尼龍／玻纖復(fù)合材料耐磨性能

吳明明 ，崔永生 ，李雙雯 ，仇鵬 ，陳敬 ，李聯(lián)峰

(1.河北鐵科翼辰新材科技有限公司，石家莊 052165； 2.北華航天工業(yè)學(xué)院材料學(xué)院，河北廊坊 065000；3.河南神馬華威塑膠股份有限公司，河南平頂山 467000)

玻璃纖維（玻纖）增強(qiáng)尼龍66(PA66)復(fù)合材料是以PA66為基體，玻纖作為增強(qiáng)材料而制得的復(fù)合材料，其綜合了PA66優(yōu)良的介電性、耐摩擦以及抗疲勞性，PA66／玻纖復(fù)合材料具有低吸水性、高比強(qiáng)度及耐化學(xué)藥品性能，其制品具有較好的耐吸濕、尺寸穩(wěn)定性、高強(qiáng)度、硬度且加工性能優(yōu)良[1–3]，因此被廣泛地用于鐵路、機(jī)械、汽車、電器等領(lǐng)域[4–8]。目前在關(guān)于PA66／玻纖復(fù)合材料耐磨性能方面的研究已有許多[9–10]，李躍文[11]介紹了PA66／玻纖復(fù)合材料的耐磨、增韌、耐溶劑、阻燃以及界面改性等多種改性工藝的研究進(jìn)展。湯隆冬等[12]研究了苯乙烯–馬來酸酐共聚物(SMAH)對(duì)PA6／玻纖耐磨性能的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)SMAH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，PA6／玻纖復(fù)合材料摩擦系數(shù)較未加入時(shí)降低了29.5%，耐磨性能得到明顯提高。

筆者主要針對(duì)現(xiàn)有高速鐵路扣件系統(tǒng)中絕緣塊實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的磨損問題及力學(xué)性能進(jìn)行研究，從產(chǎn)品原材料出發(fā)，通過添加不同含量玻纖、不同類型添加劑來改善PA／玻纖復(fù)合材料的耐磨性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

PA66：EPR27，河南神馬華威塑膠股份有限公司；

PA6：湖南岳化化工股份有限公司；

無堿短切玻纖：ECS4.5–T435TM，泰山玻璃纖維有限公司；

尼龍?jiān)鲰g劑：沈陽科通塑膠有限公司；

二硫化鉬(MoS2)：上海顥慧化工有限公司；

聚四氟乙烯(PTFE)超細(xì)粉：嘉善申嘉科技有限公司；

SMAH：無錫啟輝化工科技有限公司；

抗氧劑、潤(rùn)滑劑、成核劑：布呂格曼化工亞洲有限公司。

1.2 主要儀器及設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)組：SJC–62D型，南京德印科技有限公司；

干燥混料機(jī)：JY–3000型，上海聚有機(jī)械廠；

塑料混色機(jī)：VCG–100型，天津市信易機(jī)械有限公司；

注塑機(jī)：MA1200型，寧波海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司；

環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)：MRH–1型，濟(jì)南益華摩擦學(xué)測(cè)試技術(shù)有限公司；

拉力試驗(yàn)機(jī)：TCS–2000型，高鐵檢測(cè)儀器有限公司；

烘箱：GT7024–NA2型，高鐵檢測(cè)儀器有限公司；

簡(jiǎn)支梁／懸臂梁組合型沖擊試驗(yàn)機(jī)：BL–6151型，東莞市寶輪精密檢測(cè)儀器有限公司；

直讀式電子比重計(jì)：DH–300型，東莞市宏拓儀器有限公司；

切粒機(jī)：LQ900型，南京德印機(jī)械有限公司；

電子秤：100型，河北初夏五金產(chǎn)品商貿(mào)有限公司；

耐磨耗試驗(yàn)機(jī)：GT-7012-T型，高鐵檢測(cè)儀器（東莞）有限公司。

1.3 試樣制備

(1) PA66／玻纖復(fù)合材料。

將PA66、玻纖、增韌劑以及助劑按照表1 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))配方進(jìn)行稱量并均勻混合，混合時(shí)間為5 min，混合后的物料放入加料口，無堿短切玻纖從喂料口加入，通過雙螺桿擠出機(jī)擠出成型，擠出的細(xì)條狀產(chǎn)物再經(jīng)過水冷卻、牽引、切粒、振動(dòng)過篩得到玻纖增強(qiáng)PA66顆粒；其中擠出機(jī)加料段、熔融段以及計(jì)量段溫度分別為250，270，290℃，螺桿轉(zhuǎn)速為450 r／min。

