漆籽殼纖維含量對聚甲醛/玄武巖纖維復(fù)合材料的力學及摩擦學性能的影響

劉俊鵬，龍春光，諶 磊，付揚威，許可可，董佩冉

(長沙理工大學汽車與機械工程學院，湖南 長沙 410004)

漆籽殼纖維含量對聚甲醛/玄武巖纖維復(fù)合材料的力學及摩擦學性能的影響

劉俊鵬，龍春光，諶 磊，付揚威，許可可，董佩冉

(長沙理工大學汽車與機械工程學院，湖南 長沙 410004)

采用熔融共混、注射成型等工藝制備了聚甲醛(POM)/玄武巖纖維(BF)/漆籽殼纖維(LSSF)復(fù)合材料，通過力學試驗、摩擦磨損試驗和掃描電子顯微鏡分別研究了復(fù)合材料的力學性能、摩擦學性能和微觀形貌。結(jié)果表明，LSSF和BF較均勻地分散于POM基體中，且界面相容性較好；POM/BF/LSSF復(fù)合材料的沖擊性能、流動性能和摩擦性能相對于POM/BF復(fù)合材料都有一定的提高；與POM/20%BF相比，當LSSF的添加量為10 %(質(zhì)量分數(shù)，下同)時，復(fù)合材料的流動性能提高了68 %；當LSSF添加量為15 %時，復(fù)合材料的沖擊性能提高了225 %；當LSSF添加量為5 %時，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)降低了23 %，磨損量降低了70 %；復(fù)合材料的主要磨損機制由低漆籽殼含量時的磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂嶙褮ず繒r的磨粒磨損和黏著磨損復(fù)合作用。

漆籽殼纖維；玄武巖纖維；聚甲醛；摩擦學性能

0 前言

POM是五大通用工程塑料之一，由于其成型工藝簡單、抗蠕變性能好、耐磨耐腐蝕以及價廉等特點受到廣泛關(guān)注。POM廣泛應(yīng)用于機械制造、汽車、電子電器工業(yè)等行業(yè)中承擔動力傳動傳導的零部件，也是最早用作齒輪的工程塑料之一。然而，其耐熱性差、沖擊韌性低、缺口敏感性大等弱點卻限制了其只能用于低溫、低載和低速條件下。因此，自問世以來，對POM的改性研究從未間斷過[1-4]。

目前，POM 耐磨增韌改性主要采用接枝改性[5]和共混改性2種方式。其中，共混改性POM是最為常見的方法[6-9]，該方法工藝操作簡單易行且成本較低。現(xiàn)今，天然纖維增強POM也備受關(guān)注[10]。BF具有強度高、模量高、耐高溫性佳、抗氧化、抗輻射、絕熱隔音、過濾性好、壓縮強度和剪切強度高，適應(yīng)于各種環(huán)境下使用，且性價比高。BF能有效提高基體材料的拉伸，彎曲和沖擊性能，提高材料的硬度，但對材料的摩擦和磨損性能有著負面作用，從而限制了其的發(fā)展[11-15]。有研究人員認為單絲相互纏繞形成纖維束的纖維增強樹脂在受力時易發(fā)生斷裂，而纖維素纖維則是從基體中拔出，且纖維素纖維與基體間的界面相容性更加優(yōu)良[16]。而LSSF是一種新型的植物纖維，LSSF是由外果皮和中果皮兩部分組成，約占漆籽總質(zhì)量的40 %[17]。LSSF的加入能夠提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，對材料的沖擊性能以及摩擦磨損性能提升明顯，且該材料是植物纖維，能一定程度上降低對環(huán)境的污染[18]。在POM中加入BF后,復(fù)合材料在力學性能上有顯著提高,當BF在20 %時,改善最為明顯,但在摩擦性能上較差[19]。本文主要研究在BF含量為20 %時，LSSF的含量對POM復(fù)合材料力學及摩擦學性能的影響，并在對磨痕顯微觀察的基礎(chǔ)上初步分析其磨損機理。

