PE-UHMW/海泡石纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能與摩擦學(xué)性能研究

王 軻，龍春光

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車(chē)與機(jī)械工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004）

0 前言

在高速發(fā)展的工業(yè)領(lǐng)域，高分子復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能與低廉的成本而使用率逐年上漲，“以塑代鋼”已是大勢(shì)所趨。PE-UHMW是一種分子量超過(guò)15×105的熱塑性材料，因優(yōu)異的綜合性能聞名，其耐沖擊性、耐低溫性、耐應(yīng)力開(kāi)裂性、抗黏附能力、自潤(rùn)滑性、耐化學(xué)腐蝕性、無(wú)毒害性等是其他聚合物材料無(wú)法比擬的[1]，因而被廣泛應(yīng)用于軍事、機(jī)械、醫(yī)療和建筑等領(lǐng)域，但其流動(dòng)性差、硬度低、抗磨粒磨損差和耐高溫性能差等缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用范圍。因此，對(duì)PE-UHMW進(jìn)行改性非常重要，改性后其機(jī)械和摩擦學(xué)性能將會(huì)提高，這可以使PE-UHMW在不同的條件下使用以滿足一些特殊要求，為此已有許多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。例如，史鐵軍等[2]采用特殊輥壓和模塑法制備了PE-UHMW/玻璃纖維（GF）復(fù)合材料，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨GF含量的增加而增大；當(dāng)GF含量達(dá)到30%時(shí)，材料的拉伸強(qiáng)度由46.88 kg/cm2增長(zhǎng)到92.16 kg/cm2，比PE-UHMW提高了96.59%。Tong等[3]制備了硅灰石纖維來(lái)填充PE-UHMW，并對(duì)纖維含量及不同改性處理方式對(duì)復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究；結(jié)果表明，當(dāng)硅灰石纖維含量為10%時(shí)，材料的磨損量達(dá)到最小，摩擦學(xué)性能最好；填充經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑改性處理后的硅灰石纖維的復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能與摩擦學(xué)性能。Gogoleva等[4]制備了玄武巖纖維（BF）填充PE-UHMW復(fù)合材料，研究表明當(dāng)BF含量為5%時(shí)，材料的磨損量減小到原來(lái)的0.13%，彈性模量提高了約30%～40%。綜上可以發(fā)現(xiàn)，改善PE-UHMW性能主要通過(guò)纖維增強(qiáng)方式實(shí)現(xiàn)，而在對(duì)環(huán)境保護(hù)要求日益嚴(yán)格的今天，使用環(huán)保材料成為了熱議話題，Sep就是很好的填料選擇。

Sep是一種富鎂硅酸鹽纖維礦物，其結(jié)構(gòu)特殊，能自然分解且無(wú)污染，通常被稱(chēng)為綠色天然礦物纖維；其化學(xué)式為（Si12）（Mg8）O30（OH）4（OH2）48H2O[5]，一般為白色或者淺灰色。Sep儲(chǔ)量豐富，已探明的產(chǎn)量就達(dá)到5×104kt，主要生產(chǎn)地有西班牙、中國(guó)、美國(guó)、土耳其、澳大利亞、俄羅斯、朝鮮、法國(guó)等[6]。因?yàn)楫a(chǎn)量豐富且應(yīng)用廣泛，Sep擁有“軟黃金”稱(chēng)號(hào)。海泡石因其粒徑小、比表面積大、耐磨性高等突出特性，常用來(lái)作為聚合物增強(qiáng)材料，可以增大其與聚合物之間的界面面積和兩相結(jié)合強(qiáng)度。目前，關(guān)于改性Sep作為填料的研究較多[7-13]，如付揚(yáng)威[14]通過(guò)注塑成型制備了聚甲醛/Sep復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)添加5%O-Sep纖維時(shí)，復(fù)合材料的性能得到提升，摩擦因數(shù)與磨損量明顯降低；Lu等[15]制備了聚氨酯脲/Sep復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料熱穩(wěn)定性提高，力學(xué)性能得到改善。在眾多研究中，不難發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)Sep填充增強(qiáng)改性后復(fù)合材料的性能都有所提高，而對(duì)PE-UHMW復(fù)合材料的改性研究卻鮮有報(bào)道。

