苎麻增强聚醚砜复合材料的制备及摩擦学性能研究
2020-04-02
来源:欧得旅游网
10 工程塑料应用 2010年,第38卷,第5期 苎麻增强聚醚砜复合材料的制备及摩擦学性能研究水 吴茵龙春光 410114) (长沙理工大学汽车与机械工程学院,长沙摘要采用机械共混一模压法制备了聚醚砜(PEsu)/聚四氟乙烯(PTFE)/苎麻纤维(RF)复合材料,研究了复 合材料的摩擦学性能,并用扫描电子显微镜对磨损表面进行了观察与分析,在此基础上探讨了复合材料的磨损机 理。结果表明,用机械共混一模压法制备PESU/PTFE/RF复合材料是可行的;与PESU相比,复合材料的摩擦学性能 得到了提高;随着RF含量的增加,复合材料的磨损机理发生了由犁削、粘着磨损向疲劳磨损的转变。 关键词 聚醚砜 苎麻纤维制备摩擦学性能 高分子材料用作减摩耐磨材料始于20世纪6O 硅烷偶联剂:KH550,南京曙光化工厂; 固体脱模剂:自制; 年代,但其发展极为迅速。目前,高分子材料在摩擦 领域中的应用已越来越广泛,其中,具有芳香结构的 聚醚砜(PESU)是一种引人注目的高性能工程塑料, 它具有优良的力学性能、热稳定性、化学稳定性、抗 高温蠕变性及可加工性能 J,能够在特定的摩擦润 NaOH溶液、乙醇水溶液及其它助剂:市售。 1.2设备、仪器 涡流式多功能混料机:TM2型,张家港轻工机 械厂; 滑条件下稳定可靠地工作,可作为耐磨材料用来制 造轴承、齿轮、导轨等零件。填充适宜填料的PESU 复合材料摩擦系数低且耐磨性好,是一种优良的低 摩耐磨材料,以碳纤维 J、玻璃纤维 j、钛酸钾晶 须H 等作增强体的PESU研究均已有报道,而采用 天然纤维增强PESU则未见报道。 鼓风干燥箱:FN101一C型,巩义市英峪予华仪 器厂; 转矩流变仪:RM一200/300型,哈尔滨哈普电 气技术有限公司; 平板硫化机:JYPL一500 KN型,湖南萍乡市华 科机械实业有限公司; 天然纤维由于具有很多优异的特性而逐渐被研 金相抛光机:PG一2D型,上海光学仪器厂; 盘销式摩擦磨损试验机:MPX一2000型,宣化 北仑平衡机制造有限公司; 扫描电子显微镜(SEM):JSM5600LV型,日本 电子株式会社。 1.3试样制备 究者所熟悉,比如其拉伸强度和断裂强度高,耐摩擦 磨损,生态环保,可自然降解,是可再生资源且轻质 价廉等。随着高性能天然纤维及其复合材料的研究 与开发应用,麻类纤维逐步被用来作为复合材料的 增强材料使用 J,其中苎麻是麻纤维中性能较好 的,它的比强度接近玻璃纤维,很适合作为增强材 料,通过一定的改性可以改善其与复合材料的界面 结合,提高复合材料的硬度、压缩强度和耐磨性 等l 。笔者利用天然苎麻纤维(RF)的低密度、高强 度和可降解性等优点 j,采用RF增强PESU,并 PESU/PTFE/RF复合材料试样的制备工艺过程 如图1所示。 PESU PTFE 圈 RF一以聚四氟乙烯(PTFE)作固体润滑剂来协同改善材 料的摩擦磨损性能,用机械共混一模压法制备了 PESU/PTFE/RF复合材料,探讨了RF含量对其摩 擦学性能的影响。 1实验部分 1.1原材料 图1 PESU/PTFE/RF复合材料试样的制备工艺过程 具体过程如下: (1)试样组成的确定 根据有关文献 ,添加质量分数10%一20%的 固体润滑剂可以改善材料的摩擦磨损性能,笔者将 湖南省教育厅一般项目资助(07C093) 收稿日期:2010—03—04 PESU:长春吉大高新材料有限公司; RF:浏阳河苎麻厂; P1’FE:四川省富顺县晨光化学研究所; 吴茵,等:苎麻增强聚醚砜复合材料的制备及摩擦学性能研究 PTFE的质量分数固定为10%。根据聚合物结晶的 基本理论及PESU的有关性质,确定RF的质量分数 分别为5%、10%、15%、20%、25%。 (2)RF的表面处理 先将RF放入3%的NaOH溶液中恒温80℃处 理2 h,用自来水洗至中性,烘干恒重。再用乙酸调 节95%乙醇水溶液至pH值为4.5~5.5,边搅拌边 0 5 10 l5 20 25 RF质量分数/% 加入质量为乙醇水溶液2%的硅烷偶联剂,水解5~ (a) 10 min后放人经碱处理的RF中浸泡1 h,取出置于 80 ̄C干燥箱中干燥,然后剪成3—5 mm装入塑料袋 收藏备用。 (3)模压试样制备 将PESU、PTFE及按比例配混后的样品用干燥 箱进行充分干燥(120℃下烘3—5 h)。