1 實驗部分

1.1 主要原料

POM，M90，云南云天化股份有限公司；

LSSF，直徑為150～350 μm，長度為3～6 mm，湖南省憨豆農(nóng)林科技有限公司；

BF，BFCS-11-4，浙江石金玄武巖纖維有限公司；

硅烷偶聯(lián)劑，KH550，儀征天揚化工有限公司；

無水乙醇，分析純，衡陽市凱信化工試劑有限公司；

抗氧劑1010,AO-601010,飛翔化工濱海有限公司；

三乙醇胺,分析純,成都科龍化工試劑廠；

氫氧化鈉(NaOH)，分析純，天津市風船化學試劑科技有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

摩擦磨損試驗機，MMW-1，濟南思達測試技術(shù)有限公司；

熔體流動速率儀，XNR-400，北京金盛鑫檢測儀器有限公司；

洛氏硬度計，HR-150A，濟南峰志實驗儀器有限公司；

簡支梁沖擊試驗機，XJJ-5，濟南天辰試驗機制造有限公司；

轉(zhuǎn)矩流變儀,RM-200A,哈爾濱哈普電氣技術(shù)有限責任公司;

立式注塑機,415,深圳市今益鑫注塑機有限公司;

數(shù)顯鼓風干燥箱,GZX-9240 MBE,上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;

1.3 樣品制備

精選出LSSF中纖維部分，清水中洗凈，90 ℃烘24 h，將烘干后的LSSF浸入8 %的NaOH溶液攪拌至完全浸入，在浸泡過程中攪拌數(shù)次，30 min后濾出，用醋酸洗至中性,在90～100 ℃的烘箱內(nèi)烘干到恒重；將烘干后的LSSF和BF分別浸入3 %的KH550溶液中攪拌至完全浸入，在浸泡過程中攪拌數(shù)次，30 min后濾出，在90～100 ℃的烘箱內(nèi)烘干到恒重；將LSSF與BF按表1給出的比例和POM進行熔融共混，加入0.2 %的1010、0.2 %的三乙醇胺等；通過雙螺桿擠出機擠出造粒，螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)置為35 r/min,溫度設(shè)定依次一～四區(qū)160、175、185、190 ℃;采用注射成型方法制成所需試件；溫度設(shè)定依次為175、185、195 ℃，注射壓力為60 MPa，保壓時間15 s；樣品在50 ℃的烘箱中退火2 h。

表1 POM/BF/LSSF復(fù)合材料的組成

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

摩擦磨損試驗所用的摩擦片為立式注塑機注射成型的直徑、厚度分別為30 mm和3 mm的圓片型標準摩擦片，實驗所用對偶件為45#鋼銷、Cr15銷和304不銹鋼銷3種，實驗載荷為100 N，轉(zhuǎn)速為200 r/min，測試時間為3600 s，所有數(shù)據(jù)均由電腦自動采集；

熔體流動速率測試：試驗溫度為190 ℃，標稱質(zhì)量為2.16 kg，標準口模的內(nèi)孔徑為2.095 mm，切段時間間隔30 s；

洛氏硬度測試：儀器的予置力值設(shè)定為150 kgf，采用金剛石壓頭，使用一定負荷壓入被測材料的表面；

沖擊強度按GB/T 3682—2000進行測試，沖擊樣條尺寸為80 mm×10 mm×4 mm，無缺口，沖擊能量為5 J，沖擊速度為2.9 m/s，實驗結(jié)果取5組測試結(jié)果的算術(shù)平均值；

SEM分析：用鋸子將試樣摩擦處的2～3 mm鋸下,磨損面朝上,用導電膠固定在試樣臺上經(jīng)噴金處理后進行拍照,設(shè)置加速電壓20 kV，放大倍率分別為200倍和2000倍。

