添加不同固體潤滑劑橡膠復(fù)合材料的力學(xué)及摩擦磨損性能

陳少華,尹彩流,蒙潔麗,陳 玲,王秀飛,伊春強(qiáng),梁世龍

(1.廣西民族大學(xué)摩擦材料研究所,南寧 530006;2.廣西民族大學(xué),材料與環(huán)境學(xué)院,廣西高校環(huán)境友好材料及碳中和新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與碳中和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南寧 530006;3.北京優(yōu)材百慕航空器材有限公司,北京 100095)

0 引 言

橡膠摩擦帶是波輪洗衣機(jī)離合器中的關(guān)鍵部件,主要用于剎車盤抱緊和松開的相互轉(zhuǎn)換,保證洗衣機(jī)可以在洗滌與脫水之間自動轉(zhuǎn)換以及在人為打開頂蓋的瞬間停止轉(zhuǎn)動,決定了洗衣機(jī)在運(yùn)行過程中的可靠性、安全性和舒適性。摩擦帶在脫水過程中的頻繁制動和緊急制動對材料的耐磨、拉伸強(qiáng)度、硬度、加工等性能提出了更高的要求[1-7]。潤滑劑是一種用于改善材料加工和表觀性能的助劑,可以降低材料在使用過程中的損耗,提高摩擦磨損性能。常用的固體潤滑劑有石墨[8]、石墨烯[9]和二硫化鉬[10]等。對于超高分子量聚四氟乙烯[11]、尼龍和硅脂等有機(jī)潤滑劑,由于在制動產(chǎn)生的高溫作用下易發(fā)生分解,導(dǎo)致潤滑效果降低,因此在一些摩擦復(fù)合材料中的應(yīng)用很少。橡膠基摩擦復(fù)合材料一般在中低速條件下工作,摩擦表面溫度低,為有機(jī)潤滑劑的使用提供了條件。此外,白色減摩劑等新型固體潤滑劑因其可在復(fù)合材料摩擦界面形成穩(wěn)固的摩擦膜,使復(fù)合材料獲得優(yōu)異的摩擦磨損性能,也得到了很大關(guān)注[3]。

作者利用機(jī)械共混法向丁腈橡膠/丁苯橡膠/纖維復(fù)合材料中分別添加了鱗片石墨、超高分子量聚四氟乙烯、尼龍6、硅脂、白色減摩劑,研究了這5種固體潤滑劑對橡膠硫化性能、力學(xué)性能和耐磨性能的影響,分析了其磨損機(jī)理,以期為橡膠基復(fù)合材料在中低速、濕度變化幅度大的環(huán)境中潤滑劑的選擇提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料包括:丁腈橡膠(NBR),蘭州石化分公司,牌號1052M30;1500E丁苯橡膠(SBR),吉林石化分公司,牌號1502;氧化鋅,純度99%,山東德彥化工有限公司;硬脂酸,分析純,山東德彥化工有限公司;硫,分析純,天津市大茂化學(xué)試劑廠;N-環(huán)己基-2-苯并噻唑次磺酰胺(促進(jìn)劑),分析純,北京百靈威科技有限公司;N330炭黑,粒徑150 μm,河北靈巧化工有限公司;纖維素纖維,長度為3～5 mm,靈壽縣俊鐵礦產(chǎn)品加工廠;短切碳纖維,長度為3～5 mm,深圳市圖靈進(jìn)化科技有限公司;短切芳綸纖維,長度為3～5 mm,日本帝人株式會社;短切玄武巖纖維,長度為3～5 mm,深圳市銳利創(chuàng)科技有限公司;短切玻璃纖維,長度為3～5 mm,泰安浩松纖維有限公司;硅酸鋁纖維,長度為3～5 mm,常州市耀邦摩擦材料廠;鱗片石墨(C),粒徑150 μm,靈壽縣二平礦產(chǎn)品加工廠;超高分子量聚四氟乙烯(PTFE),東莞市全能塑膠原料有限公司;尼龍6(PA6),粒徑150 μm,東莞市茂易源塑膠原料有限公司;295-1硅脂(MSG),山東聚能化工有限公司;MN-FBL201白色減摩劑(MN),粒徑 150 μm,銘楠(湖北)新材料科技有限公司;古馬隆樹脂(BT-M),粒徑150 μm,濮陽市凱瑞德石油樹脂有限公司。

