带式输送机托辊用铸型尼龙复合材料力学性能研究

李 晖

（晋能控股装备制造集团寺河煤矿二号井，山西 晋城 048000）

本文采用浇铸方法制备了铸型尼龙复合材料，并对铸型尼龙复合材料的拉伸强度、压缩强度进行了测试[1-2]。

1 实验材料的合成制备

1.1 实验原材料

单体：己内酰胺；

催化剂：氢氧化钠；

活化剂：甲苯二异氰酸酯（MDI）；

填料：胶体石墨；

碳纤维：直径7 μm，长度0.5～2 mm、1～2 mm两种；

微胶囊化红磷：1000 目。

1.2 铸型尼龙复合材料的合成方法

铸型尼龙复合材料采用自制阴离子催化聚合成型装置，制备阻燃抗静电铸型尼龙复合材料。制备工艺为手工浇注，工艺过程如下：

（1）模具预热。

（2）混料。按表1 配方混合单体己内酰胺、石墨，磨碎碳纤维，微胶囊化红磷，加入反应釜内抽真空加热。抽真空沸腾不低于15 min 后，加NaOH 抽真空沸腾不低于10 min。活性料在抽真空过程中，保持料温（140±5）℃。活性料制备好后，解除真空加MDI，快速摇匀后倒入模具内进行浇铸，加与模具一同预热的模盖。

表1 铸型尼龙复合材料制备配方

（3）随炉冷却后备用，加工成所需试样。

2 力学性能测定

2.1 拉伸性能

铸型尼龙复合材料的拉伸强度试验在WDW-20型电子万能试验机上完成。试验参照《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》（GB/T 1447-2005）进行，试样型式为Ⅰ型，连续加载，加载速度5 mm/min。试验过程中记录拉伸应力的变化并绘制拉伸曲线，试验后以试验的最大拉力值计算出拉伸强度和断裂伸长率并分析拉伸曲线的变化规律。

图1 为纯铸型尼龙材料的拉伸应力曲线。可以看出，拉伸应力曲线是较标准的塑性材料拉伸应力曲线，有一定的屈服过程，但屈服强度值和抗拉强度值差距不大。过了屈服阶段，拉应力值变化不大。

图1 纯铸型尼龙材料拉伸应力曲线

图2 为由不同添加量、不同长度的磨碎碳纤维合成的铸型尼龙复合材料的拉伸应力曲线。由图可知，曲线的变化趋势是拉应力随着应变的增大而增大，增大的速率逐渐减慢直至断裂，并且曲线的整体变化过程未出现明显的屈服现象，与纯铸型尼龙材料有明显不同。

图2 铸型尼龙复合材料拉伸应力曲线

图3 为铸型尼龙复合材料的拉伸强度随着添加的磨碎碳纤维含量不同而变化的曲线。图中的2 条曲线，位于上方的是添加长度为0.5～2 mm 磨碎碳纤维的铸型尼龙复合材料的拉伸强度曲线，下方的是添加长度为1～2 mm 磨碎碳纤维的铸型尼龙复合材料的拉伸强度曲线。可以看出，添加0.5～2 mm磨碎碳纤维的铸型尼龙复合材料的拉伸强度高于添加1～2 mm 磨碎碳纤维的铸型尼龙复合材料。上方的曲线先上升后略有下降；下方曲线略有上升，且相比于下方曲线，上方曲线上升的抗拉强度值幅度较大。由于0.5～2 mm 磨碎碳纤维在熔融态的基体内无方向性分散，长度较短，分散性更好，充分分散使得磨碎碳纤维与基体结合紧密，粘着力强，抗拉强度增强。相比之下，1～2 mm 的短切碳纤维在基体内长度相对长，相同质量下数量较少，受到基体与表面的摩擦约束大等情况，使得在宏观表现上抗拉强度较添加0.5～2 mm 磨碎碳纤维的材料抗拉强度低。随着碳纤维含量的增加，基体与碳纤维接触增多，界面间结合力增加，抗拉强度增加。碳纤维增加超过一定量，过多的碳纤维在基体内分散困难，基体内的空气等不易排出，粘着力下降，增强效果减弱，甚至会起到反作用。

图3 拉伸强度随碳纤维添加量变化曲线

图4 为铸型尼龙复合材料断口形貌，可以看出磨碎碳纤维在聚酰胺基体内的形态和分散情况。从整体来看，磨碎碳纤维在基体内呈无规则散乱分布，试样断裂，有的磨碎碳纤维从基体内被全部或部分抽拔出来，在基体上留下空洞；有的是磨碎碳纤维的自身断裂。从（a）到（c），随着磨碎碳纤维的添加量增大，在基体内分布的磨碎碳纤维量增大，磨碎碳纤维自身承受外力的优势表现越发明显。在试样破坏过程中，磨碎碳纤维与基体共同抵抗外载荷，直到断裂或被抽拔出来失效。随着碳纤维的含量增加，磨碎碳纤维的分散难度也在增加。适当增加含量2%～3%，磨碎碳纤维在基体内分散更充分均匀，与基体间接触充分，相互作用力增加，抵御外载荷能力增强；继续增加碳纤维含量3%～4%，可以看到磨碎碳纤维在基体内分散密集，甚至相互间缠绕、重叠。这样的情况下过分的缠绕重叠会造成磨碎碳纤维与基体间结合力减弱，抗外载荷能力降低，更容易破坏。

图4 铸型尼龙复合材料断口形貌

2.2 压缩强度

铸型尼龙复合材料的压缩强度试验也是在WDW-20 型电子万能试验机上完成的。试验参照国标《纤维增强塑料压缩性能试验方法》（GB/T 1448-2005）进行，试样型式为Ⅰ型，连续加载，加载速度为2 mm/min。试验过程中记录压力的变化并绘制压缩曲线，试验后以试验的最大破坏载荷值计算压缩强度并分析压缩曲线的变化规律。

表2 为填充不同含量磨碎碳纤维的铸型尼龙复合材料压缩屈服强度。可以看出整体趋势是屈服强度随着碳纤维的填充量增大而增大，0.5～2 mm 的磨碎碳纤维比1～2 mm 的短切碳纤维增大速率快。添加的碳纤维本身均具有承受载荷的能力，在合成聚合物过程中与基体很好地融合在一体，增强内在的作用力，宏观上表现为屈服强度的提高。由于0.5～2 mm 的磨碎碳纤维比1～2 mm 的短切碳纤维长度短，在熔融状态下更易分散，流动性更好，能够更好地与基体融合，有更强的分子间作用力，所以整体上添加0.5 mm 的磨碎碳纤维试样的压缩屈服强度比1～2 mm 短切碳纤维的压缩屈服强度高。

表2 铸型尼龙材料的压缩屈服强度表

3 结论

随着碳纤维填充量的增加，铸型尼龙复合材料拉伸强度先提高再降低。当碳纤维填充量超过一定量后，纤维之间的连接和缠绕可在一定程度上提高复合材料的拉伸和冲击强度。将改性后的铸型尼龙复合材料用于带式输送机托辊，力学性能满足要求。