綜上所述，本文通過(guò)熱壓成型方式制得具有優(yōu)異性能的PE-UHMW/Sep復(fù)合材料，著重研究了其力學(xué)性能與摩擦學(xué)性能，并對(duì)sep改性前后的結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料磨痕表面形貌進(jìn)行了表征，旨在進(jìn)一步提高PE-UHMW的力學(xué)性能與耐磨性，改善PE-UHMW抵抗磨粒磨損能力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PE-UHMW，塞拉尼斯GUR-4150，上海益增塑化有限公司；

Sep，1.7 μm，靈壽縣豐豐礦產(chǎn)品加工廠；

硅烷偶聯(lián)劑，KH550，東莞毅勝化工有限公司；

無(wú)水乙醇，分析純，鄭州派尼化學(xué)試劑廠。

1.2 主要設(shè)備及儀器

平板硫化機(jī)，BL-6170-B，東莞寶輪精密檢測(cè)儀器有限公司；

多功能高速粉碎機(jī)，SL500A，浙江省永康市松青五金工具廠；

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，WDW-100，上海華龍測(cè)試儀器有限公司；

數(shù)顯沖擊試驗(yàn)機(jī)，CBD-7.5，承德精密試驗(yàn)機(jī)有限公司；

高頻往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，MDW-05，濟(jì)南益華摩擦學(xué)測(cè)試技術(shù)有限公司；

SEM，JSM-5600LV，日本JEOL公司；

FTIR，Thermo IN10，賽默飛世爾科技公司。

1.3 樣品制備

O-Sep制備：將質(zhì)量比為72/8/20的無(wú)水乙醇、蒸餾水及KH550依次倒入燒杯混合均勻，靜置0.5 h，得KH550水解溶液；將質(zhì)量比為9/1的無(wú)水乙醇及蒸餾水混合制得醇水溶液；將醇水溶液與KH550水解溶液按質(zhì)量比15/285混合，再向其中加入Sep（KH550質(zhì)量為Sep質(zhì)量的1.5%），超聲波分散0.5 h后置于烘箱于80℃干燥9 h，再放入多功能高速粉碎機(jī)中研磨，得到O-Sep；

PE-UHMW復(fù)合材料制備：分別將質(zhì)量比為2/98、4/96、6/94、8/92、10/90 的 Sep（或 O-Sep）與 PEUHMW混合均勻后放入模具，在平板硫化機(jī)上模壓成型；其中，成型溫度230℃，成型壓力15MPa，保溫時(shí)間10min。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

紅外分析：將1～2 mg粉末試樣和200 mg KBr研細(xì)均勻后置于模具中，在油壓機(jī)上壓成透明薄片，將樣片放入FTIR中測(cè)試，波數(shù)范圍為4 000～500 cm-1，掃描次數(shù)為32次，分辨率為4 cm-1；

力學(xué)性能測(cè)試：按照GB/T 1040.1—2018進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，使用Ⅱ型試樣，拉伸速率為50 mm/min；按照GB/T 9341—2008進(jìn)行彎曲性能測(cè)試，從片材上截取試樣測(cè)試，彎曲速率為1 mm/min；按照GB/T 1043.1—2008進(jìn)行沖擊性能測(cè)試，使用無(wú)缺口試樣，沖擊能量為5 J，沖擊速率為2.9 m/s；

摩擦學(xué)性能測(cè)試：使用高頻往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，對(duì)偶件為鋼球；在干摩擦條件下，在樣品表面施加100 N載荷，保持鋼球往復(fù)頻率為2 Hz對(duì)每組樣品測(cè)試1 800 s；

磨痕形貌分析：對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)樣品磨痕表面進(jìn)行噴金處理后，用SEM觀察其形貌，加速電壓為15 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 Sep纖維改性前后結(jié)構(gòu)分析

改性前后Sep的FTIR譜圖如圖1所示，從圖中可以清楚看到Sep改性前后的特征吸收峰。其中，3 439 cm-1處出現(xiàn)較寬吸收峰，這是由Sep分子中的結(jié)構(gòu)水（—OH）伸縮振動(dòng)引起的；955 cm-1處的峰是由于Si—O—Si鍵伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)引起的[16]；874、626、549 cm-1處的峰是由于Si—O鍵伸縮振動(dòng)引起的。OSep的測(cè)試曲線在2 970、2 908、1 791 cm-1處出現(xiàn)了新的特征峰，其中2 970、2 908 cm-1處特征峰是由甲基（—CH3）和亞甲基（—CH2）拉伸振動(dòng)引起的；1 791 cm-1處特征吸收峰是由羰基（—C=O）伸縮振動(dòng)引起的；此外，1 433 cm-1處特征吸收峰得到明顯加強(qiáng)，進(jìn)一步表明Sep表面接枝了許多硅烷偶聯(lián)劑KH550分子。

