納米SiO2與玻璃纖維混雜增強聚酰胺6復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究

張 靜,楊和梅,顧紅艷

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,江蘇南京210032)

納米SiO2與玻璃纖維混雜增強聚酰胺6復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究

張 靜,楊和梅,顧紅艷＊

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,江蘇南京210032)

采用MM-200型摩擦磨損試驗機對干摩擦條件下納米SiO2與玻璃纖維混雜填充聚酰胺6(PA6)復(fù)合材料與45#鋼對摩時的摩擦磨損性能進行了研究。結(jié)果表明,納米SiO2和玻璃纖維混雜可以顯著改善PA6復(fù)合材料的摩擦磨損性能,以5%的SiO2和20%的玻璃纖維增強PA6的耐磨減摩性最好。掃描電鏡分析表明,純PA6的磨損以黏著和犁削為主。當(dāng)載荷較低時,復(fù)合材料的磨損機制主要表現(xiàn)為不同程度的磨粒磨損,但當(dāng)載荷較高時,復(fù)合材料的磨損機制主要表現(xiàn)為不同程度的疲勞磨損。

聚酰胺6;納米SiO2;玻璃纖維;摩擦磨損;增強

0 前言

PA6是一種用途很廣的工程塑料,與其他工程塑料相比,PA6具有力學(xué)強度高、韌性好、電氣性能良好、耐磨等優(yōu)異性能,但其制品尺寸穩(wěn)定性差,吸濕性大,在一定程度上限制了它的應(yīng)用范圍。為此,大量的金屬微粉、聚合物、纖維、稀土以及無機粒子等被用作改性填料,使其向高性能化和高功能化方向發(fā)展。許多研究表明,不同種類的填料對 PA6復(fù)合材料的性能影響差別很大[1-5]。玻璃纖維、碳纖維是性能較好的增強填充材料,可提高聚合物的力學(xué)性能,但會導(dǎo)致聚合物的摩擦因數(shù)增大。近年來的相關(guān)研究表明,納米粒子對聚合物材料的摩擦磨損性能有較好的改善作用。納米SiO2具有韌性高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨性好等特點,是目前世界上大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)產(chǎn)量最高的一種納米粉體材料,利用其優(yōu)異性能對工程塑料進行改性,可以綜合各組分的長處,實現(xiàn)優(yōu)勢互補,使通用工程塑料功能化,從而拓寬了工程塑料的應(yīng)用領(lǐng)域。為得到具有高強度和低摩擦因數(shù)的 PA6復(fù)合材料,本文以玻璃纖維與納米SiO2混雜增強 PA6,研究了復(fù)合材料在干摩擦下的摩擦性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PA6,上海信錦物質(zhì)有限公司;

短玻璃纖維,平均直徑 8～13μm,平均長度80μm,南京玻璃纖維研究設(shè)計院;

納米SiO2,合肥開爾納米技術(shù)發(fā)展有限公司,其性能見表1。

表1 納米SiO2的性能參數(shù)Tab.1 The parameter of nano-SiO2

1.2 主要設(shè)備及儀器

磨損試驗機,MM-200,宣化材料試驗機廠;

掃描電子顯微鏡(SEM),JSM-6300,日本J EOL株式公社。

1.3 試樣制備

將20%的玻璃纖維分別和1%、3%、5%的納米SiO2混雜加入到PA6中,采用雙螺桿擠出機擠出造粒,于110℃下干燥3 h以上,注射成型。

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

摩擦磨損試驗在摩擦磨損試驗機上進行,摩擦副接觸方式為環(huán)-塊接觸,試樣尺寸為6 mm×7 mm×30 mm,偶件為直徑40 mm的45#鋼環(huán),試樣和偶件表面均經(jīng)800#金相砂紙精細拋光處理,其表面粗糙度(Ra)為0.08～0.12μm。對偶環(huán)轉(zhuǎn)速為200 r/min,所加載荷為 100、150、200、250 N,干摩擦滑動 ,用萬分之一的光電分析天平測定試樣在不同載荷作用下的磨損量,摩擦因數(shù)由摩擦力矩轉(zhuǎn)換而得;

采用SEM對納米SiO2與玻璃纖維混雜填充復(fù)合材料磨損表面的形貌進行觀察分析。

2 結(jié)果和討論

2.1 PA6/玻璃纖維復(fù)合材料的摩擦磨損性能

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,本文選擇對納米SiO2與20%玻璃纖維混雜填充 PA6復(fù)合材料的摩擦磨損性能進行研究。

