張 靜,姚昊萍,楊和梅

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,江蘇南京210031)

硅納米材料與玻璃纖維混雜填充PA6復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究

張 靜,姚昊萍,楊和梅

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,江蘇南京210031)

采用MM-200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)在干摩擦條件下3種硅納米材料(納米SiC、SiO2及Si3N4)與玻璃纖維混雜填充聚酰胺6(PA6)復(fù)合材料與45#鋼對(duì)磨時(shí)的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究,并采用掃描電子顯微鏡對(duì)復(fù)合材料的磨損表面進(jìn)行了觀察。結(jié)果表明,3種硅納米材料都能減小復(fù)合材料的摩擦因數(shù),其中以納米SiO2與玻璃纖維混雜效果最佳,納米SiC、SiO2及Si3N4的最佳含量分別為3%、5%和3%。納米SiO2和納米Si3N4能夠提高復(fù)合材料的耐磨性,而納米SiC會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的磨損量增大。

聚酰胺6;硅納米材料;玻璃纖維;復(fù)合材料;摩擦磨損性能

0 前言

隨著高分子材料工業(yè)的迅速發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,人們對(duì)高分子材料的使用性能提出了更高的要求,采用均一聚合物生產(chǎn)的制品已難以滿足實(shí)際的應(yīng)用需要。為了滿足不同用途,賦予高分子材料新的功能,對(duì)其進(jìn)行改性是一種行之有效的方法,受到了廣大學(xué)者和工業(yè)界的普遍重視。

在眾多改性方法中,填充改性是一種簡(jiǎn)單有效的方法,既可保持填料的優(yōu)點(diǎn),又可利用復(fù)合效應(yīng)大幅度提高復(fù)合材料的性能,還能降低材料的成本[1-5]。隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展,利用納米材料來填充改性聚合物已成為研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有的研究大多集中在利用一種材料填充改性聚合物,而利用多種填料,特別是納米粒子和玻璃纖維混合填充聚合物的研究報(bào)道較少。在這方面開展研究工作,不僅可以豐富聚合物改性力學(xué)和摩擦學(xué)理論,還可以制備性能優(yōu)良的復(fù)合材料,為“以塑代鋼”提供經(jīng)驗(yàn)積累和理論指導(dǎo),是未來改性聚合物的發(fā)展方向。

在現(xiàn)有聚合物中,PA是應(yīng)用較廣泛的一類工程塑料,其產(chǎn)量約占工程塑料總產(chǎn)量的1/3。由于 PA具有優(yōu)異的綜合性能,是聚合物中“以塑代鋼”的理想產(chǎn)品。本文以PA6為基體,以玻璃纖維和硅納米材料混雜作為填充改性材料,分析并比較了填料對(duì)復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PA6,上海信錦物質(zhì)有限公司;

納米SiC,灰色粉末,平均粒徑小于50 nm,純度大于99.09%,合肥開爾納米技術(shù)發(fā)展有限公司;

納米Si3N4,淺褐色粉末,平均粒徑為 100 nm,純度大于99.1%,合肥開爾納米技術(shù)發(fā)展有限公司;

納米SiO2,白色粉末,平均粒徑為60 nm,純度為99%,南京海泰納米有限公司;

短玻璃纖維(GF),平均直徑為8～13μm,平均長(zhǎng)度為80μm,南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院。

1.2 主要設(shè)備及儀器

摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),MM-200,宣化材料試驗(yàn)機(jī)廠;

掃描電子顯微鏡,JSM-6300,日本J EOL株式會(huì)社。

1.3 試樣制備

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、3%、5%的硅納米材料與20%的玻璃纖維一起加入到 PA6中,混合均勻,采用雙螺桿擠出機(jī)造粒。粒料在110℃下干燥3 h以后進(jìn)行注射成型,試樣尺寸為30 mm×7 mm×6 mm,磨損表面在800#金相砂紙上打磨。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn),在轉(zhuǎn)速為200 r/min、時(shí)間為30 min干摩擦滑動(dòng)條件下進(jìn)行,測(cè)定試樣在不同載荷下的磨損質(zhì)量及摩擦因數(shù),對(duì)偶件為45#鋼環(huán)(內(nèi)徑為16 mm,外徑為40 mm,寬度為10 mm),其表面粗糙度為0.08～0.12μm;

磨損表面的微觀結(jié)構(gòu)采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 PA6/玻璃纖維復(fù)合材料摩擦磨損性能

從圖1和圖2可以看出,填充20%玻璃纖維的PA6復(fù)合材料的摩擦磨損性能較好,因此本文選擇對(duì)硅納米材料與20%玻璃纖維混雜填充PA6復(fù)合材料的摩擦磨損性能進(jìn)行研究。

圖1 玻璃纖維含量對(duì)PA6/GF復(fù)合材料磨損量的影響Fig.1 Effect of contents of glass fiber on the wear mass loss of PA6/GF composites

圖2 玻璃纖維含量對(duì)PA6/GF復(fù)合材料摩擦因數(shù)的影響Fig.2 Effect of contents of glass fiber on the friction coefficient of PA6/GF composites

2.2 摩擦與磨損性能分析

從圖3～5可以看出,PA6/玻璃纖維/納米 SiC復(fù)合材料的磨損量明顯增大,且隨著納米SiC含量的增加而增大;而 PA6/玻璃纖維/納米 Si3N4和 PA6/玻璃纖維/納米SiO2復(fù)合材料的磨損量明顯降低,說明納米Si3N4和納米SiO2可以不同程度地提高 PA6的耐磨性。

