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1、l 2 吴贺贺等超高分子量聚乙烯改性尼龙 6复合材料的力学性能研究 超高分子量聚乙烯改性尼龙 6复合材料的 力学性能研究 吴贺贺，何春霞(南京农业大学工学院，江苏南京，2 1 0 0 3 1)摘要：通过挤出方法制备了尼龙 6(P A 6)超高分子量聚乙烯(U H M WP E)复合材料，考察了复合材 料摩擦学性能和力学性能。用光学显微镜观察分析了复合材料磨损表面形貌。结果表明：复合材料摩擦性 能较纯尼龙有一定的提高，当 U H MWP E含量为 5 和 1 0 时，复合材料耐磨减摩性较好。但随着 U H M WP E含量的增加，复合材料的硬度、拉伸强度、伸长率有所下降。关键词：P A 6；超高
2、分子量聚乙烯；力学性能；摩擦学性能 中图分类号：T Q 3 2 5 1 2 S t u d y o n M e c ha n i c a l Pr o p e r t i e s o f Ny l o n 6 UHM W PE Co mp o s i t e s WU He h eHE Ch u n x i a (S c h o o l o f E n g i n e e r i n g，N a n j i n g A g ri c u l t u r e U n i v e r s i t y，N a n j i n g 2 1 0 0 3 I，J i a n g s u，C h i n a
3、)Ab s t r a c t：N y l o n 6 U HM WP E c o m p o s i t e s w e r e p r e p a r e d b y e x t r u s i o ni n j e c t i o n m o d e l i n g m e t h o d T h e t r i b o l o g i c a l p e r f o r ma n c e s a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h i s c o mp o s i t e ma t e ria l s we r e s
4、t u d i e dT h e r u b t e s t u s e d t wo d i ff e r-e n t l o a d i n g s，5 0N a n d 1 5 0NTh e a n a l y s e d we a r s u r f a c e we r e s t u d i e d ma k i n g us e o f o p t i c a l mi c r o s c o p e Th e r e s u i t s s h o we d t h a t，t r i b o l o g i c a l p e rfo r ma n c e s h a d b
5、 e e n i mp r o v e d t o s o me d e g r e e s c o mp a r i n g wi t h n y l o n 6，5a n d 1 0 UHMW P E a r e b e t t e r t h a n o t h e r s Ac c o r d i n g t o fin a l f r i c t i o n c o e f f i c i e n t，a b r a s i o n l o s s a nd wo r no u t s u rfa c e f e a t u r e，t h e 1 0 UHMW P E c o mp
6、 o s i t e s a r e t h e b e s t we a r r e s i s t a n t wh e n t he l o a di n g i s 5 0N；t h e 5 UHMW P E c o mp o s i t e s a r e t h e b e s t we a r r e s i s t a n t wh e n t h e l o a d i n g i s 1 5 0 N Bu t wi t h t h e i n c r e a s e o f UHMW P E，t h e h a r d n e s s，t e n s i l e s t r