为保证RF 0 5 10 l5 2O 25 在PESU中均匀分布,先采用涡流式多功能混料机 RF质量分数/% 预混,然后用转矩流变仪挤出两次,再在平板硫化机 (b) 上采用模压成型制样,因PESU粘度较大,采用自制 a一摩擦因数;b--磨损量 固体脱模剂进行脱模;原料加入模具后,经过预压、目\咖 图2 RF含量对复合材料摩擦因数和磨损量的影响 l 1 巅盥i0 簿避 O 升温,期间应进行多次脱气,压力由小到大,以减小 6 2 8 4 O 瑚 鲫 ∞ o 由图2可以看出,RF可以较为显著地降低复合 制品缺陷,按工艺要求达到一定的压力和温度后进 材料的摩擦因数和磨损量,随着RF含量的增加,二 行保温,然后通水冷却,当模板达到60 ̄C时即可开 者均呈现先下降再缓慢升高的趋势,并且在RF质 模取出试样。 量分数为15%时出现最低值:摩擦因数为0.258,磨 1.4性能测试 损量为56.62 mg,相对于纯PESU分别下降了 摩擦磨损性能检测:试样为无缺口盘状试样,直 82.3%和68.6%。这是因为加入PTFE和RF后,试 径35 mm,对摩件为45 钢销,硬度HRC40—45。实 样的总体硬度增加,这符合Archard磨损规律_1¨:硬 验参数为:转速200 r/min,载荷150 N,磨损时间2 质材料与软质材料对磨时,欹质材料的磨损量与硬 h,室温下干摩擦。试验前用金相抛光机对试样的表 度成反比。另一方面RF含量较低时,由于“浸润” 面进行研磨,并用无水乙醇清洗。摩擦磨损试验结 RF与基体材料的界面结合较好,在基体中形成一定 束后,用精度为0.O1 mg的电子天平称量试样磨损 的交联网络,使基体材料结构紧密不容易脱落,从而 前后的质量损失。实验数据为每组取5个试样的平 导致复合材料的摩擦学性能有较大幅提高。但当 均值。 RF含量超过一定值时(如25%),易造成RF在基 2结果与讨论 体中分散不够均匀,团聚现象变得严重,使得复合材 2.1 复合材料的制备方法 料在摩擦过程中纤维脱落现象较为严重,从而加剧 PESU是一种热固性材料,而且粘度较大,不宜 了复合材料的磨损,使得复合材料的摩擦因数和磨 采用挤出或注射的成型方法,故采用模压成型方法。 损量增大。 制备过程中采用正交试验方法,通过调整工艺参数 2.3 复合材料的磨损机理探讨 (如成型压力、烧结温度、保温时间等),并使用自制 图3为不同RF含量时PESU/PTFE/RF复合材 固体脱模剂进行脱模,压制成功率可达95%以上, 料的磨损表面SEM照片。 制品致密,表面光洁。说明用机械共混一模压法制 从图3a中可以看到相互平行排列着连续分布 备PESU/PTFE/RF复合材料是可行的。 的犁沟,这是由于摩擦产生的热量使材料发生局部 2.2复合材料的摩擦磨损性能 塑性流动造成的,这与PESU基体硬度较低、韧性较 图2示出RF含量对PEsU/fyrFE/RF复合材料 好有关,说明纯PESU的磨损机制为犁削作用。图 摩擦因数和磨损量的影响。 3b与图3a相比材料的耐磨性有所提高,犁沟少而 12 工程塑料应用 2010年,第38卷,第5期 擦过程中,载荷的作用使复合材料中的硬质相成为 应力集中源,在其周围容易出现应力集中,进而使其 周围的材料产生塑性变形甚至塑性流动。当对磨面 上的硬凸峰在复合材料表面滑动时,这些硬质点就 不断受到循环载荷的作用,使其周围的应力和材料 的塑性流动也将不断增大。随着滑动的作用,接触 疲劳加剧,最终发生表层脱落,在磨损表面留下剥落 坑。 3结论 (1)用机械共混一模压法能制得摩擦学性能良 好的PESU/PTFE/RF复合材料。 (2)添加适量的RF可较为显著地降低PESU 复合材料的摩擦因数和磨损量,当RF的质量分数 为15%时复合材料的摩擦因数和磨损量最低。 (3)纯PESU的磨损机制为犁削作用,RF含量 (C) (d) 低时,磨损机制以粘着磨损为主,犁削为辅,而RF a---O(纯PESU);b一10%;c一15%;d—25% 质量分数达到25%时磨损机制转换为疲劳磨损。 图3不同RF含量时复合材料的磨损表面SEM照片 浅,但出现较为明显的剥落现象,此时的磨损机制为 参考文献 粘着磨损为主,犁削为辅。这是由于添加了RF及 [1]杨世英,陈栋传,鲍靖,等.工程塑料手册[M].北京:中国纺织 固体润滑剂PTFE后,复合材料的总体硬度和压缩 出版社,1994:219—223. 屈服极限提高,另外,由于摩擦过程中出现的瞬时高 [2]赵伟岩,李岩,陆再平,等.碳纤维增强聚醚砜复合材料的摩擦 温,使接触峰点产生粘着,随后在滑动中粘着结点破 磨损性能研究[J].摩擦学学报,2000,20(6):421—425. [3] Yamaguchi Y.Tibology of plastic materials[M].Amsterdan: 坏,形成粘着磨损。