為了簡便起見，設(shè)M∈n×n是要恢復(fù)的矩陣.rank(M)=r，r?n.{Mij,(i,j)∈Ω}是M中已知的矩陣元素的集合.盡管M中有n2個元素，但是M的自由度僅為2nr-2r2.當r比較小時，2nr-2r2?n2.那么，是否有可能在已知矩陣部分元素的情形下，恢復(fù)全部的n2個元素呢？一般來講，不是所有的矩陣都可以從部分元素準確恢復(fù)其全部元素,比如下面的矩陣：

2 結(jié)果與討論

2.1 流動性能

如圖1所示，添加了LSSF復(fù)合材料的熔體流動速率均比未添加LSSF的復(fù)合材料顯著提高，且隨著LSSF含量的增加，復(fù)合材料的熔體流動性先增大后減小，使其加工性能得到明顯改善。LSSF含量為10 %的復(fù)合材料的流動性比未添加LSSF的復(fù)合材料提高了68.0 %。這可能是因為一方面，LSSF本身含有油脂，在NaOH處理過程中發(fā)生了皂化反應(yīng)，其產(chǎn)物具有一定的潤滑作用；另一方面，柔性的LSSF插入到POM的大分子鏈段中，有效地降低了復(fù)合材料的內(nèi)部摩擦，從而改善了復(fù)合材料的熔體流動速率[20]。隨著LSSF含量繼續(xù)增加，纖維團聚增多，阻礙作用增大，且剛性BF對POM的流動性有一定的抑制作用，因此復(fù)合材料的熔體流動速率降低。

圖1 LSSF含量對復(fù)合材料熔體流動速率的影響Fig.1 Influence of LSSF content on the melt flow rate of POM/BF composites

2.2 力學性能

如表2所示，與未添加LSSF的1#樣品相比可知，隨著LSSF含量的增加，復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能均出現(xiàn)不同程度的降低。因為LSSF、BF和POM在承載時形變大小不同，會出現(xiàn)銀紋，沿黏結(jié)面形成斷裂，產(chǎn)生裂縫。但隨著LSSF含量的增加，復(fù)合材料的沖擊性能呈先增加后降低的趨勢，4#的沖擊性能比1#提高了225 %。柔性的LSSF增強復(fù)合材料強度低但韌性好，當BF和LSSF含量相差不大時，它們之間的混雜界面數(shù)較多，受到?jīng)_擊時吸收的沖擊能也越多[21]。纖維含量低時，纖維從基體中拔出因界面摩擦和產(chǎn)生微裂紋會消耗、吸收外界的能量[22]，且LSSF具有優(yōu)良的塑形形變能力，在沖擊力的作用下，起到應(yīng)力吸收和傳遞的作用，提高復(fù)合材料的沖擊強度。纖維含量過高，纖維在基體中的團聚傾向增強，沖擊韌性下降。

表2 復(fù)合材料的力學性能

2.3 摩擦性能

圖2 不同含量LSSF在摩擦副為Cr15時對復(fù)合材料摩擦學性能的影響Fig.2 The influence of LSSF content on the friction performance with the fricion pair of Cr15

如圖2所示，與未添加LSSF的樣品相比，隨著LSSF的加入使復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損量先降低然后升高。LSSF含量為5 %的復(fù)合材料的摩擦因數(shù)比未添加LSSF的復(fù)合材料降低了23 %，磨損量降低了70 %。因為當LSSF含量較低時，LSSF和BF的交互作用較大，2種纖維與POM基體的結(jié)合性好，協(xié)同減磨效果明顯。復(fù)合材料在摩擦過程中的磨屑有一部分轉(zhuǎn)移到對摩件上，起到潤滑的效果[23]。隨著復(fù)合材料中纖維含量過多，承載纖維增多，纖維與基體的相互作用變差，脫落的磨屑破壞了轉(zhuǎn)移膜的連續(xù)性，使得摩擦系數(shù)和磨損量上升[24]。

