石墨和玻纖共摻雜增強(qiáng)聚苯硫醚/聚酰胺酰亞胺共混材料性能

宋 蕾， 曲 敏 杰， 岳 守 兆， 張 桂 霞

( 大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院， 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

聚苯硫醚(PPS)是一種新型高性能熱塑性樹脂，由于其高度的結(jié)晶性，因此具有優(yōu)越的耐磨性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性、物理機(jī)械性能等特點(diǎn)。同時(shí)由于PPS的脆性大、沖擊強(qiáng)度較低的缺點(diǎn)，限制了其適用范圍，降低了實(shí)用性[1-2]。聚酰胺酰亞胺(PAI)是非結(jié)晶性熱塑性樹脂，具有優(yōu)良的韌性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性、抗蠕變性，耐輻射性和化學(xué)穩(wěn)定性[3]。PAI耐磨性好，力學(xué)性能好，但價(jià)格高；PPS成本低，但不耐磨，性脆。因此制備PPS/PAI共混材料，同時(shí)具有耐磨且價(jià)格低廉的特點(diǎn)。PPS/PAI共混材料可以作為滿足實(shí)際使用需求的高性能油桿扶正器材料來使用。油桿在油管內(nèi)上下活動(dòng)，由于油桿的彈性變形，桿和油管壁容易產(chǎn)生摩擦，油桿容易斷脫，因此作為油桿扶正器材料需要良好的耐磨性[4]。由于油桿扶正器使用過程中的實(shí)際需求，對(duì)油桿扶正器材料的力學(xué)及摩擦性能提出了較高的要求[5-6]。

在課題組前期PPS/PAI/CF復(fù)合材料摩擦磨損性能的研究的基礎(chǔ)上[7-8]，進(jìn)一步研究了摻雜石墨及玻纖對(duì)PPS/PAI共混材料的力學(xué)及摩擦性能的影響。本實(shí)驗(yàn)通過摻雜石墨和短切玻纖改性PPS/PAI共混材料，對(duì)石墨及玻纖摻雜的PPS/PAI共混材料的摩擦磨損性能、力學(xué)性能及表面形貌進(jìn)行了分析，以期能降低材料的摩擦系數(shù)及磨損量，提高耐磨性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

聚苯硫醚(PPS30)：密度，1.32 g/cm3；收縮率，0.90%～0.99%；熔點(diǎn)，280～290 ℃；吸水率，0.03%；拉伸強(qiáng)度，170 MPa；彎曲模量，3.8 GPa；氧指數(shù)，46～53。聚酰胺酰亞胺：200目；密度，1.42 g/cm3；收縮率，0.60%～0.85%；熱變形溫度，278 ℃；吸水率，0.33%；拉伸強(qiáng)度，241 MPa；彎曲模量，5.03 GPa。短切玻纖：纖維直徑，9～13 μm；含水率，0.1%；短切長(zhǎng)度，6 mm。膠體石墨粉劑，3 500目。

1.2 設(shè) 備

MM-200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，JSM-460LV型掃描電子顯微鏡，UJ-40型懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，RGT-5型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)。

1.3 樣品制備

向質(zhì)量比40∶60的PPS/PAI基體中分別摻入5%、10%、15%、20%的石墨和10%、20%、30%、40%的玻纖，常溫下在高速混合機(jī)中混合30 min，在平板硫化機(jī)上冷壓成型，在馬弗爐中360 ℃燒結(jié)60 min，在10 MPa的條件下模壓10 min，冷卻24 h，裁樣。

1.4 性能測(cè)試

對(duì)樣品進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試，按GB/T 3960—1983測(cè)試摩擦副和樣品在摩擦實(shí)驗(yàn)前都用800#水砂紙磨光，丙酮清洗，稱量磨損的質(zhì)量損失，3次測(cè)量取平均值[9-11]。