由图3c可看出,磨面平整,无撕 Elsevier,1990:203—360. 裂现象,沿摩擦方向排列着成线状或片状较为致密 [4]华熳煜,李融峰,龙春光.钛酸钾晶须增强聚醚砜复合材料摩 的浮凸,这些浮凸将代替试样参与摩擦过程而减少 擦学性能的研究[J].润滑与密封,2008,33(7):5O一52. 复合材料的磨损。这说明随着RF含量的增加,纤 [5] 肖加余,曾竞成,张长安,等.苎麻落麻纤维增强聚合物复合材 维在基体组织中形成交联网络,可以起到一定的铆 料研究[J].工程塑料应用,2001,29(2):12—15. [6] 刘丽妍,黄故.亚麻/聚丙烯机织复合材料薄板的制备与研究 接作用,使基体材料结构紧密不易脱落,抗粘着能力 [J].玻璃钢/复合材料,2005(5):17—21. 增强。从图3b、3c中可见一些FFFE颗粒,表明PI1. [7]倪敬达,于湖生.天然植物纤维增强复合材料的研究应用[J]. FE在摩擦过程中向偶件表面转移,并在偶件表面形 化纤与纺织技术,2006(2):29—33. 成极薄的转移膜,从而有效地降低摩擦因数和比磨 [8]Mutje P,Giornes J,Lopez A.Hemp Strands:PP composites by injection molding:Effect of low cost physic—chemical treatments 损率,这与Bahadur等L1 的研究相符合,此时复合 [J].Journal ofReinforced Plastics and Composites,2006,25(3): 材料的磨损机制属粘着磨损。从图3d中可看到表 313—327. 面撕脱及撕脱后留下的凹坑,还存在明显的疲劳裂 [9] 杨得文.汽车制造业看好天然纤维增强材料[J].现代辍料, 纹,说明当RF含量太高时,‘复合材料的磨损机制以 2004(12):61—64. 疲劳磨损为主。 [10]Yan F Y,Xue Q J.IR study of the interaction between graphite and PTFE during mixing process[J].Chinese Science Bulletion, 树脂基复合材料的磨损微观机制可以分为基体 1997(7):68—75. 磨损,纤维的滑动磨损,纤维断裂,以及纤维、基体脱 [11]温诗铸,黄平.摩擦学原理[M].北京:清华大学出版社, 粘4种形式¨ 。当纤维含量较低时,基体和纤维粘 2002:256—411. 接得较好,此时以前两种磨损形式为主;但纤维含量 [12]Brhadur S,Gong Deli.The action of ifller in modiifcation of the tribologicla behavior of polymers[Jt.Wear,1992,158:41—59. 过高时,发生后两种磨损的几率增加,而且断裂和拔 [13] Friedrich K.Advance in composite tribology[M].Amsterdan: 出的纤维可在偶件表面促进第三体磨粒磨损。在摩 Elsevier。1993:107—157. 吴茵,等:苎麻增强聚醚砜复合材料的制备及摩擦学性能研究 13 PREPARATION oF RAMIE FⅡIER REINFoRCED PESU CoMPoSITE AND ITS TRIBoLOGY PRoPERTY Wu Yin,Long Chunguang (Institute of Automobile and Mechanical Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha 4101 14,China) ABSTRACT PESU/PTFE/RF composite was prepared by blend—compression method with torque rtheometer.The tribology be. havior was investigated by the friction and weal-experiment.The woln surface of the composite was studied by SEM technique,and on the base of it,the weal-mechanism was analyzed.Results showed that preparing PESU/PTFE/RF composite of good tribology perform— nce by tahe compression molding was possible;with the adding of RF content,the woar meehtmism changed from microcutting,transfer 、wear to fatigue wear. 