帶式輸送機(jī)托輥用鑄型尼龍復(fù)合材料力學(xué)性能研究

李 暉

（晉能控股裝備制造集團(tuán)寺河煤礦二號(hào)井，山西 晉城 048000）

本文采用澆鑄方法制備了鑄型尼龍復(fù)合材料，并對(duì)鑄型尼龍復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試[1-2]。

1 實(shí)驗(yàn)材料的合成制備

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

單體：己內(nèi)酰胺；

催化劑：氫氧化鈉；

活化劑：甲苯二異氰酸酯（MDI）；

填料：膠體石墨；

碳纖維：直徑7 μm，長(zhǎng)度0.5～2 mm、1～2 mm兩種；

微膠囊化紅磷：1000 目。

1.2 鑄型尼龍復(fù)合材料的合成方法

鑄型尼龍復(fù)合材料采用自制陰離子催化聚合成型裝置，制備阻燃抗靜電鑄型尼龍復(fù)合材料。制備工藝為手工澆注，工藝過(guò)程如下：

（1）模具預(yù)熱。

（2）混料。按表1 配方混合單體己內(nèi)酰胺、石墨，磨碎碳纖維，微膠囊化紅磷，加入反應(yīng)釜內(nèi)抽真空加熱。抽真空沸騰不低于15 min 后，加NaOH 抽真空沸騰不低于10 min。活性料在抽真空過(guò)程中，保持料溫（140±5）℃。活性料制備好后，解除真空加MDI，快速搖勻后倒入模具內(nèi)進(jìn)行澆鑄，加與模具一同預(yù)熱的模蓋。

表1 鑄型尼龍復(fù)合材料制備配方

（3）隨爐冷卻后備用，加工成所需試樣。

2 力學(xué)性能測(cè)定

2.1 拉伸性能

鑄型尼龍復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)在WDW-20型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上完成。試驗(yàn)參照《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》（GB/T 1447-2005）進(jìn)行，試樣型式為Ⅰ型，連續(xù)加載，加載速度5 mm/min。試驗(yàn)過(guò)程中記錄拉伸應(yīng)力的變化并繪制拉伸曲線，試驗(yàn)后以試驗(yàn)的最大拉力值計(jì)算出拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率并分析拉伸曲線的變化規(guī)律。

圖1 為純鑄型尼龍材料的拉伸應(yīng)力曲線。可以看出，拉伸應(yīng)力曲線是較標(biāo)準(zhǔn)的塑性材料拉伸應(yīng)力曲線，有一定的屈服過(guò)程，但屈服強(qiáng)度值和抗拉強(qiáng)度值差距不大。過(guò)了屈服階段，拉應(yīng)力值變化不大。

圖1 純鑄型尼龍材料拉伸應(yīng)力曲線

圖2 為由不同添加量、不同長(zhǎng)度的磨碎碳纖維合成的鑄型尼龍復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力曲線。由圖可知，曲線的變化趨勢(shì)是拉應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而增大，增大的速率逐漸減慢直至斷裂，并且曲線的整體變化過(guò)程未出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象，與純鑄型尼龍材料有明顯不同。

圖2 鑄型尼龍復(fù)合材料拉伸應(yīng)力曲線

圖3 為鑄型尼龍復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著添加的磨碎碳纖維含量不同而變化的曲線。圖中的2 條曲線，位于上方的是添加長(zhǎng)度為0.5～2 mm 磨碎碳纖維的鑄型尼龍復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度曲線，下方的是添加長(zhǎng)度為1～2 mm 磨碎碳纖維的鑄型尼龍復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度曲線?？梢钥闯?，添加0.5～2 mm磨碎碳纖維的鑄型尼龍復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度高于添加1～2 mm 磨碎碳纖維的鑄型尼龍復(fù)合材料。上方的曲線先上升后略有下降；下方曲線略有上升，且相比于下方曲線，上方曲線上升的抗拉強(qiáng)度值幅度較大。由于0.5～2 mm 磨碎碳纖維在熔融態(tài)的基體內(nèi)無(wú)方向性分散，長(zhǎng)度較短，分散性更好，充分分散使得磨碎碳纖維與基體結(jié)合緊密，粘著力強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)。相比之下，1～2 mm 的短切碳纖維在基體內(nèi)長(zhǎng)度相對(duì)長(zhǎng)，相同質(zhì)量下數(shù)量較少，受到基體與表面的摩擦約束大等情況，使得在宏觀表現(xiàn)上抗拉強(qiáng)度較添加0.5～2 mm 磨碎碳纖維的材料抗拉強(qiáng)度低。隨著碳纖維含量的增加，基體與碳纖維接觸增多，界面間結(jié)合力增加，抗拉強(qiáng)度增加。碳纖維增加超過(guò)一定量，過(guò)多的碳纖維在基體內(nèi)分散困難，基體內(nèi)的空氣等不易排出，粘著力下降，增強(qiáng)效果減弱，甚至?xí)鸬椒醋饔谩?/p>

