尼龙6/纳米Al_2O_3复合材料制备及摩擦磨损性能研究

【摘要】： 采用挤出—注射成型工艺，选择平均粒径约为90nm的有机化处理后的纳米Al_2O_3粒子、未有机化处理的纳米Al_2O_3粒子以及平均粒径为2-5μm Al_2O_3粒子作为尼龙6的填充改性粒子，经双螺杆挤出机共混造粒，注塑制样而成。 通过对尼龙6/Al_2O_3复合材料的体系力学性能研究发现：经过有机化表面处理后的纳米Al_2O_3粒子在增加了尼龙6拉伸强度、拉伸模量的同时使冲击强度基本保持不变，而未处理的纳米Al_2O_3填充尼龙6在增加冲击强度的同时会大幅度降低尼龙6的拉伸强度和拉伸模量；另一方面，添加了有机化处理过的纳米Al_2O_3的尼龙6复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量均比微米级Al_2O_3填充尼龙6的要高，但冲击强度不如添加了微米级Al_2O_3的PA6复合材料的冲击强度高。这主要归因与填料Al_2O_3粒径的大小、在基体中的团聚状况以及填料Al_2O_3与基体树脂的相互作用状况。透射电镜分析表明，有机化处理后的纳米Al_2O_3能够均匀地分散在PA6基体中，并且经过有机化处理后的纳米Al_2O_3可以与基体较好的结合，从而提高复合材料的力学性能。硬度试验表明，随纳米Al_2O_3填充粒子量的增加，材料的硬度呈现增加趋势，这主要是因为纳米Al_2O_3在尼龙6中类似于“物理交联”、充当刚性支撑点作用，从而使尼龙6的硬度提高。 采用销盘式摩擦磨损试验仪研究了尼龙6／Al_2O_3复合材料的摩擦磨损性能。研究发现：低载荷条件下，复合体系在分别与45~#钢与铜摩擦副对摩时，尼龙6/nano-Al_2O_3复合材料的摩擦系数随载荷的增加呈现先减小再增大的趋势。尼龙6是一种粘弹性聚合物，在载荷的作用下容易发生粘弹性形变，当载荷较低时，随着载荷的增加而摩擦系数减小，当载荷超过一定值时，由于滑动生热，造成材料软化变形，机械强度降低，承载能力下降，摩擦系数增大。对于铜摩擦副而言，尼龙6／nano-Al_2O_3复合材料的摩擦系数在载荷一定时，随纳米Al_2O_3填料粒子填充量的增加摩擦系数呈上升趋势，此变化规律对于复合材料与45~#钢对摩时则不明显。我们认为，聚合物材料的摩擦系数变化除了与材料本身性能有关外，还与摩擦副的硬度有关。 纳米Al_2O_3的加入，尼龙6的磨损量下降，但是对于尼龙6而言，存在一个最 浙江!‘业人学硕十学位论文 摘要 佳填充量，在试验配方中，当纳米A120:填充量为10 phr时，尼龙6的磨损量最低， 耐磨性最好。扫描电镜分析磨损表面:在相同放大倍数条件下，填充量为10 phr的 试样磨损表面形貌单一且较均匀，虽有犁沟存在，但犁沟数量较少，整个基体均匀 的连接在一起;填充量为sphr的试样磨损表面，犁沟数量较多且出现了少量裂缝; 填充量为20 phLr的试样磨损表面犁沟切削较为严重，将试样局部区域再放大至IJ 5000 倍时，发现试样表面犁沟较深并且出现了大量裂缝，这种距离很近的犁沟在以后的 滑动摩擦过程中会使突起部分数层一起被刮落，造成材料磨损量的急剧上升。另一 方面，透射电镜分析表明，添加量为10 phr的试样中纳米A12O3粒子可以在尼龙6 基体中均匀的分散。当纳米粒子超过此填充量时，由于粒子的团聚会造成与基体尼 龙6的结合力下降，最终导致尼龙6复合材料磨损量上升;当纳米粒子少于此填充 量时，少量的粒子不能有效的链接大部分的基体组织，从而不能有效的降低材料的 磨损。 相同滑动试验条件下:填充了有机化处理过的纳米A12O3的复合材料较填充了 未有机化处理的纳米A1203复合材料的耐磨性要好。因此，为了提高填充粒子与基 体的结合能力，有效的降低材料的磨损，对填充粒子作有机化处理是必要的。另外， 在相同滑动条件下，随着粒径的增大，尼龙6/ A120:复合材料的磨损量上升，纳米 级粒子填充的复合材料较微米粒子填充的复合材料耐磨性能要好。 尼龙6/ A12O:复合材料的加工性能研究表明:随着纳米A12O3的加入，复合材 料的熔体流动速率下降，纳米A12O3含量越大，下降越明显，即队6/ A12O3纳米复 合材料的加工性能越差;随着纳米A12O3的加入，复合材料的转矩和塑化时间都增 加，当含量小于巧phr时，队6复合材料的转矩增加幅度不大，当含量超过15phr 后，转矩急剧升高。因此，从加工性能来看，纳米A12O:在尼龙6复合材料中的含 量不宜大于15phr。 研究结果表明:经过有机化处理的纳米A12O3改性尼龙6，纳米A12O3的最佳填 充量为lophr，此时复合材料的力学性能及摩擦磨损性能最佳。