按照表1稱取原材料,在中國青島亞東機(jī)械集團(tuán)XK-150 型開煉機(jī)上進(jìn)行一段混煉,開煉時輥筒初始溫度為20～30 ℃,前輥轉(zhuǎn)速為24 r·min-1,后輥轉(zhuǎn)速為33 r·min-1,先加入橡膠塑煉2 min,再加入古馬隆樹脂混煉2 min,加入纖維素纖維、碳纖維和玄武巖纖維的混雜(質(zhì)量比為4…2…1)增強(qiáng)纖維混煉5 min,混煉過程中通水冷卻,控制混煉膠溫度不超過50 ℃。一段混煉膠停放2 h后進(jìn)行二段混煉,開煉時輥筒初始溫度為20～30 ℃,前輥轉(zhuǎn)速為34 r·min-1,后輥轉(zhuǎn)速為43 r·min-1?；鞜? min后加入混合好的N330炭黑、促進(jìn)劑、防老劑、硬脂酸、碳酸鈣晶須、碳酸氫鈉和石墨(海瑞特SHR-10A 高速混合機(jī)中混合2 min,轉(zhuǎn)速為100 r·min-1),混煉3 min后加入硫和促進(jìn)劑,混煉2 min,分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的鱗片石墨、超高分子量聚四氟乙烯、尼龍6、硅脂、白色減摩劑,混煉過程中通冷卻水,控制煉膠溫度不超過50 ℃。二段混煉膠停放24 h后采用XKB-D400×400×1/0.5.MN50T型平板硫化機(jī)進(jìn)行硫化,硫化溫度和時間分別為160 ℃和(tc90+0.5)min,tc90是材料的正硫化時間。根據(jù)GB/T 16584—1996,采用MDR-2000型智能無轉(zhuǎn)子硫化儀測試混煉膠的硫化性能,試樣半徑為1.5 cm,厚度為0.5 cm,硫化溫度為160 ℃。

表1 試驗(yàn)配方

Table 1 Experimental formula

原料NBRSBR古馬隆樹脂增強(qiáng)纖維硫N330炭黑促進(jìn)劑防老劑氧化鋅碳酸氫鈉碳酸鈣晶須硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%14145251141143102

將硫化橡膠壓制成型,擺放在DHG-9146A 型電熱鼓風(fēng)干燥器的中間位置,進(jìn)行固化熱處理,熱處理工藝見圖1,升溫速率為 2 ℃·min-1,固化熱處理結(jié)束后緩慢冷卻至室溫,取出。根據(jù)BS ISO 48-4: 2018,采用LX-A型邵氏硬度計(jì)測試硬度,試樣尺寸為4 cm×4 cm×0.6 cm,測5點(diǎn)取平均值。根據(jù)GB/T 528—2009,測試固化熱處理后硫化橡膠的拉伸強(qiáng)度,試樣長度為(115±0.5) mm、厚度為(2±0.2) mm,拉伸速度為500 mm·min-1,測5 次取平均值。采用MM-1000Ⅲ型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行干/濕摩擦磨損試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為60 ℃,對偶盤為 30CrVMn 合金鋼(硬度為30～37 HRC,尺寸為φ125 mm×φ52 mm×7 mm),試樣尺寸為25 mm×25 mm×12 mm。干摩擦磨損試驗(yàn)測試壓力為0.3,0.6 MPa,轉(zhuǎn)速分別為520,720,920 r·min-1,慣量為0.1 kg·m2;潮濕摩擦磨損試驗(yàn)測試壓力為0.6 MPa,轉(zhuǎn)速為720 r·min-1,慣量為0.1 kg·m2。用吹風(fēng)機(jī)吹掃摩擦磨損試驗(yàn)前后的試樣,冷卻至室溫,稱取質(zhì)量計(jì)算磨損率,公式為