將摩擦測(cè)試后的樣品經(jīng)過丙酮清洗污漬(斷面經(jīng)過液氮脆斷)，摩擦面(斷面)鍍金，采用掃描電鏡觀測(cè)試樣的摩擦面形貌。

N2保護(hù)條件下，以10 ℃/min從50 ℃升至700 ℃，對(duì)共混體系進(jìn)行熱重分析。

拉伸強(qiáng)度按GB/T 1040—1992 (150 mm×10 mm×4 mm)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。缺口沖擊強(qiáng)度按GB/T 1843—1996進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨和玻纖對(duì)PPS/PAI共混材料力學(xué)性能的影響

2.1.1 石墨對(duì)PPS/PAI共混材料力學(xué)性能的影響

如圖1所示，CB/PPS/PAI共混材料的沖擊強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度基本上隨石墨添加量的增加而減小。石墨添加量為5%時(shí)，PPS/PAI共混材料的沖擊強(qiáng)度從4.5 kJ/m2降至3.8 kJ/m2，降幅達(dá)16%。石墨添加量為20%時(shí)，沖擊強(qiáng)度降至2.1 kJ/m2，降幅達(dá)54%。石墨添加量小于5%時(shí)，共混材料的拉伸性能略有提升，最高提升8%。但隨著石墨添加量的進(jìn)一步增加，共混材料的拉伸強(qiáng)度急速下降，石墨添加量為20%時(shí)，拉伸強(qiáng)度降幅達(dá)37%。

圖1 不同石墨添加量的CB/PPS/PAI共混材料的力學(xué)性能

Fig.1 The mechanical property curves of CB/PPS/PAI composite materials with different adding amount of CB

CB/PPS/PAI共混材料摩擦斷面的SEM照片如圖2所示。石墨添加量小于5%時(shí)，石墨在基體間均勻分散，有效阻止了沿著受力方向的基體樹脂大分子的伸展，微觀形變小。而當(dāng)石墨添加量大于20%時(shí)，與基體樹脂兼容不好，石墨無法均勻分散，石墨粒子以“抱團(tuán)”形式聚集，大量的“空穴”在石墨粒子周圍存在，應(yīng)力集中點(diǎn)增多，共混材料的機(jī)械性能明顯下降。由圖1、2可以看出，CB/PPS/PAI共混材料的石墨添加量為5%時(shí)，為最佳添加量。

(a)w(CB)=5%

(b)w(CB)=20%

圖2 CB/PPS/PAI共混材料摩擦斷面SEM照片

Fig.2 SEM photos of cross section of CB/PPS/PAI composite materials

2.1.2 玻纖對(duì)PPS/PAI共混材料力學(xué)性能的影響

如圖3所示，GF/PPS/PAI共混材料的沖擊強(qiáng)度曲線隨著玻纖添加量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，玻纖添加量為20%時(shí)，共混材料的沖擊性能達(dá)到最大值5.7 kJ/m2；與PPS/PAI共混材料相比，升幅達(dá)27%。GF/PPS/PAI共混材料的拉伸強(qiáng)度曲線也表現(xiàn)為單峰曲線，玻纖添加量為30%時(shí)達(dá)到最大值96 MPa，與PPS/PAI相比，增幅達(dá)60%。

圖3 GF/PPS/PAI共混材料的力學(xué)性能

玻纖能夠明顯地改善PPS/PAI共混材料的力學(xué)性能是由于其起到了承載應(yīng)力、連接樹脂基體的作用。但玻纖添加量大于30%時(shí)，GF/PPS/PAI共混材料的沖擊強(qiáng)度及拉伸性能均有不同程度的降低，推測(cè)是由于樹脂基體起到了連接玻纖增強(qiáng)相和傳遞應(yīng)力的作用。玻纖添加量過高時(shí)，應(yīng)力集中點(diǎn)產(chǎn)生于短切玻纖的兩端，促進(jìn)銀紋乃至裂紋的產(chǎn)生，因此GF/PPS/PAI共混材料的力學(xué)性能下降。綜合考慮，玻纖的添加量維持在20%時(shí)最佳。

