劉晨明，游一蘭，代佳洋，鄧光鐵(湖南城市學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

聚酰胺6/蒙脫土復(fù)合材料的性能研究

劉晨明，游一蘭，代佳洋，鄧光鐵
(湖南城市學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

采用有機(jī)蒙脫土(OMMT)改性聚酰胺6(PA6)，并用熔融共混注塑成型的方法制備了PA6/OMMT復(fù)合材料，研究了復(fù)合材料的力學(xué)性能、耐熱性能和摩擦磨損性能．結(jié)果表明，OMMT提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐熱性，改善了PA6的摩擦磨損性能：OMMT含量為4 wt %時(shí)，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度最大，比純PA6分別提高了12.5%和10.9%；含量為2%時(shí)，維卡軟化點(diǎn)溫度達(dá)到最大，為212℃；含量分別為2 wt % 和3 wt %時(shí)，摩擦因數(shù)和磨損率最低，比PA6分別降低了69.6%和47.3%．

聚酰胺6；有機(jī)蒙脫土；力學(xué)性能；摩擦磨損性能

PA6具有優(yōu)異的綜合性能，在汽車、電子電器和工業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但也存在低溫沖擊強(qiáng)度偏低，吸水率大，干摩擦因數(shù)高的缺點(diǎn)，一定程度上限制了PA6的應(yīng)用．與其他聚合物共混，采用纖維、納米、無機(jī)顆粒等填充改性是提高PA6性能的有效手段．如與沖擊強(qiáng)度較高的ABS共混，PA6的沖擊韌性得到改善[1]．而采用礦渣微粉和玻璃纖維混雜改性PA6可同時(shí)提高PA6的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度[2]．硅納米材料與玻璃纖維混雜改性PA6可大大降低其摩擦因數(shù)和磨損率[3]．自20世紀(jì)80年代后期，Okada發(fā)現(xiàn)蒙脫土改性 PA比其他無機(jī)雜化物改性聚合物具有更優(yōu)異的力學(xué)和熱性能后，聚合物基蒙脫土復(fù)合材成為研究的熱點(diǎn)．研究表明，蒙脫土提高了聚酰亞胺[4]、聚甲基丙烯酸甲酯[5]、酚醛樹脂[6]和超高分子量聚乙烯[7]的摩擦磨損性能、力學(xué)性能和熱性能．而蒙脫土改性PA6摩擦性能的研究鮮見文獻(xiàn)報(bào)道．

為此本文以有機(jī)蒙脫土OMMT改性PA6，研究了PA6/OMMT復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱性能及摩擦磨損性能．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

PA6，BL3280H，東莞能聚塑膠有限公司；OMMT，GK-8，江西固康新材料有限公司．

1.2 儀器設(shè)備

高速共混機(jī)，SHR-10A，張家港格蘭機(jī)械有限公司；雙螺桿擠出機(jī)(配切粒機(jī))，SHJ-20，南京杰恩特機(jī)電有限公司；注塑機(jī)，KD1080KA，浙江省寧波市金星塑料機(jī)械有限公司；維卡軟化點(diǎn)溫度測(cè)定儀，XRW-30MA，美國TA儀器公司；電子萬能試驗(yàn)機(jī)，CMT-7205，珠海三思試驗(yàn)設(shè)備有限公司；簡(jiǎn)支梁擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，XJJUD-50，湖北承德市大加儀器有限公司；摩擦磨損試驗(yàn)儀，UMT-3，美國CERT 公司．

1.3 試樣的制備

PA6粒料先在100 ℃下真空干燥4 h去除其中的水分，然后將OMMT按不同比例與PA6混合均勻，再雙螺桿擠出，擠出溫度為220℃-240℃，水冷造粒，將粒料真空干燥后注塑成測(cè)試樣品，注塑各區(qū)溫度在240℃-250℃．