圖1 固化熱處理的溫度和時間Fig.1 Temperature and time of curing heat treatment

對摩擦磨損后試樣進(jìn)行噴金處理,采用ZEISS-18型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨損形貌,測試電壓為5 kV,放大倍數(shù)為100倍。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 硫化性能

由圖2結(jié)合表2可知:潤滑劑為鱗片石墨時,混煉膠的正硫化時間最長,硫化效率最差,這是因?yàn)轺[片石墨具有分層結(jié)構(gòu),阻礙了橡膠與硫磺、促進(jìn)劑的相互作用,降低了交聯(lián)反應(yīng)的速率[12-13];潤滑劑為白色減摩劑時,硫化曲線的斜率最大,即硫化速率最快,這是因?yàn)榘咨珳p摩劑呈粉狀,其與硫磺、促進(jìn)劑等的分布更加均勻,促進(jìn)硫化反應(yīng),但焦燒時間過短,加工安全性降低;潤滑劑為硅脂時,最大轉(zhuǎn)矩與最小轉(zhuǎn)矩之差最小,即混煉膠的交聯(lián)密度最低[14],這是因?yàn)榱蚧瘎┰诠柚腥芙舛雀?消耗迅速,最后導(dǎo)致復(fù)合材料整體交聯(lián)不足,其余4種固體潤滑劑對交聯(lián)密度的影響很小。潤滑劑為超高分子量聚四氟乙烯時,混煉膠的正硫化時間較短,交聯(lián)密度最高,焦燒時間適中,故其綜合硫化性能最佳。

表2 添加不同固體潤滑劑混煉膠的硫化性能

圖2 添加不同固體潤滑劑混煉膠的硫化曲線Fig.2 Vulcanization curves of rubber compounds with different solid lubricants

2.2 力學(xué)性能

由表3可知:潤滑劑為鱗片石墨時,復(fù)合材料的邵氏硬度和拉伸強(qiáng)度最大,分別為88.4 HA和11.8 MPa;潤滑劑為硅脂時,復(fù)合材料的邵氏硬度,拉伸強(qiáng)度最小。鱗片石墨的硬度高于其他潤滑劑,并且對分子鏈的運(yùn)動具有一定的阻礙和束縛作用,因此提高了復(fù)合材料的硬度和拉伸強(qiáng)度。添加白色減摩劑時復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度相比添加硅脂時有所提高。這是因?yàn)榘咨珳p摩劑中含有的三氧化鋁具有補(bǔ)強(qiáng)作用[15-16],并且其顆粒為納米水平,有助于并用膠間更好結(jié)合,也會提高材料的拉伸強(qiáng)度[17-18]。

表3 添加不同固體潤滑劑復(fù)合材料的力學(xué)性能

2.3 耐磨性能

由圖3可見:在不同轉(zhuǎn)速下,潤滑劑為超高分子量聚四氟乙烯時,復(fù)合材料的動摩擦因數(shù)均最小,為0.27～0.29,動摩擦因數(shù)穩(wěn)定度波動幅度最低,為2%;潤滑劑為白色減磨劑時,復(fù)合材料的動摩擦因數(shù)最大,動摩擦因數(shù)穩(wěn)定性波動幅度(4%)最高。在轉(zhuǎn)速720 r·min-1下,潤滑劑為鱗片石墨、超高分子量聚四氟乙烯、 尼龍6、 硅脂、白色減摩劑的復(fù)合材料的磨損率分別為2.3×10-7,1.4×10-7,1.7×10-7,3.8×10-7,2.1×10-7g·J-1。潤滑劑為超高分子量聚四氟乙烯的復(fù)合材料的磨損率最低。這是因?yàn)槌叻肿恿烤鬯姆蚁┚哂辛己玫臐櫥院团c橡膠的相容性,可以在基體中均勻分散并與之結(jié)合形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),而且在摩擦過程中超高分子量聚四氟乙烯被釋放到摩擦表面,能夠起到持續(xù)潤滑的作用。潤滑劑為硅脂時,復(fù)合材料磨損率最高,這是因?yàn)楣柚挠捕群头兜氯A力很低。潤滑劑為白色減摩劑的復(fù)合材料動摩擦因數(shù)最高,但其磨損率較低,這是因?yàn)榘咨珳p摩劑本身的硬度為2.0～3.5 HM,能夠提高復(fù)合材料的硬度,且粒徑小,為納米尺寸,可以增加界面分子間力,而且含有的三氧化鋁補(bǔ)強(qiáng)了原本的炭黑增強(qiáng)體,最終使得磨損率下降。

