硅納米材料與玻璃纖維混雜填充PA6復合材料的摩擦磨損性能研究

張 靜,姚昊萍,楊和梅

(南京農業大學工學院,江蘇南京210031)

硅納米材料與玻璃纖維混雜填充PA6復合材料的摩擦磨損性能研究

張 靜,姚昊萍,楊和梅

(南京農業大學工學院,江蘇南京210031)

采用MM-200型摩擦磨損試驗機對在干摩擦條件下3種硅納米材料(納米SiC、SiO2及Si3N4)與玻璃纖維混雜填充聚酰胺6(PA6)復合材料與45#鋼對磨時的摩擦磨損性能進行了研究,并采用掃描電子顯微鏡對復合材料的磨損表面進行了觀察。結果表明,3種硅納米材料都能減小復合材料的摩擦因數,其中以納米SiO2與玻璃纖維混雜效果最佳,納米SiC、SiO2及Si3N4的最佳含量分別為3%、5%和3%。納米SiO2和納米Si3N4能夠提高復合材料的耐磨性,而納米SiC會導致復合材料的磨損量增大。

聚酰胺6;硅納米材料;玻璃纖維;復合材料;摩擦磨損性能

0 前言

隨著高分子材料工業的迅速發展及其應用領域的不斷擴大,人們對高分子材料的使用性能提出了更高的要求,采用均一聚合物生產的制品已難以滿足實際的應用需要。為了滿足不同用途,賦予高分子材料新的功能,對其進行改性是一種行之有效的方法,受到了廣大學者和工業界的普遍重視。

在眾多改性方法中,填充改性是一種簡單有效的方法,既可保持填料的優點,又可利用復合效應大幅度提高復合材料的性能,還能降低材料的成本[1-5]。隨著納米技術的快速發展,利用納米材料來填充改性聚合物已成為研究熱點。現有的研究大多集中在利用一種材料填充改性聚合物,而利用多種填料,特別是納米粒子和玻璃纖維混合填充聚合物的研究報道較少。在這方面開展研究工作,不僅可以豐富聚合物改性力學和摩擦學理論,還可以制備性能優良的復合材料,為“以塑代鋼”提供經驗積累和理論指導,是未來改性聚合物的發展方向。

在現有聚合物中,PA是應用較廣泛的一類工程塑料,其產量約占工程塑料總產量的1/3。由于 PA具有優異的綜合性能,是聚合物中“以塑代鋼”的理想產品。本文以PA6為基體,以玻璃纖維和硅納米材料混雜作為填充改性材料,分析并比較了填料對復合材料摩擦磨損性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PA6,上海信錦物質有限公司;

納米SiC,灰色粉末,平均粒徑小于50 nm,純度大于99.09%,合肥開爾納米技術發展有限公司;

納米Si3N4,淺褐色粉末,平均粒徑為 100 nm,純度大于99.1%,合肥開爾納米技術發展有限公司;

納米SiO2,白色粉末,平均粒徑為60 nm,純度為99%,南京海泰納米有限公司;

短玻璃纖維(GF),平均直徑為8～13μm,平均長度為80μm,南京玻璃纖維研究設計院。

1.2 主要設備及儀器

摩擦磨損試驗機,MM-200,宣化材料試驗機廠;

掃描電子顯微鏡,JSM-6300,日本J EOL株式會社。

1.3 試樣制備

將質量分數分別為1%、3%、5%的硅納米材料與20%的玻璃纖維一起加入到 PA6中,混合均勻,采用雙螺桿擠出機造粒。粒料在110℃下干燥3 h以后進行注射成型,試樣尺寸為30 mm×7 mm×6 mm,磨損表面在800#金相砂紙上打磨。

1.4 性能測試與結構表征

采用摩擦磨損試驗機對復合材料進行摩擦磨損試驗,在轉速為200 r/min、時間為30 min干摩擦滑動條件下進行,測定試樣在不同載荷下的磨損質量及摩擦因數,對偶件為45#鋼環(內徑為16 mm,外徑為40 mm,寬度為10 mm),其表面粗糙度為0.08～0.12μm;

磨損表面的微觀結構采用掃描電子顯微鏡進行觀察。

2 結果與討論

2.1 PA6/玻璃纖維復合材料摩擦磨損性能

從圖1和圖2可以看出,填充20%玻璃纖維的PA6復合材料的摩擦磨損性能較好,因此本文選擇對硅納米材料與20%玻璃纖維混雜填充PA6復合材料的摩擦磨損性能進行研究。

圖1 玻璃纖維含量對PA6/GF復合材料磨損量的影響Fig.1 Effect of contents of glass fiber on the wear mass loss of PA6/GF composites

圖2 玻璃纖維含量對PA6/GF復合材料摩擦因數的影響Fig.2 Effect of contents of glass fiber on the friction coefficient of PA6/GF composites

2.2 摩擦與磨損性能分析

從圖3～5可以看出,PA6/玻璃纖維/納米 SiC復合材料的磨損量明顯增大,且隨著納米SiC含量的增加而增大;而 PA6/玻璃纖維/納米 Si3N4和 PA6/玻璃纖維/納米SiO2復合材料的磨損量明顯降低,說明納米Si3N4和納米SiO2可以不同程度地提高 PA6的耐磨性。