(2)不同種類樹脂基體的PA／玻纖復(fù)合材料的制備。

表1 PA66／玻纖復(fù)合材料配方 %

選用表1中綜合性能較為優(yōu)良的一組PA66／玻纖復(fù)合材料即1-2試樣，將PA66基體換成PA6，實(shí)驗(yàn)步驟及工藝參數(shù)設(shè)定同步驟(1)所述，制得PA6／玻纖復(fù)合材料，玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.5%，PA6質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.2%，增韌劑為3.5%，助劑為0.8%，制得的試樣為2#試樣。

(3)不同添加劑改性PA66／玻纖復(fù)合材料。

①M(fèi)oS2改性PA66／玻纖復(fù)合材料。

在1-2試樣的基礎(chǔ)上加入MoS2，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%，15%，20%，25%，30%然后進(jìn)行均勻混合，混合時(shí)間為5 min，將混合好的物料通過雙螺桿擠出機(jī)擠出成型，擠出的細(xì)條狀產(chǎn)物再經(jīng)過水冷卻、牽引、切粒、振動(dòng)過篩得到PA66／玻纖樹脂顆粒；其中擠出機(jī)加料段、熔融段以及計(jì)量段溫度分別為250，270，290℃，螺桿轉(zhuǎn)速為 350 r／min。

②PTFE改性PA66／玻纖復(fù)合材料。

同步驟①操作過程，其中PTFE的添加比例分別為 3%，6%，9%，12%，15%，混合時(shí)間為5 min，混合物料通過雙螺桿擠出機(jī)擠出成型，擠出成型工藝與MoS2改性一致。

③SMAH改性PA66／玻纖復(fù)合材料。

為了驗(yàn)證接枝共聚物對(duì)復(fù)合材料性能的影響，試驗(yàn)增設(shè)了2%，4%兩個(gè)比例的SMAH添加至復(fù)合材料中，實(shí)驗(yàn)過程與上述兩種添加劑方式一致。

不同添加劑改性PA66／玻纖復(fù)合材料配方見表2。

表2 不同添加劑改性尼龍66配方 %

通過塑料注塑機(jī)將各種經(jīng)不同改性方式制備的復(fù)合顆粒按照實(shí)驗(yàn)要求注塑成不同的標(biāo)準(zhǔn)試樣。

1.4 性能測(cè)試與表征

密度按照GB／T 1033.1–2008測(cè)試，每種樣品測(cè)試5個(gè)試樣，長(zhǎng)度80 mm，寬度10 mm，高4 mm的長(zhǎng)條試樣，計(jì)算5次測(cè)試的平均值。

拉伸強(qiáng)度按照GB／T 1447–2005測(cè)試，拉伸試樣采用I型啞鈴狀，拉伸速率為10 mm／min，標(biāo)距為50 mm，每種試樣測(cè)試5根，計(jì)算平均值。

彎曲強(qiáng)度按照GB／T 9341–2008測(cè)試，試驗(yàn)速率為2 mm／min，跨度為64 mm，長(zhǎng)度80 mm，寬度10 mm，高4 mm的長(zhǎng)條試樣每種試樣測(cè)試5根，計(jì)算平均值。

無缺口沖擊強(qiáng)度按照GB／T 1043.1–2008測(cè)試，沖擊方向平行于試樣寬度，長(zhǎng)度80 mm，寬度10 mm，高4 mm的長(zhǎng)條試樣支撐線間距為62 mm，每種試樣測(cè)試10根，計(jì)算平均值。

磨耗按照GB／T 5478–2008測(cè)試，兩邊砝碼各1 000 g，5 000圈，轉(zhuǎn)速為 60 r／min，?100 mm，厚度為3 mm的圓片,每種試樣測(cè)試3根，計(jì)算平均值。

摩擦系數(shù)按照GB／T 3960–2016測(cè)試，試驗(yàn)環(huán)轉(zhuǎn)速為200 r／min，磨損時(shí)間為2 h，負(fù)荷為196 N，每種材料試樣測(cè)試3根，計(jì)算平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同PA66的PA／玻纖復(fù)合材料的性能