7、 e n g t h a nd e l o n g a t i o n r a t e o f t h e c o mp o s i t e s a r e d e c r e a s e d Ke y wo r d s：ny l o n 6；me c h a n i c a l p r o p e rti e s；t r i b o l o g i c a l p e rfo rm a n c e 尼龙 6(N y l o n 6)学名 聚酰胺(P A 6)，是工 程塑料中开发最早的品种，是 目前聚酰胺塑料中产 量最大的品种之一。P A 6具有力学强度高、电气性 能 良好、耐磨、抗震吸音、耐
8、油、耐弱酸、耐 弱 碱、耐弱极性有机溶剂、加工流动性好等优点，广 泛应用于汽车工业、电子、机械 等领域。预计到 2 0 1 1 年，P A 6树脂 和薄膜 消费量 将 由 2 0 0 6年的 2 3 2万 t 增加到 2 6 7万 t，年均增长率将达到约 2 9。西欧地区己内酰胺消费量为 6 7 0万 t，其 中，P A 6纤维对己内酰胺的需求量为 2 2 6万 年，约占总消费量的 3 3 7 3 ；P A 6树脂和薄膜的需求 量为 4 0 6万 t ，年，约 占总消费量的 6 0 6 0；预 计到 2 0 1 1年，己内酰胺的总需求量将达到约 7 3 5 万 t。其中，P A 6树脂和薄膜的
9、消费量增加到 4 5 6 万 年，年均增长率将达到约 2 4。日本也作为 一个己1 人 J 酰胺的需求大国，年均需求约以 1 7 的 速度增长，到 2 0 1 1 年，总需求量将达到约 2 7 1 万 t，其中，P A 6树脂 的消费量将 由 2 0 0 6年 的 1 7 0 万 t 增加到 2 0 1 1年的 l 9 4万 t，年均增长率将达 到约 2 8。我国也作为一个 己内酰胺 的消 费大 国，目前主要还是依赖进 口，2 0 0 8年己内酰胺 的 需求量约为 8 6万 t，其 中，进 口量为 4 5 0 1万 t，较上一年有所减少。主要用 于生产 P A 6纤维(锦 纶 6)和 P A
10、6工程塑料。随着我 国经济的持续高速 2 0 1 0年第 3 9卷第 3期 合成材料老化与应用 l 3 发展，大量引进汽车、家 电、通讯等生产线投人生 产，通讯、汽车等行业发展速度将远高于 G D P增长 率。预计到 2 0 1 0年，我国 P A 6工程塑料的需求量将 达到 1 9万 t。2 0 1 0年到 2 0 2(】年期问，我国 P A 6工程 塑料的需求量将 以年均 9 的速度增长，到 2 0 2 0年，P A 6工程塑料的国内需求量将达到 4 5万 t 左右。尼 龙的酞基和水分子之间容易形成氢键，具有较强的 吸水性，导致 产品尺寸稳定性 差、耐强酸强碱 性 差、干态和低 温冲击强度
11、低 等缺 陷，限制 了其 应 用。因此，国内外研究 者对 P A 6进行 了大 量的研 究和开发，研制出许多性能优异、满足特殊要求的 改性材料。提高 P A 6性能的方法包括共聚、共 混、填充、增强、分子复合等，共混改性是近十多年来 发展最为迅速的改性方法之一，并以其投资小、见 效快、生产周期短等特点得到广泛应用。近年来，尼龙复合材料 剖作为一种高效能改 性材料的研究迅速兴起。添加超高分子量聚乙烯对 材料的摩擦性能有很大的提高，在工业上具有广阔 的应用前景 J。本研究 以 P A 6为本体，采 用挤 出 制备 P A 6 超高分子量聚乙烯(U H MWP E)复合材 料，并考察了材料的摩擦性能
12、和力学性能。1 实验部分 1 1 主 要原 料及仪 器 P A 6：上海联乐化工有 限公司；U H MWP E：上 海联乐化工有 限公司；单螺杆挤出机：南京诚盟化 工机械有限公 司；wJ A烘箱：南京沃环科技实业 有 限公司；H T F S O B注塑机：中国海天机械有 限公 司；C S S-44 1 0 0电子万能试验机：长春试验机研 究所；X H R-1 5 0塑料洛 氏硬度计：上海联尔试验 设备有限公司；M一2 O 0 O型磨损试验机：宣化材料 试验机厂；S M Z 1 0 0 0体 视光学显 微镜：日本尼康 有限公司。1 2 样 品 制备 首先，将不 同组份的超高分子量聚乙烯与尼龙 6
