唐繼兵，田少波，王軍平（北京隆軒橡塑有限公司）

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鐵路貨車軸承工程塑料保持架回收料性能研究

唐繼兵，田少波，王軍平（北京隆軒橡塑有限公司）

利用現(xiàn)代分析設(shè)備和技術(shù)，對(duì)鐵路貨車軸承大修報(bào)廢的工程塑料保持架的回收料進(jìn)行性能分析。用顯微鏡觀察材料內(nèi)部的增強(qiáng)玻纖的長(zhǎng)度；利用紅外光譜表征回收料的結(jié)構(gòu)；應(yīng)用DSC差式掃描量熱分析和TGA熱失重分析回收料的熱性能；運(yùn)用拉伸、彎曲和沖擊實(shí)驗(yàn)研究回收料的力學(xué)性能，并將結(jié)果與原材料進(jìn)行對(duì)比，為以后用其制造新產(chǎn)品提供參考依據(jù)。

工程塑料保持架；回收料；力學(xué)性能；熱性能

目前，在我國(guó)鐵路貨車軸承領(lǐng)域，工程塑料保持架以其性能優(yōu)、成本低、重量輕和良好的自潤(rùn)滑性能等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)基本上替代了金屬材料保持架。工程塑料保持架使用的是玻纖增強(qiáng)的聚酰胺樹脂材料，是一種熱塑性塑料。鐵路貨車新造軸承使用時(shí)間或運(yùn)行里程多數(shù)為8年或80萬(wàn)km［1］，軸承更換或大修時(shí)需要換裝新的保持架，原保持架將報(bào)廢。因此鐵路上將有大量報(bào)廢下來(lái)的工程塑料保持架。

國(guó)家環(huán)境保護(hù)部門對(duì)廢棄塑料制品回收再利用給予充分肯定，并呼吁“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”，鼓勵(lì)走可持續(xù)發(fā)展之路。再生資源回收利用是我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。目前，世界各國(guó)都把數(shù)量巨大的多種廢棄物經(jīng)過(guò)回收利用，變廢為寶，使其得以減量化、無(wú)害化和資源化。近20多年來(lái)，塑料廢棄物回收利用的研究進(jìn)展表明，塑料廢棄物的處理是提高資源利用效率、保護(hù)環(huán)境、建立資源節(jié)約型社會(huì)的重要途徑之一。如果能夠?qū)@些報(bào)廢的鐵路貨車工程塑料保持架實(shí)現(xiàn)有效地回收和充分的再生利用，不僅可以節(jié)省大量的石油資源和能源，更是一個(gè)有很大好處和利益的市場(chǎng)［2］。

同樣的，軸承大修報(bào)廢下來(lái)的工程塑料保持架經(jīng)過(guò)篩選、清洗、破碎后即可作為原材料再次使用，來(lái)制作適合的新產(chǎn)品。當(dāng)前首先要解決的問(wèn)題是檢測(cè)破碎后材料的性能，確定其性能指標(biāo)。筆者對(duì)報(bào)廢下來(lái)的回收工程塑料保持架清洗后的回收料進(jìn)行了紅外譜圖分析、DSC、TG分析、對(duì)其中的增強(qiáng)玻纖長(zhǎng)度進(jìn)行了顯微成像研究，并將碎料重新注塑樣條進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊性能檢測(cè)試驗(yàn)，將檢測(cè)結(jié)果與未加工的原材料性能進(jìn)行對(duì)比，為制定其性能指標(biāo)提供了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為可能使用該材料的新產(chǎn)品提供相應(yīng)理論依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要樣品

工程塑料保持架原材料：25%玻纖增強(qiáng)的尼龍66（下文簡(jiǎn)稱“保持架原材料”），美國(guó)杜邦公司。

軸承大修報(bào)廢下來(lái)的工程塑料保持架清洗后的回收料（下文簡(jiǎn)稱“回收料”）。

1.2主要設(shè)備、儀器

偏光顯微鏡：LV100POL型，日本NICON公司；

熱失重分析儀：Q500型，美國(guó)TA儀器公司；

差示掃描量熱儀：Q200型，美國(guó)TA儀器公司；

紅外光譜儀：Nicolet380型，美國(guó)Nicolet公司；

毛細(xì)管流變儀：GOETTFERT MI-3，德國(guó)高特福公司；

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：INSTRON 5567型，英國(guó)INSTRON公司；