圖3 在不同轉(zhuǎn)速、壓力0.3 MPa下添加不同固體潤滑劑復(fù)合材料的動摩擦因數(shù)以及動摩擦因數(shù)穩(wěn)定度Fig.3 Dynamic friction factor (a) and dynamic friction factor stability (b) of composites with different solid lubricants under different rotational speeds and 0.3 MPa pressure

由表4可見:在壓力0.6 MPa、轉(zhuǎn)速720 r·min-1下,潤滑劑為超高分子量聚四氟乙烯的復(fù)合材料在干/濕環(huán)境下動摩擦因數(shù)差值最小,這是因?yàn)槌叻肿恿烤鬯姆蚁┍旧淼臐櫥院芎?加入后,硫化劑與發(fā)泡劑均勻擴(kuò)散,形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)使材料能在干燥/潮濕環(huán)境的轉(zhuǎn)換中保持性能穩(wěn)定。

表4 在壓力0.6 MPa,轉(zhuǎn)速720 r·min-1下添加不同固體潤滑劑復(fù)合材料在干/濕環(huán)境中的動摩擦因數(shù)

與30CrVMn合金鋼相對滑動時,由于橡膠基復(fù)合材料表面彈性較高,與對磨面發(fā)生黏著,會在摩擦表面形成舌狀物,如此往復(fù),在橡膠材料內(nèi)部產(chǎn)生的疲勞與瞬間拉應(yīng)力的作用下橡膠表面會生成舌狀斷裂,形成山脊?fàn)畎呒y[18-19]。實(shí)際過程中雖然細(xì)小磨粒等顆粒的存在會產(chǎn)生磨粒磨損,但橡膠的磨損以黏著磨損為主。由圖4可知:潤滑劑為鱗片石墨的復(fù)合材料摩擦表面上形成的摩擦膜少、不致密,部分纖維出現(xiàn)外露;潤滑劑為超高分子量聚四氟乙烯的復(fù)合材料出現(xiàn)平坦表面,沒有明顯的溝壑,形成致密的摩擦膜[20],且出現(xiàn)脊?fàn)顦?biāo)記[21];潤滑劑為尼龍的復(fù)合材料表面裂紋明顯,摩擦膜出現(xiàn)剝落現(xiàn)象;潤滑劑為硅脂和白色減摩劑的復(fù)合材料表面纖維暴露,隨摩擦發(fā)生脫落。

圖4 在壓力0.3 MPa,轉(zhuǎn)速720 r·min-1下添加不同固體潤滑劑復(fù)合材料的磨損形貌Fig.4 Wear morphology of composites with different solid lubricants under 0.3 MPa pressure and 720 r·min-1 rotalional speed

3 結(jié) 論

(1) 添加超高分子量聚四氟乙烯潤滑劑提高了橡膠的硫化速率和交聯(lián)密度,且焦燒時間適當(dāng),橡膠材料的綜合硫化性能最佳。

(2) 潤滑劑為鱗片石墨時,橡膠復(fù)合材料的邵氏硬度和拉伸強(qiáng)度最大,分別為88.4 HA和11.8 MPa;潤滑劑為硅脂時,復(fù)合材料的邵氏硬度,拉伸強(qiáng)度最小。

(3) 潤滑劑為超高分子量聚四氟乙烯時,復(fù)合材料的動摩擦因數(shù)、動摩擦因數(shù)穩(wěn)定度波動幅度、磨損率、干/濕環(huán)境下動摩擦因數(shù)差值最低,分別為0.27～0.29,2%,1.4×10-7g·J-1,0.01,耐磨性能和干濕環(huán)境交替時的性能穩(wěn)定性最佳;復(fù)合材料磨損表面平坦,出現(xiàn)脊?fàn)顦?biāo)記,形成了致密的摩擦膜,磨損機(jī)理主要是黏著磨損。