圖3 PA6/GF/納米SiC復(fù)合材料的磨損性能Fig.3 Wear properties of PA6/GF/nano-SiC composites

圖4 PA6/GF/納米SiO2復(fù)合材料的磨損性能Fig.4 Wear properties of PA6/GF/nano-SiO2composites

圖5 PA6/GF/納米Si3N4復(fù)合材料的磨損性能Fig.5 Wear properties of PA6/GF/nano-Si3N4composites

從圖4可以看出,在同一載荷下,PA6/玻璃纖維/納米SiO2復(fù)合材料的磨損量隨著納米SiO2含量的增加而降低;當(dāng)納米SiO2含量為1%時(shí),復(fù)合材料的磨損量高于純PA6;隨著納米SiO2含量的增加,其磨損量均低于純 PA6;當(dāng)納米SiO2含量為5%時(shí),復(fù)合材料的磨損量最低,說明納米 SiO2的最佳含量為5%。同樣,從圖5可以看出,納米Si3N4的最佳含量為3%。

從圖3～5還可以看出,3種硅納米材料填充 PA6復(fù)合材料的摩擦因數(shù)都顯著減小,其中以納米SiO2與玻璃纖維混雜效果最佳。納米 SiC、納米 SiO2和納米Si3N4的最佳含量分別為3%、5%和3%。

從圖6可以看出,當(dāng)復(fù)合材料中納米Si3N4含量為3%時(shí),納米粒子在基體中分散較為均勻,而當(dāng)納米Si3N4含量為5%時(shí),納米粒子出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。這是由于基體樹脂與納米無機(jī)粒子的分子結(jié)構(gòu)不同,二者的界面相容性較差;納米粒子表面能高,處于熱力學(xué)非穩(wěn)定狀態(tài),極易聚集成團(tuán),團(tuán)聚體在基體中成為應(yīng)力集中點(diǎn),因而在滑動(dòng)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)合材料的磨損量增大。只有納米Si3N4的含量適當(dāng)時(shí)才能有效地在基體中分散,鉚接基體PA6大分子鏈,在滑動(dòng)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[6]。

圖6 PA6/GF/納米Si3N4復(fù)合材料磨損表面的SEM照片(40000×)Fig.6 SEM micrographs for the worn surface of PA6/GF/nano-Si3N4composites

2.3 磨損機(jī)理分析

從圖7可以看出,在相同載荷和相同含量硅納米材料填充的條件下,PA6/玻璃纖維/納米SiC復(fù)合材料磨損表面的犁溝較多,PA6/玻璃纖維/納米SiO2和PA6/玻璃纖維/納米 Si3N4復(fù)合材料的磨損表面較平整,說明納米SiC對(duì)PA6的改性效果不如納米SiO2和納米Si3N4,這與上述結(jié)果相吻合。

圖7 復(fù)合材料磨損表面形貌的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM micrographs for the worn surface of the composites

從圖7還可以看出,含3%納米Si3N4的復(fù)合材料磨損表面的磨痕較淺,存在輕微的磨粒磨損跡象。含5%納米Si3N4的復(fù)合材料磨損表面的磨痕較深,說明納米Si3N4的最佳含量為3%,這也證實(shí)了前面的結(jié)果。含1%納米SiO2的復(fù)合材料磨損表面有較深的犁溝,同時(shí)還有清晰可見的裂紋存在,而且表面有裸露的玻璃纖維。這是由于納米 SiO2含量較小時(shí),納米粒子和玻璃纖維與基體結(jié)合不夠緊密,材料抵抗載荷變形的能力較弱,在磨損表面出現(xiàn)了不同程度的裂紋,甚至玻璃纖維從表面剝落,剝落下來的玻璃纖維存在于摩擦副之間,作為硬粒子刮擦復(fù)合材料表面,使磨損加劇,故磨損量較大。含3%納米SiO2的復(fù)合材料的磨損表面較平整,磨損表面有與摩擦方向一致清晰的滑痕,其磨損機(jī)制為磨粒磨損[7-8]。

3 結(jié)論

(1)3種硅納米材料與玻璃纖維混雜填充 PA6都能減小復(fù)合材料的摩擦因數(shù),其中以納米SiO2與玻璃纖維混雜效果最佳,納米 SiC、納米 SiO2和納米 Si3N4的最佳含量分別為3%、5%和3%;

(2)納米SiO2和納米Si3N4的加入能夠不同程度地提高復(fù)合材料的耐磨性;

(3)納米SiC會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的磨損量增大,且其含量越高,復(fù)合材料的磨損量越大。

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Study on Friction and Wear Properties of PA6 Composites Filled with Nano Silicon Materials and Glass Fibers

ZHANGJing,YAO Haoping,YAN G Heimei
(Engineering College,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210031,China)

The friction and wear properties of polyamide 6(PA6)composites filled with glass fiber(GF)and one of three nano-silicon-based particles were investigated using a MM-200 wear tester.The worn surfaces of the composites were examined through a scanning electric microscopy.It showed that the friction coefficients of the composites were reduced when GF and a silicon-based particle were filled in,and nano-SiO2was the best.The optimal filler contents for the composites were 5%SiO2,3%Si3N4and 3%SiC,respectively.Nano-SiO2and nano-Si3N4improved the anti-wear properties of the composites,while nano-SiC increased the wear mass loss of the composites.

polyamide 6;nano silicon material;glass fiber;composite;friction and wear property

TQ323.6

B

1001-9278(2011)07-0078-05

2011-03-18

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20060307002)

聯(lián)系人,zhangjing@njau.edu.cn