圖1 樣品的FTIR譜圖Fig.1 FTIR spectra of the samples

2.2 Sep含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖2為不同Sep、O-Sep含量復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著纖維含量的增加呈先增大后減小趨勢(shì)；當(dāng)纖維含量為6%時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值；Sep及O-Sep含量相同時(shí)，PEUHMW/O-Sep復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度比PE-UHMW/Sep更大；Sep含量為6%的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度為27.6 MPa，比純PE-UHMW提高了21.6%；而O-Sep含量為6%的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度為32.1 MPa，比純PEUHMW提高了41.4%。

圖2 樣品的拉伸性能Fig.2 Tensile property of the samples

圖3為不同Sep、O-Sep含量復(fù)合材料的彎曲性能。從圖中可以看到，纖維含量變化對(duì)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響明顯，隨著纖維含量的增加，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度呈先增后減趨勢(shì)，在纖維含量為6%時(shí)達(dá)到最大，隨后趨于穩(wěn)定；當(dāng)Sep含量為6%時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為153.5 MPa，彎曲模量為119.6 GPa，比純PE-UHMW材料提高了25.5%和69.2%；當(dāng)O-Sep含量達(dá)到6%時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為171.2 MPa，彎曲模量為138.3GPa，比純PE-UHMW提高了40.0%和95.6%。

圖3 樣品的彎曲性能Fig.3 Bending properties of the samples

圖4為不同Sep、O-Sep含量復(fù)合材料的沖擊性能?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著纖維含量的增加，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度先增后減，纖維含量為6%時(shí)復(fù)合材料的沖擊性能最佳；當(dāng)Sep含量為6%時(shí)，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度為16.4 kJ/mm2，比純PE-UHMW材料提高了27.4%；當(dāng)O-Sep含量為6%時(shí)，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度為17.62 kJ/mm2，比純PEUHMW提高了36.9%。

圖4 樣品的沖擊性能Fig.4 Impact property of the samples

復(fù)合材料力學(xué)性能的提高可以歸因于Sep的剛性纖維形態(tài)及相當(dāng)大的界面相互作用，尤其是O-Sep因?yàn)镵H550接枝在Sep纖維表面，與Sep表面的醇羥基產(chǎn)生化學(xué)鍵合，大大增強(qiáng)了其與PE-UHMW的結(jié)合力；當(dāng)復(fù)合材料承受外應(yīng)力時(shí)，其能夠有效吸收部分能量，從而提升材料力學(xué)性能。

2.3 Sep纖維含量對(duì)復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響

2.3.1 復(fù)合材料摩擦因數(shù)及磨損量

圖5為加載100 N時(shí)Sep、O-Sep纖維含量對(duì)復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響。從圖5可以看出，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)先隨纖維含量的增加而增大，在纖維含量為6%時(shí)達(dá)到最大值，然后隨含量的繼續(xù)增加在一定范圍內(nèi)波動(dòng)；同樣地，磨損量先隨纖維含量的增加逐漸降低，在纖維含量為6%時(shí)達(dá)到最低，然后在一定范圍內(nèi)波動(dòng)；值得注意的是，添加6%O-Sep復(fù)合材料的摩擦因數(shù)為0.124，添加等量Sep復(fù)合材料為0.12，純PEUHMW為0.07；PE-UHMW/O-Sep復(fù)合材料的摩擦因數(shù)比PE-UHMW/Sep稍大，與純PE-UHMW相比明顯增大，提高了77.1%；添加6%O-Sep復(fù)合材料的磨損量為0.1 mg，其原因可以歸為以下幾點(diǎn)：首先，Sep的加入使得復(fù)合材料的硬度增大，導(dǎo)致材料表面抵抗塑性變形的能力增強(qiáng)；在摩擦磨損的過(guò)程中，材料產(chǎn)生的塑性變形量減少，材料與摩擦副的實(shí)際接觸面積減小，因此摩擦因數(shù)增大；除此之外，經(jīng)KH550處理之后的Sep會(huì)與材料表面產(chǎn)生共價(jià)鍵，使填料與基體結(jié)合更為緊密，而填料在基體中主要起到支撐的作用，這也會(huì)使得摩擦因數(shù)增大；物體的摩擦因數(shù)通常受到許多因素的影響，例如摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦熱，材料本身的性質(zhì)如表面硬度、制造加工產(chǎn)生的表面粗糙度、復(fù)合材料基體與填料的親合性等，往往得到的是綜合作用下的結(jié)果，因此復(fù)合材料的摩擦因數(shù)達(dá)到最大值后會(huì)產(chǎn)生一定范圍的波動(dòng)[17]，但總體來(lái)說(shuō)，PE-UHMW/O-Sep比PE-UHMW/Sep的摩擦因數(shù)大。