2.2 石墨和玻纖對(duì)PPS/PAI共混材料摩擦性能的影響

2.2.1 石墨對(duì)PPS/PAI共混材料摩擦性能的影響

如圖4所示，CB/PPS/PAI共混材料的摩擦系數(shù)隨石墨添加量的增加而快速下降。PPS/PAI共混材料的磨損量隨石墨添加量的升高先下降后升高。當(dāng)石墨添加量達(dá)到10%時(shí)，磨損量達(dá)到最低值0.012 g/h。而后隨石墨添加量的增加，磨損量上升至0. 032 g/h，增幅達(dá)160%。

圖4 石墨添加量對(duì)共混材料摩擦磨損的影響

石墨具有優(yōu)良的自潤(rùn)滑性質(zhì)，所以在PPS/PAI共混材料中加入石墨后，摩擦系數(shù)大幅下降，可能是石墨本身的層狀結(jié)構(gòu)起到了降低摩擦系數(shù)以及減少磨損量的作用。當(dāng)石墨添加量大于10%時(shí)，由于石墨與樹脂基體的結(jié)合性能較差，分散度低，容易團(tuán)聚，產(chǎn)生摩擦?xí)r，石墨大量脫落，導(dǎo)致磨損量大幅上升。

石墨摻雜PPS/PAI共混材料摩擦斷面的SEM照片如圖5所示。當(dāng)石墨添加量為5%時(shí)(圖5(a))，CB/PPS/PAI共混材料摩擦面光滑，劃痕少；石墨添加量為20%時(shí)，CB/PPS/PAI共混材料摩擦面粗糙，劃痕增多。石墨添加量小于5%時(shí)，石墨分散度高，磨損過程中CB/PPS/PAI共混材料呈現(xiàn)的細(xì)小脫落，此時(shí)是以黏著磨損以及“犁溝”效應(yīng)為主的磨損。隨著石墨添加量逐漸增大，石墨的自潤(rùn)滑效果逐漸增強(qiáng)，在滑動(dòng)過程中轉(zhuǎn)移到對(duì)磨金屬面上，填平金屬表面凸起間的空隙，導(dǎo)致金屬表面趨近平整。

當(dāng)石墨添加量為20%時(shí)(圖5(b))，剝落現(xiàn)象在磨損表面明顯出現(xiàn)。石墨添加量過高，難以分散，容易積聚產(chǎn)生“抱團(tuán)”現(xiàn)象，而且石墨和樹脂基體間的相容性較差，因此導(dǎo)致應(yīng)力集中點(diǎn)多，力學(xué)性能差。在磨損時(shí)由于受法相切應(yīng)力的作用，CB/PPS/PAI共混材料不能很好地承擔(dān)載荷，因此易產(chǎn)生鱗片狀脫落，磨損量大幅上升。由圖4、5可以得出，石墨添加量應(yīng)控制在5%～10%。

(a)w(CB)=5%

(b)w(CB)=20%

圖5 CB/PPS/PAI共混材料摩擦斷面的SEM照片

Fig.5 SEM photos of friction surface of CB/PPS/PAI composite materials

2.2.2 玻纖對(duì)PPS/PAI共混材料摩擦性能的影響

如圖6所示，GF/PPS/PAI共混材料的摩擦系數(shù)呈先下降后趨于平緩的趨勢(shì)，當(dāng)玻纖添加量為20%時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到最小值0.27，與PPS/PAI相比，降幅達(dá)30%。當(dāng)玻纖添加量在20%～40%時(shí)，GF/PPS/PAI共混材料的摩擦系數(shù)略有上升，摩擦系數(shù)最高達(dá)到0.29，上升幅度小于8%。GF/PPS/PAI共混材料的磨損量呈現(xiàn)下降后上升的趨勢(shì)。與PPS/PAI的0.019 g/h相比，玻纖添加量20%時(shí)，GF/PPS/PAI共混材料降到0.011 g/h，降幅達(dá)50%。

圖6 GF/PPS/PAI共混材料摩擦磨損性能

如圖7所示，當(dāng)玻纖添加量為20%時(shí)(圖7(a))，有很多溝壑，實(shí)際的摩擦接觸面積與理論的相比小很多，這個(gè)是“犁”的作用和玻纖有效承擔(dān)摩擦載荷的最好證明。玻纖添加量為40%時(shí)(圖7(b))，共混材料在摩擦過程呈塊狀脫落，主要是由于玻纖添加量過高時(shí)，難以在基體中分散和黏著，摩擦過程易被拔出，導(dǎo)致脫落。