圖1 玻璃纖維含量對復(fù)合材料磨損性能的影響Fig.1 Effect of contents of glass fiber on the wear properties of the composites

2.2 摩擦與磨損性能分析

從圖3可以看出,在同一載荷下,納米 SiO2填充的PA6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,其磨損量高于純 PA6,隨著納米SiO2含量的增加,其磨損量都低于PA6,當(dāng)納米SiO2含量為5%時,復(fù)合材料的磨損量最低。在填充量一定的情況下,PA6復(fù)合材料的磨損量均隨載荷的增加而增大。

圖3 復(fù)合材料的磨損量與載荷的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between worn mass of the composites and load

從圖4可以看出,納米SiO2填充的 PA6復(fù)合材料的摩擦因數(shù)隨納米 SiO2含量的增加而減小,當(dāng)納米SiO2含量為5%時,復(fù)合材料的減摩效果最佳。這是因為玻璃纖維與納米粒子的加入提高了復(fù)合材料的硬度,減小了材料的變形以及試樣與對偶環(huán)的接觸面積,從而摩擦因數(shù)減小。另一方面由于納米粒子的小尺寸效應(yīng)和界面效應(yīng),在基體中能與PA6緊密結(jié)合,并且能作為微小粒子填充到PA6與玻璃纖維的空隙中,同時作為膠黏劑起到連接玻璃纖維與 PA6的作用,使填料與復(fù)合材料結(jié)合更加緊密[6-7]。

圖4 復(fù)合材料的摩擦因數(shù)與載荷的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between friction coefficient of the composites and loads

2.3 磨損機理分析

從圖5可以看出,純PA6磨損表面磨痕較多較深,并且有材料去除后的凹坑,塑性變形較嚴重,其磨損機制主要表現(xiàn)為犁削和黏著磨損。納米SiO2和20%玻璃纖維填充PA6復(fù)合材料的磨損表面均有不同程度的犁溝和塑性變形,但其程度卻與納米SiO2含量和載荷大小有關(guān)。納米SiO2含量為1%時,復(fù)合材料的磨損表面有較深的犁溝,同時有清晰可見的劃痕存在,而且表面有裸露的玻璃纖維,這是由于當(dāng)納米粒子含量較小時,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,磨損量較大。納米 SiO2含量為3%時,復(fù)合材料的磨損表面較平整,載荷較低時磨損表面有與摩擦方向一致清晰的滑痕,其磨損機制為磨粒磨損,而載荷較高時,在磨損表面出現(xiàn)表層剝落現(xiàn)象,為疲勞磨損的特征。這說明添加納米SiO2能有效地提高PA6/玻璃纖維復(fù)合材料的耐磨性[8]。

圖5 純PA6及其復(fù)合材料磨損表面的SEM照片(600×)Fig.5 SEM micrographs for the worn surface of PA6 and its composites

3 結(jié)論

(1)在PA6中填充20%玻璃纖維和納米SiO2,對復(fù)合材料的摩擦磨損性能有很大的影響。填充5%納米SiO2時,PA6/玻璃纖維復(fù)合材料的耐磨性最好;

(2)當(dāng)納米 SiO2含量為5%時,PA6/玻璃纖維復(fù)合材料的摩擦因數(shù)最小;

(3)當(dāng)載荷較低時,復(fù)合材料的磨損機制主要表現(xiàn)為不同程度的磨粒磨損,但當(dāng)載荷較高時,復(fù)合材料的磨損機制主要表現(xiàn)為不同程度的疲勞磨損。

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Friction and Wear Properties of Nano-SiO2and Glass Fiber Reinforced Polyamide 6 Composites

ZHAN GJing,YAN G Hemei,GU Hongyan＊
(College of Engineering,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210032,China)

The friction and wear properties of PA6 composites filled with nano-SiO2and glass fibers were investigated with MM-200 wear tester.The results showed that the addition of nano-SiO2and glass fiber could considerably improve the friction and wear properties of PA6.The best mass fraction was obtained by adding 5%of nano-SiO2and 20%of glass fiber.SEM of worn surfaces of PA6 and the composites showed that obvious ploughing and adhesion marks.When the load was low,the main wear mechanism was the abrasive attrition.When the load was high,the main wear mechanism was fatigue.

polyamide 6;nano-SiO2;glass fiber;friction and wear property;reinforcement

TQ323.6

B

1001-9278(2010)07-0083-04

2010-03-30

高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目(20060307002)

＊聯(lián)系人,guhongyan@njau.edu.cn