通過改變玻纖比例來研究玻纖含量對(duì)PA66／玻纖復(fù)合材料各項(xiàng)性能的影響，結(jié)果見表3。

表3 不同種樹脂基體復(fù)合材料的各項(xiàng)性能

由表3可知，PA66和PA6基復(fù)合材料力學(xué)性能相差不大，但從耐磨性能來看，PA66樹脂基復(fù)合材料顯示更優(yōu)的耐磨性能。因此后期實(shí)驗(yàn)在32.5%玻纖增強(qiáng)PA66樹脂基礎(chǔ)上進(jìn)行改性。

2.2 不同添加劑對(duì)PA66／玻纖復(fù)合材料性能影響

(1)不同添加劑對(duì)PA66／玻纖復(fù)合材料密度的影響。

不同含量MoS2，PTFE及SMAH填充PA66／玻纖基復(fù)合材料，其密度值變化見表4。由表4可知，MoS2，PTFE及SMAH三種添加劑填充至PA66／玻纖復(fù)合材料中，隨著添加劑含量的增加，復(fù)合材料的密度也逐漸提高。

表4 不同添加劑及含量的PA66／玻纖復(fù)合材料密度 g／cm3

(2)不同添加劑對(duì)PA66／玻纖復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

不同MoS2含量的PA66／玻纖復(fù)合材料力學(xué)性能如圖1所示。

圖1 不同MoS2添加量的PA66／玻纖復(fù)合材料力學(xué)性能

由圖1可知，隨著MoS2含量的增加，PA66／玻纖復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及無缺口沖擊強(qiáng)度逐漸降低。可能是由于MoS2分子結(jié)構(gòu)呈層狀，且層間較易產(chǎn)生滑動(dòng)，PA分子鏈可穿插到MoS2片層之間形成類似骨架結(jié)構(gòu)，增大了PA66／玻纖復(fù)合材料的密度，但是這種層間結(jié)合力較為脆弱，最終導(dǎo)致了PA66／玻纖復(fù)合材料力學(xué)性能的降低。

不同PTFE含量的PA66／玻纖復(fù)合材料力學(xué)性能如圖2所示。

圖2 不同PTFE添加量的PA66／玻纖復(fù)合材料力學(xué)性能

由圖2可見，隨著PTFE含量的增加，PA66／玻纖復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、無缺口沖擊強(qiáng)度值呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，隨著PTFE加入量的增加PA66／玻纖復(fù)合材料的拉伸性能稍有降低，而對(duì)PA66／玻纖復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度及無缺口沖擊強(qiáng)度的降低較為明顯。

不同SMAH含量的PA66／玻纖復(fù)合材料力學(xué)性能結(jié)果見表5。

表5 不同SMAH添加量的復(fù)合材料力學(xué)性能

由表5可見，PA66／玻纖復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及無缺口沖擊強(qiáng)度的變化規(guī)律與前面兩種添加劑表現(xiàn)一致，隨SMAH含量的增加復(fù)合材料的力學(xué)性能呈下降趨勢(shì)。

復(fù)合材料力學(xué)性能結(jié)果顯示，不同添加劑的復(fù)合材料性能均呈下降趨勢(shì)，其中MoS2的加入極大地降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能，且已不能滿足尼龍扣件產(chǎn)品用原材料技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)；SMAH屬于接枝共聚物，在擠出過程中可能存在少量SMAH與PA66發(fā)生接枝反應(yīng)，增加分子鏈長(zhǎng)，故其復(fù)合材料可以維持較好的力學(xué)性能。PTFE的改性效果介于兩者之間，當(dāng)PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于9%時(shí)，PA66／玻纖復(fù)合材料的沖擊性能將不再滿足尼龍扣件產(chǎn)品用原材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)不同添加劑對(duì)PA66／玻纖復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響。