1.4 性能測(cè)試與表征

拉伸性能按照文獻(xiàn)[8]執(zhí)行．測(cè)試溫度：室溫，拉伸速度：5 mm/min．缺口沖擊性能按照文獻(xiàn)[9]執(zhí)行．維卡軟化點(diǎn)溫度按照文獻(xiàn)[10]執(zhí)行．

摩擦磨損試驗(yàn)在UMT-3試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，平行測(cè)定3組樣品，取平均值．實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：載荷40 N，轉(zhuǎn)速200 r/min，時(shí)間120 min，干摩擦滑動(dòng)，對(duì)偶件為 Ф9.5 mm的鉻鋼球，硬度為HRC62．上試樣為鉻鋼球，下試樣為摩擦樣，上試樣固定，摩擦樣做往復(fù)滑行，往復(fù)1次定義為1轉(zhuǎn)，沖程為10 mm．試樣尺寸25 mm×25 mm×15 mm，實(shí)驗(yàn)前樣品表面用1 000目水砂紙打磨光滑，并用丙酮清潔樣品及對(duì)偶表面．整個(gè)試驗(yàn)由預(yù)先編好的程序來控制自動(dòng)完成，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集，平均摩擦因數(shù)由材料進(jìn)入穩(wěn)定摩擦階段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算平均值得到．質(zhì)量磨損用電子天平來測(cè)量，其中：△m是磨損前后質(zhì)量差(g)；ρ為材料密度(g/cm3)；L為載荷(N)；d為摩擦過程中滑行的距離(m)．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 OMMT改性PA6的力學(xué)性能

圖1 OMMT含量對(duì)PA6/OMMT復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度影響

圖1為OMMT含量對(duì)PA6/OMMT復(fù)合材料的沖擊性能的影響．從圖1可看出，在OMMT含量低于3 wt %時(shí)，OMMT對(duì)PA6沖擊強(qiáng)度的影響不大，當(dāng)OMMT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4 wt%時(shí)，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大，為4.5 kJ/m2，較純PA6 的4.0 kJ/m2提高了12.5%．但繼續(xù)增加OMMT含量，沖擊強(qiáng)度又有所下降．

圖2為OMMT對(duì)PA6/OMMT復(fù)合材料的拉伸性能的影響．

圖2 OMMT含量對(duì)PA6/OMMT復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度影響

從圖2可以看出，隨著OMMT的含量增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度也隨之增大，當(dāng)OMMT含量低于2 wt%時(shí)，拉伸強(qiáng)度增加緩慢；而含量大于2 wt%時(shí)，拉伸強(qiáng)度迅速增大；當(dāng)OMMT的含量為4 wt%時(shí)，PA6/OMMT復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大，為59.9 MPa，較純PA6的54 MPa提高了10.9%；但隨著OMMT含量的進(jìn)一步增加，拉伸強(qiáng)度有所下降．

OMMT為納米級(jí)，且其剛性大于PA6，在受到外力時(shí)，使得材料能承受更大的應(yīng)力，可以提高PA6力學(xué)性能；當(dāng)OMMT含量增加到一定程度后，其在材料中的分散程度降低，一些粒子出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，使制品復(fù)合材料出現(xiàn)一些缺陷，導(dǎo)致材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都有所降低．所以含量為4 wt%時(shí)力學(xué)性能最好．

2.2 OMMT改性PA6的耐熱性能

圖3 OMMT含量對(duì)PA6/OMMT復(fù)合材料維卡軟化點(diǎn)溫度的影響

圖3為OMMT含量對(duì)PA6/OMMT復(fù)合材料的維卡軟化點(diǎn)溫度的影響，由圖可以看出，復(fù)合材料的維卡軟化點(diǎn)溫度都比純 PA6的高，在OMMT含量為2 wt %時(shí)，復(fù)合材料的維卡軟化點(diǎn)溫度最高，為 212.0 ℃，比純 PA6提高了12.7 ℃．這是因?yàn)镺MMT在復(fù)合材料中起到物理交聯(lián)點(diǎn)的作用，限制了PA6鏈段的熱運(yùn)動(dòng)．而含量高于3 wt %時(shí)，可能部分的OMMT沒有發(fā)生插層，從而影響了材料的整體性能．