13、混合，保证总质量 为 l 5 0 0克，利用 电子秤取 质 量分数分别为 5 、1 0、2 0 、3 0 、4 0 的超 高分子量聚乙烯与相应质量 的尼龙混合，分别装在 不同的袋子里，写上标签，备混合挤 出。在单螺杆 挤出机中熔融共混挤 出时，挤 出机各段温度 分 别控 制在：1 6 0 c c、1 9 5 、2 0 5 、2 2 0 、2 2 5 、2 3 0 C。螺杆转速为 2 0 0 r rai n。经水冷、牵引、切 料，即得到共 混物粒 料，然后粒料在 8 0 C真空烘 箱中烘 1 2小时以备注塑成型用。将制得的共混物粒料在注塑机上注塑，注射压 力一般控 制在 1 2 0 M P a以
14、上，各段 温度分别 控制 在：1 8 0 、2 0 0 、2 1 5 、2 3 0 、2 3 5 o C、2 4 0 C，得到拉伸、硬度试验试样 J。最后通过数 控铣床加工得到磨损实验试样。1 3 性能测试(1)硬度试验 环境 温度 2 5 C，利用 X H R 一 1 5 0塑料 洛氏硬 度 计，标尺为 H R L，球压头直径为 6 3 5 i n i n，初试验 力为9 8 0 7 N(mI g)，总实验力为 5 8 8 4 N(6 0 K g)，测试的塑料洛氏硬度总实验力保持时间为 1 5 s，试样 尺寸为 1 7 0 ra m 3 0 m m 8 m m，每个试样取 5个点测 试，取平
15、均值，得出硬度值。(2)拉伸试验 环境温度 2 5 ，利用 C S S-4 4 1 0 0电子万能试 验机，按 G B T 1 0 4 0-9 2进 行 试 验，拉伸 速 度 为 2 m m m i n，测 出试 样 的抗 拉 强 度，计 算 断裂 伸 长率。(3)磨粒磨损试验 环境温度 2 5 ，M_2 o 0 O型磨损 试验机，试 样尺寸为 3 0 ram8 ram 7 ram，试样所承受垂直载 荷分别为 5 0 N 和 1 5 0 N，磨 轮直 径 3 0 ra m，转速 为 2 1 0 r ra i n，试验形式 为滚动 摩擦，磨损 时间为 3 0 分钟，记录摩擦系数，利用 F A 1
16、 0 0 4电子秤测 出试 样摩擦前后的磨损量。(4)磨损表面分析 环境 温 度 2 5，S MZ I O 0 0体 视 光学 显微镜，放大倍数为 0 81 61 6，获得摩擦试样在 5 0 N 和 1 5 0 N载荷下磨损表面形貌的显微镜照片。2 结果 与讨论 2 1 U HMWP E含量对复合材料力学性能的影响 2 1 1 U H MWP E含量对复合材料硬度的影响 由图 1可 以看 到，随着 U H MWP E含量 的增 加，复合材料 的硬度呈下降趋 势，但下降幅度很 小，从纯尼龙 到 5 U H MWP E的复合材 料，硬度 下降最多，之后下降趋于平缓。说明在尼龙中加入 少量超高分子量
17、聚乙烯，会使硬度有一定程度的下 l 4 吴贺贺等超高分子量聚乙烯改性尼龙 6复合材料的力学性能研究 降，随着 U H MWP E含量 的继 续增 加，硬 度变化 UHM W lJ E 鲢 图 1 U H MWP E含量对 P A 6复合材料硬度的影响 F i g 1 Eff e c t o f UHMW P E c o n t e n t O i l h a r d n e s s of P A6 c o mp o s i t e s 2 1 2 U H MWP E含量对复合材料拉伸性能的影响 图 2示出了 U H MWP E P A 6的拉伸性能与 U H MWP E含 量 的关 系。从 图
18、 2中 可 以看 出，U H M WP E的加入会明显降低 P A 6的抗拉强度和伸长率，纯尼龙的抗拉强度为 4 3 7 7 MP a，随着 U HMWP E 含量的增加，复合材料的抗拉强度明显呈下降趋 势，最后下降到 1 3 5 MP a，下 降了 6 9。从纯尼 龙到 2 0 U H MWP E复合材料抗拉强度下降最多，从 2 0 U HMWP E到 4 0 U H MWP E复合材料抗拉 强度下降较平缓。在伸长率方面，从纯尼龙到 5 U H M WP E急剧下降，从 5 U H MWP E到 4 0 U H M WP E，伸长率基本 呈线 性下降趋势，下降较平 缓。究 其 原 因，在 U
19、 H MWP E P A 6复 合 材 料 中，P A 6是承载体，起着承载外来应力的作用，还起粘 结纤维、传递应力的作用，基体 与 U H MWP E的粘 结程度 越好，应 力就 能均 匀地 传递 到 U H MWP E 上，材料的拉伸强度也就增高I s-9 。现在复合材料 的拉伸性能下降，说 明 U H M WP E与 P A 6之问粘结 5 0 4 5 40 3 5 要3 0 篓 2 5 萎 o 5 )O I HMWP E 含 啊 图2 U H MWP E含量对 P A 6复合材料拉伸性能的影响 F i g 2 E ff e c t o f UHMW P E c o n t e n t