從圖6、7可知，當(dāng)玻纖添加量為20%時(shí)，材料磨損和摩擦系數(shù)均較小。因此控制玻纖的添加量為20%，能得到摩擦性能較好的材料。

(a)w(GF)=20%

(b)w(GF)=40%

圖7 GF/PPS/PAI共混材料的摩擦面SEM照片

Fig.7 SEM photos of friction surface of GF/PPS/PAI composites

2.2.3 石墨和玻纖共同摻雜對(duì)PPS/PAI共混材料摩擦性能的影響

如圖8所示，在玻纖添加量為20%時(shí)，混入不同比例的石墨制備GF/CB/PPS/PAI共混材料并測(cè)試摩擦磨損性能。當(dāng)石墨添加量超過10%時(shí)，由于其多層的結(jié)構(gòu)和石墨的“團(tuán)聚”作用，使得GF/CB/PPS/PAI共混材料的力學(xué)性能和硬度均下降，材料承載的能力下降，樹脂、纖維、石墨的黏合差，在摩擦過程中，纖維易被拔出。磨損機(jī)理主要為磨粒磨損并同時(shí)伴隨疲勞磨損，因此摩擦系數(shù)大，磨損嚴(yán)重。

圖8 石墨添加量對(duì)GF/CB/PPS/PAI共混材料摩擦系數(shù)和磨損量的影響

Fig.8 Effect of graphite contents on friction and wear properties of GF/CB/PPS/PAI composites

如圖9所示，石墨添加量為5%(圖9(a))時(shí)，摩擦面較光滑，有大量的溝壑形成，主要是由于玻纖的“犁耕”作用；石墨添加量為15%(圖9(b))時(shí)，摩擦面有大量的凸出纖維，大量石墨的加入影響了共混材料樹脂和填料的黏合，同時(shí)石墨自身也容易積聚。

(a)w(CB)=5%

(b)w(CB)=15%

圖9 GF/CB/PPS/PAI共混材料的摩擦面SEM照片

Fig.9 SEM photos of friction surface of GF/CB/PPS/PAI composites

由圖8、9可知，當(dāng)石墨和玻纖添加量分別為10%和20%時(shí)，得到的GF/CB/PPS/PAI共混材料綜合性能最佳。

3 結(jié) 論

隨著石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上升，CB/PPS/PAI共混材料的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度下降。石墨添加量為5%～10%時(shí)，共混材料的力學(xué)性能總體較好；GF/PPS/PAI共混材料的沖擊和拉伸性能都是隨著玻纖添加量的增加先升后降，玻纖的加入可以明顯改善共混材料力學(xué)性能，玻纖在共混材料中起承載應(yīng)力、連接基體作用。綜合考慮，玻纖添加量為20%～30%共混材料的力學(xué)性能最佳。

CB/PPS/PAI共混材料摩擦系數(shù)隨著石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而下降，摩擦性質(zhì)得到改善。主要是由于石墨的層狀結(jié)構(gòu)使共混材料可以在表面形成轉(zhuǎn)移膜，從而達(dá)到改善摩擦性能的目的。共混材料的磨損量隨著石墨添加量的增加先下降后上升，在石墨添加量為10%時(shí)達(dá)到最低值。適當(dāng)添加玻纖能有效地降低復(fù)合材料的摩擦磨損，磨損量隨著GF的添加量先下降后上升，GF添加量為20%時(shí)，降為最低值0.011 g/h，降幅達(dá)50%；摩擦系數(shù)隨著GF添加量的增加先下降后呈現(xiàn)平緩，當(dāng)GF的添加量為20%時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到最低值0.27，降幅達(dá)30%。

綜合考慮石墨和玻纖對(duì)PPS/PAI共混材料力學(xué)及摩擦性能的影響，添加10%的石墨與20%的玻纖，得到的PPS/PAI共混材料性能最佳。