2.3 OMMT改性PA6的摩擦磨損性能

圖4為載荷40 N，轉(zhuǎn)速200 r/min時(shí)，PA6/ OMMT復(fù)合材料的摩擦磨損性能隨OMMT含量的變化曲線．

圖4 OMMT含量對(duì)PA6/OMMT復(fù)合材料摩擦因數(shù)和磨損率的影響

從圖4可以看出，隨著OMMT含量的增加，PA6/OMMT復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率均呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢(shì)，摩擦因數(shù)和磨損率分別在OMMT含量為2 wt%和3 wt%時(shí)達(dá)到最低，此時(shí)，摩因數(shù)為0.14，較純PA6的0.46降低了69.6%，磨損率為 7.9×10-5mm3/(N·m)，較純 PA6的1.5×10-4mm3/(N·m)降低了47.3%．當(dāng)OMMT含量較低時(shí)，摩擦表面少量的OMMT顆粒進(jìn)入對(duì)偶面的溝壑內(nèi)，降低了其粗糙度，并且OMMT本身具有自潤滑作用，有利于形成轉(zhuǎn)移膜，使得摩擦因數(shù)降低[11]，同時(shí)也減輕了試樣的磨損．隨著OMMT含量的增加，顆粒與基體結(jié)合不好、顆粒的團(tuán)聚等會(huì)造成材料內(nèi)部有缺陷，在摩擦過程中極易脫落，破壞轉(zhuǎn)移膜，導(dǎo)致摩擦因數(shù)和磨損率都增大．

2.4 OMMT改性PA6的磨損表面形貌

純PA6和2 wt %OMMT改性PA6的磨損表面SEM圖如圖5所示．PA6磨損表面平整、光滑，沿滑動(dòng)方向有犁溝，在磨損表面有磨屑粘附，這是因?yàn)榧働A6較軟，在摩擦?xí)r對(duì)偶對(duì)表面有較強(qiáng)刮削，磨損機(jī)理為輕微的粘著磨損；加入2wt%OMMT后，PA6/OMMT復(fù)合材料的磨損表面有很多的微裂紋，屬于疲勞磨損，這是因?yàn)榧尤隣MMT后，復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性提高，摩擦表面層和基體結(jié)合牢固，在摩擦力反復(fù)作用下，磨損表面層疲勞脫落，造成疲勞磨損．

圖 5 OMMT改性PA6的磨損表面形貌

3 結(jié)論

加入OMMT，一方面，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度增加；另一方面，改善了PA6的摩擦磨損性能，磨損機(jī)理由粘著磨損轉(zhuǎn)為疲勞磨損．

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(責(zé)任編校：陳健瓊)

Properties of PA6/OMMT Composite

LIU Chen-min,YOU Yi-lan,DAI Jia-yang,DENG Guang-tie
(College of Chemistry and Environmental Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China)

The OMMT modified PA6 composites were prepared by means of melt blending and injection molding method. The mechanical properties, thermal property and tribological properties of the composites were researched. The results showed that all these properties of PA6 were improved by OMMT. The optimum value of impact strength and tensile strength of PA6/OMMT composite reached at 4 wt% loading of OMMT, which were 12.5% and 10.9% higher than neat PA6 respectively; the highest vicat softening temperature (212 ℃) came when OMMT content was 2wt%;while the lowest friction coefficient and wear rate arrived when the content of OMMT was 2wt% and 3wt% respectively, which was about 69.6% and 47.3% lower than neat PA6.

Polyamide 6; Montmorillonite; Mechanical Property; Tribological Property

TQ323.6

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.01.16

1672–7304(2017)01–0076–03

2016-12-07

湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃資助項(xiàng)目(201511527013)；益陽市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015JZ08)

劉晨明(1996-)，男，安徽馬鞍山人，湖南城市學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院2014級(jí)本科生，主要從事高分子材料改性研究．E-mail: 1138683693@qq.com