20、o n t e n s i l e p r o p e i e s o f PA 6 c o mp o s i t e s 状态不佳，应力不能得到有效地传递，易形成应力 集中，而导致材料的抗拉强度下降。综上所述，从纯尼龙到 5 U H MWP E的复合 材料，抗拉强度和伸长率下降最明显，说明在尼龙 中加入少量 U H MWP E会使尼龙的拉伸性能下降很 多，说 明脆性、韧性 也下降 了，但是 随着 U HM WP E含量的增加，其下降幅度逐渐减小。2 1 3 U H MWP E含量对复合材料摩擦性能的影响 由图 3可见，在干摩擦条件 下，随 U H MWP E 颗粒含量 的增加，复合材料的摩擦
21、 系数先逐渐减 小，在 5 0 N和 1 5 0 N的载荷下，当 U H MWP E颗粒 含量分别达 1 0 和 5 时，摩 擦系数各 自达到最 小，随 U H MWP E颗粒含量的继续增加，摩擦系数 又逐渐上升，当颗粒含量达 4 0 时，摩擦系数达 到最高。l 1 f t Mwt E岔D U 图 3 U H MWP E含量对 P A 6复合材料磨损系数的影晌 Fi g 3 E ffe c t o f UHMWPE c o n t e n t o n we a r c o e f fic i e n t o f P A 6 c o mp o s i t e s 在不同的载荷下，复合材料的摩擦系
22、数的最低 点位置不同。即对基体 P A 6而言，U H MWP E分别 存在一最佳填充量使复合材料的耐磨性达到最佳。I I t t MWP E岔 图 4 U HM WP E对 P A 6复合材料磨损置的影响 F i g 4 E ff e c t o f U HMW P E c o n t e n t o n a b r a s i o n l o s s of P A6 c o mp o s i t e s 由图4中的 u H M WP E对 P A 6复合材料磨损量 2 0 1 0年第 3 9卷第 3期 合成材料老化与应用 l 5 关系曲线可以得到以下几点结论：(1)两曲线变化趋势相似。在干
23、摩擦条件下，从纯尼龙到复合材料，随 U HMWP E颗粒含量 的增 加，复合材料 的磨损量先逐渐减小，在 5 0 N 和 1 5 0 N的载荷下，当颗粒含量分别达 1 0 和 5 时，磨损量达到最小，随 U HMWP E颗粒含量 的继续增 加，磨损 量又逐 渐上升，当颗粒 含量 达 4 0 时，磨损量达到最高。(2)载荷不同，最佳耐磨点不同。当载荷为 5 0 N时，复合材料 的磨损量在 1 0 U H MWP E处达 到最低，即这种配比的复合材料最耐磨；当载荷为 1 5 0 N时，复合材料 的磨损量在 5 U H MWP E处达 到最低，即这种配 比的复合材料最耐磨。(3)载荷越大，磨损 量越
24、大。从 图 4中可 以 明显看 出，载荷 为 1 5 0 N时的磨损 量大 于 5 0 N时 的，说 明该复合材料的磨损量随载荷 的增加而 上升。(4)U H M W P E含量在一定范围内时，其耐磨 性才优于纯尼龙。当载荷 为 5 0 N时，纯 尼龙 的磨 损量高于 5 一2 0 U HMWP E复合材料 的磨损量，低于 2 0 4 0 U HM WP E复合材料 的磨损量；当 载荷为 1 5 0 N时，纯尼龙 的磨损量高于 5 一 Q U H MWP E复合 材料 的磨 损 量，低 于 1 0 4 0 U H MWP E复合材料的磨损量。这说 明并非只要是复合材料，其耐磨性就优于 纯尼龙。
25、只有当 U H MWP E含量在一定 范 围内时，其耐磨 性才 优于 纯尼龙 。对 基 体 P A 6而 言，U HMWP E存在一最佳填充量，低 于此填充量，不 能有效地对 基体 P A 6大分子产 生物理 交联。超过 最佳填充量，一方面 U HMWP E粒子容易 团聚，团 聚体在基体中成为应力集 中点，因而在滑动摩擦过 程中容易脱落；另一方面，团聚的粒子与基体结合 力较低，两方面作用的结果造成复合材料磨损量增 大 引。只有在填充量适 当时 U H MWP E才能有效地 在基体 中分 散，铆接基体 P A 6大分 子链，在 滑动 过程 中阻碍基体向摩擦副转移，从而最大程度地 降 低复合材料的