沖擊試驗(yàn)機(jī)：6957.000，意大利CEAST公司；

馬弗爐：DC-B-1，北京獨(dú)創(chuàng)科技有限公司。

表14所示為不同方法優(yōu)化結(jié)果的比較。其中，序列采樣方法的初始采樣準(zhǔn)則為繼承拉丁超立方采樣(樣本集大小為45)?？梢钥闯觯噍^于序列采樣方法，一次采樣方法LHS方法所用樣本較多，最優(yōu)解處精度較低;局部序列采樣方法(LAS方法和LMPP方法)和全局序列采樣方法(EGRA方法和IBS方法)都能夠獲得較為準(zhǔn)確的最優(yōu)解，但局部采樣方法更加高效準(zhǔn)確。所有方法中，本文方法相對(duì)誤差和樣本數(shù)最小。

1.3性能測(cè)試及表征方法

偏光顯微鏡觀察玻纖長(zhǎng)度，分別取保持架原材料和回收料在馬弗爐中升溫到600℃進(jìn)行燃燒2h后，取出放在干燥器中冷卻1h，將剩余的玻璃纖維在顯微鏡下觀察，比較兩種材料的玻纖長(zhǎng)度。

熱失重分析（TGA），分別對(duì)兩種樣本進(jìn)行表征，樣品質(zhì)量為9.0～11.0mg，氣氛氮?dú)饬髁?0ml/min，以10℃/min速度升溫，從室溫升至580℃，檢測(cè)兩種樣本的開始分解溫度，然后轉(zhuǎn)用氧氣氣氛流量為60ml/min，繼續(xù)升溫至680℃，檢測(cè)兩種材料的各組分的含量。

差示掃描量熱分析（DSC），分別取兩種樣本質(zhì)量為 5.0～6.0mg，放入鋁制坩堝內(nèi)，純銦校正，空坩堝作參比，氮?dú)饬髁?0ml/min，以10℃/min速度升溫，從室溫升至300℃，記錄一次升溫熔融曲線。按照GB/T19466.3中的分析方法分析其熔融溫度。

運(yùn)用原位全反射傅里葉紅外光譜（ATRFTIR）技術(shù)對(duì)兩種樣本進(jìn)行紅外光譜分析。

熔體粘度分析，將兩種樣本進(jìn)行干燥處理4～6h，溫度285℃預(yù)熔4min后，用10/1的毛細(xì)管對(duì)處理后的兩種料進(jìn)行粘度檢測(cè)。設(shè)定剪切速率分別為：2、4、8、16、32、64、128、256、512和1024mm/s，得到每個(gè)速率的表觀剪切粘度并比較。

力學(xué)性能檢測(cè)，檢測(cè)兩種樣本的拉伸性能、彎曲性能和抗沖擊性能，分析回收料比原材料性能下降比。

2　結(jié)果與討論

圖1～2分別為保持架原材料和回收料在馬弗爐600℃高溫燃燒后剩余的玻璃纖維觀察的顯微鏡照片，由圖可見(jiàn)保持架原材料玻纖長(zhǎng)度（97～792.77μm）明顯大于回收料玻纖長(zhǎng)度（93～446.25μm）。主要是因?yàn)樘砑硬＠w的原材料，經(jīng)過(guò)了一次加工（注塑產(chǎn)品）后，料桿對(duì)熔料的攪動(dòng)會(huì)使玻璃纖維變碎變短。而玻璃纖維在材料中主要起到加強(qiáng)力學(xué)性能的作用，因此推斷回收料的力學(xué)性能與原材料相比會(huì)有所下降，下面的數(shù)據(jù)也證實(shí)了這一點(diǎn)。

2.2TGA熱失重分析

常溫條件下，尼龍66比較穩(wěn)定。圖3中可以看出，300℃之前，保持架原材料和回收料失重率非常小，認(rèn)為失重主要是因?yàn)橛袡C(jī)溶劑的揮發(fā)及失水所致［2］。400℃以上，兩種樣本的失重率迅速增加，是由于聚合物熱分解所致。材料的熱穩(wěn)定性能還是很強(qiáng)的。

圖2　回收料玻纖長(zhǎng)度顯微圖

圖3中分析可知，回收料的開始分解溫度（403.43℃）低于保持架原材料的分解溫度（414.20℃），主要是因?yàn)榫酆衔锊牧辖?jīng)過(guò)一次加工后，分子鏈會(huì)發(fā)生斷裂，熱穩(wěn)定性下降所致。各組分的含量見(jiàn)表1，可以看出原材料和回收料各組分沒(méi)有很大變化。

圖3　保持架原材料和回收料的熱失重分析

表1保持架原材料和回收料各組分含量

2.3DSC分析

聚合物在溫度升高時(shí)會(huì)發(fā)生熔融。圖4為兩個(gè)樣本的DSC曲線，從圖4中可以看出，保持架原材料和回收料的開始熔融的溫度和峰值基本一致，表明材料熔點(diǎn)基本沒(méi)有變化。因此回收料加工時(shí)的工藝參數(shù)可以參考保持架原材料加工工藝參數(shù)。