、 KEYWORDS PESU,RF,preparation,tribology property 一 磐 欢迎订阅2010年《工程塑料应用》、《化学分析计量》及合订本光盘 邮发代号24—42,24—138全国各地邮局均可订阅 也可直接通过邮局或银行汇款向《工程塑料应用》杂志社订阅《工程塑料应用》、《化学分析计量》及合订本光盘,请注明 订阅期千U/光盘的名称、收件人、邮编及地址。 《工程塑料应用》 国内外公开发行的全国性塑料专业 表1《工程塑料应用》单册期刊、合订本价格表 技术类刊物,月刊,大16开本,每月10日出版。本刊为中文 年份 期数 每册单价/元 全年定fir/元 合订本/元 核心期刊,是中国工程塑料工业协会会刊,荣获首届、第二 1986—1989 16 0.825 l3.2 19 届、第三届国家期刊奖等26项国家、省部委级优秀期刊奖, 199O一1992 12 1.4 16.8 23 人选美国化学文摘(CA)千种表。2010年定价13 期,全 1993、1994 10 2.4 24 30 年156元。1986年以来的期刊价目见表1。欢迎读者来函 1995 6 2.8 l6.8 23 1996 6 3 18 24 (附名片)免费索取样刊。 1997 6 3.5 21 27 《化学分析计量》 国内外公开发行的全国性分析、计 1998 12 3.5 42 48 量专业技术类刊物,双月刊,大16开本,单月20日出版。本 1999 12 4 48 54 刊为中国科技核心期刊,荣获6项省部委级优秀期刊奖,被 20o0 12 5 60 66 美国化学文摘(CA)收录。2010年定价13 期,全年78 20o1 12 5.5 66 78(两本) 元。创刊号以来的期刊价目见表2。欢迎读者来函(附名 20O2 l2 6 72 84(两本) 片)免费索取样刊。 2o03 12 6.5 78 90(两本) 《工程塑料应用》、《化学分析计量》合订本光盘 我社 2OO4 12 7 84 96(两本) 已将《工程塑料应用》自创刊号(1973年)至2Oo9年底共37 20o5 12 7.5 90 102(两本) 卷242期的期刊电子化,并制成合订本光盘,现公开发售;同 20o6 l3 8 1o4 116(两本) 2oo7 12 9 108 120(两本) 时也将《化学分析计量》自创刊号(1992年)至2009年底共 2008 12 10 120 132(两本) 18卷7l期的期刊电子化,并制成合订本光盘,现公开发售。 2009 12 12 144 156(两本) 分别利用这两种合订本光盘既可按作者、文题、关键词、年、 2010 12 13 l56 156(单册) 期等分类查阅各期刊已发表的所有科技文章和科技信息的 合计 2l3 1000(优惠) 1100(优惠) 全文,又可根据读者自定义的关键词进行全文检索,非常方 便、实用。 表2《化学分析计量》单册期刊、合订本价格表 《工程塑料应用》合订本光盘优惠售价500元;《化学分 年份 期数 每册单价/元 全年定fri/元 合订本/元 析计量》合订本光盘优惠售价200元。 创刊号一1998 9 3 27 33 1999~2001 14 4 56 62 邮局汇款: 20o2 6 5 30 72 收款单位:山东省济南市108信箱杂志社 2O03 6 6 36 邮编:25o03l传真:(0531)85947355 85878057 2oo4 6 7 42 93 电话:(053 1)85878057 85878223 85878278 20o5 6 7.5 45 2o06 6 8 48 108 银行汇款: 2oo7 6 9 54 户 名:中国兵器工业集团第五三研究所 20o8 6 1O 60 66 开户银行:济南市工商银行经十一路支行 2009 6 12 72 78 帐 号:1602001229014425546 2010 6 13 78 78(单册) 网上订阅:http://www.epa1973.com 合计 77 450(优惠) 500(优惠)