26、磨损量。2 1 4 磨损表面光学显微镜照片分析(1)当载荷为 5 0 N时：5UHMWPE l OUHMWP E 2 0UHMW PE 3 OUHMW PE l 6 吴贺贺等超 高分子量聚乙烯改性尼龙 6复合材料的力学性能研究 4 L J UHM W PE 由上面的体视显微镜照片可以看出，图中明暗 相问，这是由于磨损表面形成了与滑动方向平行的 沟槽，明与暗分别 表示磨损表面沟槽 的凸出和凹 下，当 U H MWP E含量为 5 和 1 0 时，磨痕较浅 较少，颜色均匀，其 中以 1 0 的最平整，说 明载 荷为 5 0 N时，1 0 U H MWP E复合 材料 最 耐 磨，5 的次之。从 2
27、 0 到4 0 U HMWP E，沟槽越来越 明显，并且沟槽周围有大量的撕裂纹存在，说明耐 磨性能越来越差。(2)当载荷为 1 5 0 N时：5 UHMW PE 2 0UHMW P 3 OUHMWPE 4 UUHM W PE 由上图可知，当 U H MWP E含量为 5 和 l O 时，磨痕较浅较少，表面光滑平整，颜色均匀，仅 存在轻微的划痕。其 中以 5 的最平整，说明载荷 为 1 5 0 N时，5 U H MWP E复合材料最耐磨，1 0 的次之。从 2 0 到 4 0 U HMWP E，磨痕越来越明 显，耐磨性能越来越差。3 结论(1)通过在 P A 6中加入不同含量的 U H MWP
28、E，摩擦性能在一定范围内有所提高，但是同时抗拉强 2 0 1 0年第 3 9卷第 3期 合成材料老化与应用 1 7 度、硬度、伸长率方面存在不同程度的下降。硬度 下降幅度不是很大，抗拉强度和伸长率下降程度较 明显。(2)当载荷为 5 0 N时，1 0 U H MWP E的复合 材料最耐磨；当载荷为 1 5 0 N时，5 U H MWP E的 复合材料最耐磨。(3)填充 U H MWP E的 P A 6复合材料的磨损量 随载荷的增加而上升。(4)当 U HM WP E的含量在 5 到 1 0 之间时，复合材料 比纯尼龙耐磨，随着 U HM WP E含量的继 续增加，复合材料反而不如纯尼龙耐磨。这
29、说明添 加一定 比例范围内的 U H M WP E能有效地提高 P A 6 的耐磨性。并且对基体 P A 6而言，U H MWP E存在 一最佳填充量，只有在填充量适 当时 U H MWP E才 能有效地在基体中分散，从而最大程度地降低复合 材料的磨损量。在本实验条件下，添加少量的 U H MWP E虽然 使复合材料的一些力学性能如硬度、抗拉强度、伸 长率等有不 同程度的下降，但是 同时可以改善 P A 6 的摩擦磨损性能，使之可以在摩擦学领域得到广泛 应用。因此，只要通过控制 U HM WP E量 的加入，就可以制得摩擦性能优 良的 U H M WP E P A 6复合材 料，以满足不同的产
30、品需求。参考文献 1 严淑芬 新型尼龙混合物 J 现代塑料加工 应用，2 0 0 7，3 8(7)：4 3-4 6 2 李迎春 改性尼龙 6复合材料的研究 J 塑 料工业，2 0 0 6，2 4(4)：5 5 5 7 3 付林，朱淑槐 超高分子量聚 乙烯现状与展 望 J 化工技术经济，1 9 9 9，2 3(1)：7 8 8 1 4 吴培熙，张留城 聚合物的共混改性 M 北 京：中国轻工业出版社，1 9 9 6 5 S p e r l i n g L H P o l y me r i c Mu l t i c o m p o n e n t Ma t e r i a l s M A n I n
31、 t r o d u c t i o n,N e w Y o r k：J o h n Wi 1 e y，I nc 1 9 7 7 6 张玉龙，李萍编工程塑料改性技术 M 北 京：机械工业 出版社，2 0 0 6 7 王小辉，方显力 改性尼龙 6共聚物的结构 与性能 J 现代化工，2 0 0 7，1 2(4)：1 8 2 2 8 李三喜，等 尼龙共混体系的研究 M 北 京：中国轻工业出版社，2 0 0 1 9 欧玉春，梁恩芳，等 尼龙共混物 的界面相互 作用 M 北京：中国轻工业出版社，1 9 9 1 1 0 王伟华，葛世荣 填料特性对尼龙摩擦学性 能的影响及作用机理 J 中国矿业大学学 报，2
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