硅灰石增强铸型尼龙复合材料摩擦学行为研究

摘要：为了改善铸型(MC)尼龙的摩擦学性能，提出了一种硅灰石表面接枝MC尼龙的表面处理方法，并制备了表面接枝MC尼龙的硅灰石填充MC尼龙复合材料，测试了其力学和摩擦学性能．结果表明：表面接枝MC尼龙硅灰石填充MC尼龙与尼龙基体具有良好的结合界面，复合材料的硬度和拉伸强度分别提高了31%和26%，复合材料的拉伸断裂伸长率下降了68%．干摩擦条件下，MC尼龙复合材料的摩擦因数随硅灰石含量的增加而升高，5%质量分数硅灰石填充MC尼龙复合材料的摩擦因数达到0.5；水润滑条件下，硅灰石对MC尼龙摩擦因数影响较小，3种材料的摩擦因数均为Q 18;2种试验条件下，填充硅灰石复合材料的磨损率显著降低，耐磨性能较纯MC尼龙分别提高了5倍和2倍.MC厄龙复合材料的磨损主要为磨粒和黏着磨损。

 1  实验部分

 1.1  硅灰石表面改性    

     将定量的硅灰石在聚乙二醇(PEG)的无水乙 醇溶液中浸泡45 min，放入80℃的烘箱中烘干， 然后用无水乙醇冲洗3次，再用80℃的纯净水冲 洗3次，{zh1}放入80 0q:0烘箱中烘干，将处理好的 硅灰石与二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)混合后放入 圆底三口烧瓶中，加入适量甲苯后加热保温2 h． 加入定量的己内酰胺，继续加热保温2 h．获得表 面接枝MC尼龙的硅灰石．

    铸型（mcasting，MC)尼龙是一种性能是在常压下将熔融的己内酰胺减压脱水，并加入强碱性物质作催化剂进一步脱水，然后与助催化剂混合均匀后，直接浇注到预热到一定温度的模具中进行聚合而制得．它具有聚合温度低、工艺简单、结晶度高、分子质量大、力学性能高于普通尼龙、耐磨自润滑性好但未经改性的MC尼龙在实际应用中存在磨损率较大、尺寸

稳定性和热稳定性不高的缺点，限制了MC尼龙制品的广泛应用．在矿山冶金、石油化工、轻工纺织、铁路交通等领域得到了广泛的应用．许多研究者使用钛酸钾晶须，纤维和玻璃纤维增强，粉煤灰、碳化硅陶瓷以及氧化锌晶须等无机物填充改性MC尼龙，提高其力学性能和摩擦磨损性能，硅灰石是一种偏硅酸盐类矿物，经特殊的粉体加工工艺而成的针状粉，具有极高的长径比(1：12—20)，可用于工程塑料和摩擦材料。

   硅灰石的表面处理是影响其填充效果的重要因素，通过研究钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂和硬脂酸3种偶联剂处理硅灰石填充PTFE的力学性能和摩擦学性能，表明硅烷偶联剂改性的硅灰石能够更有效地提高复合材料的摩擦学性能和力学性能，纳米S102包覆硅灰石填充尼龙1010，可获得较好的结合界面，较硬脂酸处理的硅灰石更有效地改善尼龙的摩擦学性能．本文提出一种硅灰石表面接枝MC尼龙的方法，并使用接枝MC尼龙的硅灰石填充MC尼龙，考察期对聚合物力学性能和摩擦学性能的影响．

1  实验部分

1.1  硅灰石表面改性

    将定量的硅灰石在聚乙二醇(PEG)的无水乙醇溶液中浸泡45 min，放入80℃的烘箱中烘干，然后用无水乙醇冲洗3次，再用80℃的纯净水冲洗3次，{zh1}放入80℃烘箱中烘干，将处理好的硅灰石与二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)混合后放入圆底三口烧瓶中，加入适量甲苯后加热保温2 h．加入定量的己内酰胺，继续加热保温2 h．获得表面接枝MC尼龙的硅灰石．

1.2  材料制备

    将己内酰胺和表面处理的硅灰石加入洁净的三口烧瓶中，加热熔融，在真空度大于Q 1 MPa和温度130—140℃条件下，抽真空脱水15 nun.然后解除真空，加入一定量的氢氧化钠(NaOH)，继续抽真空15 min.将溶液调至一定温度，加热定量的MDI搅拌均匀，浇注入预热至160℃的模具中，自然冷却至室温，脱模，然后水浴处理2h，即得MC尼龙／硅灰石复合材料试样．

1.3  性能测试

    复合材料的拉伸强度在WDW-20型电子材料{wn}试验机上进行．按照国标GB16421-1990连续加载，拉伸速度为5 mm/min，以试验的{zd0}拉力值计算出拉伸强度，取5次试验的平均值作为测试结果．

    根据ISO标准使用UMT-II试验机测量了MC尼龙复合材料试样的球压痕硬度．初试验力为9.8 N，主试验力为150 N.试验过程中记录压痕深度．P为主试验力，N;h为压痕深度，mm;D为测试用球的直径，mm.取5次重复试验的平均值作为测试结果．

2  结果与讨论

2 1  硅灰石表面表征

    图1是硅灰石表面处理前后的红外图谱，从图中可以发现，经聚乙二醇(PEG)包覆硅灰石的红外图谱在3 453cm-l处有一个明显而且较缓的吸收峰，分析认为，这是包覆在硅灰石表面的PEG多元醇-OH基的吸收峰，己内酰胺封端处理的硅灰石红外图谱在3 444 cm-1和2 350cm-l这2处有明显的吸收峰．根据基团的特征频率可以推断，2350cm一1处为过量MDI中未反应的异氰酸酯基-N-C-O基团的吸收峰，同时由于存在未反应的异氰酸酯基，可以判断3444 cm-l处的吸收峰不是一OH基，而是己内酰胺与异氰酸酯基反应生成的一NH键．