不同MoS2含量的PA66／玻纖復(fù)合材料摩擦磨損性能如圖3所示。

圖3 不同MoS2含量的PA66／玻纖復(fù)合材料的摩擦磨損性能

從圖3可知，隨著MoS2含量的增加，PA66／玻纖復(fù)合材料磨損量降低，磨耗得到改善，分析可能是由于在摩擦過程中伴隨著摩擦熱的上升，以共價(jià)鍵相結(jié)合的鉬元素和硫元素中的部分硫原子與接觸面的金屬形成金屬硫化物，附在摩擦面的表層，形成一層具有潤(rùn)滑效果的薄膜，MoS2含量越高，形成這種薄膜的速度越快，故磨耗量越小。當(dāng)MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%時(shí)，磨耗為最低值，繼續(xù)增加MoS2含量可能使形成的這種薄膜過厚，在摩擦過程中較易脫落，因此導(dǎo)致磨耗上升。摩擦系數(shù)變化不明顯，可能是由于實(shí)驗(yàn)過程中試樣塊較小，磨損量較少的緣故。但MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，材料的摩擦系數(shù)急劇升高，與磨耗結(jié)果顯示一致。

不同PTFE含量的PA66／玻纖復(fù)合材料摩擦磨損性能如圖4所示。從圖4可知，隨著PTFE含量的增加，PA66／玻纖復(fù)合材料的磨耗量與摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，即PA66／玻纖復(fù)合材料的耐磨性能得到改善，可能是因?yàn)樵谀Σ吝^程中，PTFE在試樣表面可形成一層轉(zhuǎn)移膜，降低了PA66／玻纖復(fù)合材料的磨損量及摩擦系數(shù)。

圖4 不同PTFE含量的PA66／玻纖復(fù)合材料摩擦磨損性能

不同SMAH含量的PA66／玻纖復(fù)合材料的摩擦磨損性能見表6。

表6 不同添加量SMAH的PA66／玻纖復(fù)合材料摩擦磨損性能

從表6可知，隨SMAH含量的增加，PA66／玻纖復(fù)合材料的磨耗量增大，摩擦系數(shù)略有減小，這可能是由于摩擦過程中的磨耗是采用砂輪打磨，而摩擦過程的摩擦系數(shù)是在有潤(rùn)滑油的情況下采用光滑的45#鋼質(zhì)試驗(yàn)環(huán)打磨試樣，SMAH的加入降低了材料的密度，故使用砂輪摩擦對(duì)試樣的磨損程度較大。

表7列出鐵路PA扣件產(chǎn)品用原材料測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及性能指標(biāo)。

表7 鐵路PA扣件產(chǎn)品用原材料性能要求

經(jīng)過對(duì)不同種添加劑改性復(fù)合材料性能變化對(duì)比，發(fā)現(xiàn)MoS2較大程度地降低了復(fù)合材料力學(xué)性能；SMAH在復(fù)合材料中可與PA66發(fā)生接枝反應(yīng)，增加分子鏈長(zhǎng)，維持了復(fù)合材料一定的力學(xué)性能；PTFE的加入對(duì)復(fù)合材料耐磨性能改善效果較好，且當(dāng)PTFE含量大于9%時(shí)，對(duì)PA66／玻纖材料的沖擊性能不利。綜上可知，當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的PTFE后PA66／玻纖復(fù)合材料(即4–2試樣)其密度為1.418 g／cm3，拉伸強(qiáng)度為176 MPa，彎曲強(qiáng)度為 261 MPa，無缺口沖擊強(qiáng)度為 85.3 kJ／m2，滿足表7要求的性能指標(biāo)，其磨耗及摩擦系數(shù)值最小，故改性效果最優(yōu)。

3 結(jié)論

通過采用不同含量玻纖、不同PA樹脂、不同種類添加劑以及同種添加劑不同用量來改善PA／玻纖復(fù)合材料的耐磨性能，結(jié)論如下：

(1)當(dāng)玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.5%時(shí)，PA66／玻纖復(fù)合材料的力學(xué)性能符合產(chǎn)品性能需求，且耐磨性最好，在實(shí)際生產(chǎn)過程中更易控制。

(2)從不同種樹脂復(fù)合材料性能中發(fā)現(xiàn)，PA66和PA6基復(fù)合材料力學(xué)性能相差不大，但PA66樹脂基復(fù)合材料顯示更優(yōu)的耐磨性能。

(3)由不同添加劑改性PA66／玻纖復(fù)合材料性能檢測(cè)結(jié)果可知，每種添加劑均起到了改善復(fù)合材料耐磨性能的效果，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的PTFE超細(xì)粉改性PA66／玻纖復(fù)合材料具有較小的磨耗量，且滿足鐵路產(chǎn)品材料性能需求。