圖3 PA6/GF/納米SiC復合材料的磨損性能Fig.3 Wear properties of PA6/GF/nano-SiC composites

圖4 PA6/GF/納米SiO2復合材料的磨損性能Fig.4 Wear properties of PA6/GF/nano-SiO2composites

圖5 PA6/GF/納米Si3N4復合材料的磨損性能Fig.5 Wear properties of PA6/GF/nano-Si3N4composites

從圖4可以看出,在同一載荷下,PA6/玻璃纖維/納米SiO2復合材料的磨損量隨著納米SiO2含量的增加而降低;當納米SiO2含量為1%時,復合材料的磨損量高于純PA6;隨著納米SiO2含量的增加,其磨損量均低于純 PA6;當納米SiO2含量為5%時,復合材料的磨損量最低,說明納米 SiO2的最佳含量為5%。同樣,從圖5可以看出,納米Si3N4的最佳含量為3%。

從圖3～5還可以看出,3種硅納米材料填充 PA6復合材料的摩擦因數都顯著減小,其中以納米SiO2與玻璃纖維混雜效果最佳。納米 SiC、納米 SiO2和納米Si3N4的最佳含量分別為3%、5%和3%。

從圖6可以看出,當復合材料中納米Si3N4含量為3%時,納米粒子在基體中分散較為均勻,而當納米Si3N4含量為5%時,納米粒子出現團聚現象。這是由于基體樹脂與納米無機粒子的分子結構不同,二者的界面相容性較差;納米粒子表面能高,處于熱力學非穩定狀態,極易聚集成團,團聚體在基體中成為應力集中點,因而在滑動摩擦過程中容易脫落。另一方面,團聚的粒子與基體結合力較低,兩方面作用的結果造成復合材料的磨損量增大。只有納米Si3N4的含量適當時才能有效地在基體中分散,鉚接基體PA6大分子鏈,在滑動過程中阻礙基體向摩擦副轉移,從而最大程度地降低復合材料的磨損量[6]。

圖6 PA6/GF/納米Si3N4復合材料磨損表面的SEM照片(40000×)Fig.6 SEM micrographs for the worn surface of PA6/GF/nano-Si3N4composites

2.3 磨損機理分析

從圖7可以看出,在相同載荷和相同含量硅納米材料填充的條件下,PA6/玻璃纖維/納米SiC復合材料磨損表面的犁溝較多,PA6/玻璃纖維/納米SiO2和PA6/玻璃纖維/納米 Si3N4復合材料的磨損表面較平整,說明納米SiC對PA6的改性效果不如納米SiO2和納米Si3N4,這與上述結果相吻合。

圖7 復合材料磨損表面形貌的SEM照片Fig.7 SEM micrographs for the worn surface of the composites

從圖7還可以看出,含3%納米Si3N4的復合材料磨損表面的磨痕較淺,存在輕微的磨粒磨損跡象。含5%納米Si3N4的復合材料磨損表面的磨痕較深,說明納米Si3N4的最佳含量為3%,這也證實了前面的結果。含1%納米SiO2的復合材料磨損表面有較深的犁溝,同時還有清晰可見的裂紋存在,而且表面有裸露的玻璃纖維。這是由于納米 SiO2含量較小時,納米粒子和玻璃纖維與基體結合不夠緊密,材料抵抗載荷變形的能力較弱,在磨損表面出現了不同程度的裂紋,甚至玻璃纖維從表面剝落,剝落下來的玻璃纖維存在于摩擦副之間,作為硬粒子刮擦復合材料表面,使磨損加劇,故磨損量較大。含3%納米SiO2的復合材料的磨損表面較平整,磨損表面有與摩擦方向一致清晰的滑痕,其磨損機制為磨粒磨損[7-8]。

3 結論

(1)3種硅納米材料與玻璃纖維混雜填充 PA6都能減小復合材料的摩擦因數,其中以納米SiO2與玻璃纖維混雜效果最佳,納米 SiC、納米 SiO2和納米 Si3N4的最佳含量分別為3%、5%和3%;

(2)納米SiO2和納米Si3N4的加入能夠不同程度地提高復合材料的耐磨性;

(3)納米SiC會導致復合材料的磨損量增大,且其含量越高,復合材料的磨損量越大。

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Study on Friction and Wear Properties of PA6 Composites Filled with Nano Silicon Materials and Glass Fibers

ZHANGJing,YAO Haoping,YAN G Heimei
(Engineering College,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210031,China)

The friction and wear properties of polyamide 6(PA6)composites filled with glass fiber(GF)and one of three nano-silicon-based particles were investigated using a MM-200 wear tester.The worn surfaces of the composites were examined through a scanning electric microscopy.It showed that the friction coefficients of the composites were reduced when GF and a silicon-based particle were filled in,and nano-SiO2was the best.The optimal filler contents for the composites were 5%SiO2,3%Si3N4and 3%SiC,respectively.Nano-SiO2and nano-Si3N4improved the anti-wear properties of the composites,while nano-SiC increased the wear mass loss of the composites.

polyamide 6;nano silicon material;glass fiber;composite;friction and wear property

TQ323.6

B

1001-9278(2011)07-0078-05

2011-03-18

高等學校博士學科點專項科研基金項目(20060307002)

聯系人,zhangjing@njau.edu.cn