2.4 表面形貌分析

在圖3(a)中，當復(fù)合材料只加入BF時，復(fù)合材料表面有明顯的纖維拔出、剝落現(xiàn)象及粒狀脫落物出現(xiàn)。此時，主要由剛性BF承擔載荷，與對偶件直接接觸，拔出的纖維使得表面微凸體增多，磨損量升高，此時復(fù)合材料主要的磨損機理為犁耕和磨粒磨損。從圖3(b)中可以看出，加入的LSSF減少BF暴露且承擔一定載荷，減少材料表面微凸體的數(shù)量，摩擦因數(shù)降低。在摩擦過程中脫落的磨屑含有蠟質(zhì)，磨屑一部分轉(zhuǎn)移到對磨件上，起到潤滑作用，還可以彌補表面劃痕，嵌在基體表面，保護基體免受進一步的磨損[25]。在圖3(c)中，隨著LSSF含量增多，使得復(fù)合材料中的纖維含量超過了一定限度，承擔載荷的纖維數(shù)量大，摩擦劇烈，導致摩擦因數(shù)升高。摩擦越劇烈，摩擦產(chǎn)生熱量越多，磨損表面基體變軟，基體對纖維包覆作用降低，使得纖維大量的剝落，宏觀表現(xiàn)為磨損量的上升，此時復(fù)合材料的主要磨損機理為黏著磨損和磨粒磨損復(fù)合作用。

樣品編號：(a)1# (b)2# (c)5#圖3 不同含量LSSF的復(fù)合材料的磨損表面SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM of worn surfaces of composites with various contents of LSSF

3 結(jié)論

(1)LSSF能提高POM/BF/LSSF復(fù)合材料的熔體流動速率，且隨著LSSF含量的增加出現(xiàn)先增后降的規(guī)律，當LSSF含量為10 %，BF含量為20 %時，復(fù)合材料的流動性能最好，提高了68 %；

(2)當LSSF含量為15 %，BF含量為20 %時，復(fù)合材料的沖擊性能最好，提高了225 %；添加了LSSF復(fù)合材料在拉伸和彎曲性能上均出現(xiàn)不同程度的降低；

(3)LSSF對復(fù)合材料的摩擦磨損性能有一定的改善作用，加入LSSF能明顯降低摩擦因數(shù)，當纖維總量超過一定量時，摩擦因數(shù)呈上升趨勢；當LSSF含量為5 %，BF含量為20 %時，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)降低了22 %，磨損量降低了70 %；

(4)POM/BF復(fù)合材料的磨損機理主要是磨粒磨損；隨著LSSF的加入，復(fù)合材料的磨損主要是黏著磨損；隨著LSSF含量的增多，由黏著磨損轉(zhuǎn)變成黏著磨損和磨粒磨損復(fù)合作用。

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Effect of Lacquer-seed-shell-fiber Content on Mechanical and Tribological Properties of Polyoxymethylene/Basalt Fiber Composites

LIU Junpeng, LONG Chunguang, CHEN Lei, FU Yangwei, XU Keke, DONG Peiran

(School of Automobile and Mechanical Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China)

Polyoxymethylene (POM)/basalt fiber (BF)/lacquer seed shell fiber (LSSF) composites were prepared through a melt blending method, and their mechanical properties, tribological performance and microstructure were investigated. The results indicated that the LSSF and BF were homogenously dispersed in POM matrix with good compatibility. The impact toughness, fluidity and friction performance of the ternary composites are improved in comparison with POM/BF composites. The fluidity of POM/BF/LSSF composites increased by 68 % when 10 wt % of LSSF was added. The impact performance was improved by 225 % with the addition of 15 wt % LSSF. Moreover, the composite showed a reduction in friction coefficient by 23 % and in wear loss by 70 %, respectively, at the LSSF content of 5 wt %. The worn mechanism is attributed to abrasive wear for the composites at low contents of LSSF but to abrasive wear and adhesive wear at the high contents of LSSF.

lacquer seed shell fiber; basalt fiber; polyoxymethylene; tribological performance

2016-11-16

TQ323

B

1001-9278(2017)04-0040-05

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.04.008

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