圖4　保持架原材料和回收料的DSC分析

2.4紅外光譜分析

圖5為保持架原材料和回收料的紅外光譜圖，圖5中可以看出兩個(gè)樣本的圖型基本完全一致。從檢測(cè)的基本型譜可以看出，兩種材料的主要組分均為尼龍類，PA的紅外標(biāo)準(zhǔn)譜圖［3］特征查詢，特征區(qū)和指紋區(qū)的任何吸收峰也沒(méi)有超過(guò)5cm-1的偏差，可見(jiàn)回收料與保持架原材料相比沒(méi)有影響其基本結(jié)構(gòu)的組分混合進(jìn)去。因?yàn)楸３旨茉谳S承中僅與內(nèi)外環(huán)和滾珠以及潤(rùn)滑油接觸，材料本身并沒(méi)有發(fā)生化學(xué)變化。

圖5　保持架原材料和回收料紅外光譜

2.5剪切粘度分析

圖6為保持架原材料和回收料經(jīng)過(guò)毛細(xì)管流變檢測(cè)得到的剪切粘度，可以看出在285℃的熔融溫度，剪切速率為2、4、8mm/s慢速區(qū)間時(shí)兩種材料的剪切粘度稍有偏差，剪切速率大于16mm/s后兩種材料的剪切粘度就基本一致了，這一特點(diǎn)也可以證明回收料加工時(shí)的工藝參數(shù)可以參考保持架原材料的工藝參數(shù)。

圖6　保持架原材料和回收料毛細(xì)管剪切粘度比較

2.6力學(xué)性能分析

保持架原材料和回收料的力學(xué)性能分析見(jiàn)表2。干態(tài)和50%濕度處理后的回收料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率，彎曲強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度與原材料相比都有所下降，拉伸強(qiáng)度下降13～14%，斷裂伸長(zhǎng)率下降并不明顯，彎曲強(qiáng)度下降11～12%，缺口沖擊強(qiáng)度下降19～20%。主要是原材料經(jīng)過(guò)一次加工 （制造產(chǎn)品）后，聚合物分子鏈會(huì)有斷裂，而且材料中有玻璃纖維增強(qiáng)，經(jīng)加工后也會(huì)有破碎和斷裂情況，使玻纖長(zhǎng)度變短，圖1和圖2的顯微圖片也可以明顯看出這一點(diǎn)。因此回收料的力學(xué)性能必然有所下降。在試制新產(chǎn)品選材時(shí)一定要注意這一點(diǎn)，不能簡(jiǎn)單的參考保持架原材料的力學(xué)性能指標(biāo)。

表2　保持架原材料和回收料的力學(xué)性能

3　結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)軸承大修拆卸報(bào)廢下來(lái)的工程塑料保持架，由于工況比較單一，運(yùn)行過(guò)程中僅與油脂接觸，回收后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的清洗即可利用。國(guó)內(nèi)鐵路貨車自2003年大批量裝用工程塑料保持架以來(lái)，年均安裝100多萬(wàn)件，按照8年質(zhì)量周期計(jì)算，2011年開始已經(jīng)有大批量報(bào)廢下來(lái)的保持架產(chǎn)品，單件重量200g計(jì)算，每年產(chǎn)生的廢舊保持架重量達(dá)到200t以上。經(jīng)過(guò)以上的研究，報(bào)廢下來(lái)的工程塑料保持架回收料與原材料相比在材料基本組成、結(jié)構(gòu)、熔點(diǎn)以及熔體粘度方面相比均沒(méi)有變化，可見(jiàn)該玻纖增強(qiáng)的尼龍材料使用后內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)比較穩(wěn)定。只是由于玻纖和高分子材料經(jīng)過(guò)一次加工產(chǎn)生的玻纖碎斷和分子鏈斷鏈的現(xiàn)象，導(dǎo)致了力學(xué)性能下降。完全可以用于本身要求力學(xué)性能不高的產(chǎn)品。本文中筆者僅對(duì)工程塑料保持架回收料的基本性能進(jìn)行了初步的分析和研究，望能為以后使用該材料制造新產(chǎn)品時(shí)提供相應(yīng)的參考依據(jù)。

［1］中華人名共和國(guó)鐵道部主編.鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則.中國(guó)鐵道出版社，2007.

［2］馬占峰.廢舊塑料回收利用的必要性和可行性.塑料工業(yè)，2006，4.

［3］楊萬(wàn)泰.聚合物材料表征與測(cè)試.中國(guó)輕工業(yè)出版社，2008.

唐繼兵，女，河北廊坊人，中級(jí)工程師。

U270.4+2

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2095-2066（2016）09-0189-03

2016-3-12