圖5 樣品的摩擦學(xué)性能Fig.5 Tribological properties of the samples

從圖中還可以看到，添加6%O-Sep復(fù)合材料的磨損量為0.1 mg，添加等量Sep復(fù)合材料為0.2 mg，純PE-UHMW為0.5 mg；PE-UHMW/O-Sep的磨損量比PE-UHMW/Sep低了50%，比純PE-UHMW低80%。這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)KH550改性處理之后的填料，其與基體的結(jié)合力增大，充分發(fā)揮了填料的抗磨損性能。

2.3.2 磨損表面形貌觀察

圖6為純PE-UHMW、纖維含量為6%的PEUHMW/Sep及PE-UHMW/O-Sep在加載100 N時(shí)摩擦磨損表面的SEM照片（×500）。由圖6（a）可見(jiàn)，純PE-UHMW磨損表面存在明顯劃痕和少量從基體剝離的顆粒材料，還能看到存在材料剝離又在載荷作用下壓實(shí)成為材料一部分情況，這說(shuō)明純PEUHMW在100 N時(shí)的磨損機(jī)理主要是塑性變形及黏著磨損。當(dāng)加入纖維時(shí)，可以明顯發(fā)現(xiàn)磨痕表面犁溝效應(yīng)變淺甚至消失，顆粒尺寸變小且數(shù)量變少，如圖6（b）和（c）所示。PE-UHMW/Sep磨損表面光滑，存在少量剝離脫落的細(xì)微磨粒，這是因?yàn)镾ep加入到PE-UHMW基體中后，一方面可以提高復(fù)合材料的硬度，使得復(fù)合材料抵抗顆粒犁削的能力增強(qiáng)；另一方面可以明顯減小磨屑顆粒的尺寸，改善PEUHMW復(fù)合材料的黏著磨損，提高其耐磨性能。由圖6（c）可以看到，PE-UHMW/O-Sep復(fù)合材料的磨損表面最為光滑，存在的材料顆粒尺寸最小；另外，可以明顯發(fā)現(xiàn)O-Sep在復(fù)合材料磨損表面分布更為均勻。這是因?yàn)镵H550改性處理一方面可以增強(qiáng)Sep與基體材料間的結(jié)合力，另一方面可以提高填料在基體材料中的分散性；O-Sep纖維在切應(yīng)力和壓應(yīng)力作用下，在復(fù)合材料表面產(chǎn)生富集，減低了剪切力[15]，因而材料的耐磨損性能進(jìn)一步得到提高，綜合性能也因此得到提高。

圖6 樣品摩擦磨損表面的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of wear surface of PE-UHMW and its composites

3 結(jié)論

（1）以Sep或O-Sep作為填料填充PE-UHMW可以明顯改善其力學(xué)性能；其中PE-UHMW/O-Sep復(fù)合材料表現(xiàn)更為優(yōu)異；當(dāng)添加6%O-Sep纖維時(shí)，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度比純PE-UHMW提高了41.4%，彎曲強(qiáng)度提高了40.0%，彎曲模量了提高95.6%，沖擊強(qiáng)度提高了36.9%；

（2）PE-UHMW/Sep及PE-UHMW/O-Sep復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能優(yōu)異，填充Sep或O-Sep會(huì)使復(fù)合材料摩擦因數(shù)增大；纖維含量為6%的PE-UHMW/OSep復(fù)合材料表現(xiàn)最佳，其摩擦因數(shù)比純PE-UHMW增大了77.1%，磨損量降低了80%；

（3）纖維含量為6%的PE-UHMW/O-Sep復(fù)合材料磨痕表面光滑，抵抗磨粒磨損能力得到改善，主要磨損機(jī)理為黏著磨損和輕微磨粒磨損。