圖3 拉伸強(qiáng)度隨碳纖維添加量變化曲線

圖4 為鑄型尼龍復(fù)合材料斷口形貌，可以看出磨碎碳纖維在聚酰胺基體內(nèi)的形態(tài)和分散情況。從整體來(lái)看，磨碎碳纖維在基體內(nèi)呈無(wú)規(guī)則散亂分布，試樣斷裂，有的磨碎碳纖維從基體內(nèi)被全部或部分抽拔出來(lái)，在基體上留下空洞；有的是磨碎碳纖維的自身斷裂。從（a）到（c），隨著磨碎碳纖維的添加量增大，在基體內(nèi)分布的磨碎碳纖維量增大，磨碎碳纖維自身承受外力的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)越發(fā)明顯。在試樣破壞過(guò)程中，磨碎碳纖維與基體共同抵抗外載荷，直到斷裂或被抽拔出來(lái)失效。隨著碳纖維的含量增加，磨碎碳纖維的分散難度也在增加。適當(dāng)增加含量2%～3%，磨碎碳纖維在基體內(nèi)分散更充分均勻，與基體間接觸充分，相互作用力增加，抵御外載荷能力增強(qiáng)；繼續(xù)增加碳纖維含量3%～4%，可以看到磨碎碳纖維在基體內(nèi)分散密集，甚至相互間纏繞、重疊。這樣的情況下過(guò)分的纏繞重疊會(huì)造成磨碎碳纖維與基體間結(jié)合力減弱，抗外載荷能力降低，更容易破壞。

圖4 鑄型尼龍復(fù)合材料斷口形貌

2.2 壓縮強(qiáng)度

鑄型尼龍復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)也是在WDW-20 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上完成的。試驗(yàn)參照國(guó)標(biāo)《纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》（GB/T 1448-2005）進(jìn)行，試樣型式為Ⅰ型，連續(xù)加載，加載速度為2 mm/min。試驗(yàn)過(guò)程中記錄壓力的變化并繪制壓縮曲線，試驗(yàn)后以試驗(yàn)的最大破壞載荷值計(jì)算壓縮強(qiáng)度并分析壓縮曲線的變化規(guī)律。

表2 為填充不同含量磨碎碳纖維的鑄型尼龍復(fù)合材料壓縮屈服強(qiáng)度?？梢钥闯稣w趨勢(shì)是屈服強(qiáng)度隨著碳纖維的填充量增大而增大，0.5～2 mm 的磨碎碳纖維比1～2 mm 的短切碳纖維增大速率快。添加的碳纖維本身均具有承受載荷的能力，在合成聚合物過(guò)程中與基體很好地融合在一體，增強(qiáng)內(nèi)在的作用力，宏觀上表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度的提高。由于0.5～2 mm 的磨碎碳纖維比1～2 mm 的短切碳纖維長(zhǎng)度短，在熔融狀態(tài)下更易分散，流動(dòng)性更好，能夠更好地與基體融合，有更強(qiáng)的分子間作用力，所以整體上添加0.5 mm 的磨碎碳纖維試樣的壓縮屈服強(qiáng)度比1～2 mm 短切碳纖維的壓縮屈服強(qiáng)度高。

表2 鑄型尼龍材料的壓縮屈服強(qiáng)度表

3 結(jié)論

隨著碳纖維填充量的增加，鑄型尼龍復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度先提高再降低。當(dāng)碳纖維填充量超過(guò)一定量后，纖維之間的連接和纏繞可在一定程度上提高復(fù)合材料的拉伸和沖擊強(qiáng)度。將改性后的鑄型尼龍復(fù)合材料用于帶式輸送機(jī)托輥，力學(xué)性能滿足要求。