而上升。

(4)当UHMW PE的含量在5%到10%之间时,复合材料比纯尼龙耐磨,随着UHMW PE含量的继续增加,复合材料反而不如纯尼龙耐磨。这说明添加一定比例范围内的UHMW PE能有效地提高PA 6的耐磨性。并且对基体PA 6而言,UHMW PE存在一最佳填充量,只有在填充量适当时UHMW PE才能有效地在基体中分散,从而最大程度地降低复合材料的磨损量。

在本实验条件下,添加少量的UHMW PE虽然使复合材料的一些力学性能如硬度、抗拉强度、伸长率等有不同程度的下降,但是同时可以改善PA 6的摩擦磨损性能,使之可以在摩擦学领域得到广泛应用。因此,只要通过控制UHMW PE量的加入,就可以制得摩擦性能优良的UHMW PE/PA 6复合材料,以满足不同的产品需求。

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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