鐵路貨車軸承工程塑料保持架回收料性能研究

唐繼兵，田少波，王軍平（北京隆軒橡塑有限公司）

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鐵路貨車軸承工程塑料保持架回收料性能研究

唐繼兵，田少波，王軍平（北京隆軒橡塑有限公司）

利用現代分析設備和技術，對鐵路貨車軸承大修報廢的工程塑料保持架的回收料進行性能分析。用顯微鏡觀察材料內部的增強玻纖的長度；利用紅外光譜表征回收料的結構；應用DSC差式掃描量熱分析和TGA熱失重分析回收料的熱性能；運用拉伸、彎曲和沖擊實驗研究回收料的力學性能，并將結果與原材料進行對比，為以后用其制造新產品提供參考依據。

工程塑料保持架；回收料；力學性能；熱性能

目前，在我國鐵路貨車軸承領域，工程塑料保持架以其性能優、成本低、重量輕和良好的自潤滑性能等優勢已經基本上替代了金屬材料保持架。工程塑料保持架使用的是玻纖增強的聚酰胺樹脂材料，是一種熱塑性塑料。鐵路貨車新造軸承使用時間或運行里程多數為8年或80萬km［1］，軸承更換或大修時需要換裝新的保持架，原保持架將報廢。因此鐵路上將有大量報廢下來的工程塑料保持架。

國家環境保護部門對廢棄塑料制品回收再利用給予充分肯定，并呼吁“循環經濟”，鼓勵走可持續發展之路。再生資源回收利用是我國經濟、社會可持續發展的戰略選擇。目前，世界各國都把數量巨大的多種廢棄物經過回收利用，變廢為寶，使其得以減量化、無害化和資源化。近20多年來，塑料廢棄物回收利用的研究進展表明，塑料廢棄物的處理是提高資源利用效率、保護環境、建立資源節約型社會的重要途徑之一。如果能夠對這些報廢的鐵路貨車工程塑料保持架實現有效地回收和充分的再生利用，不僅可以節省大量的石油資源和能源，更是一個有很大好處和利益的市場［2］。

同樣的，軸承大修報廢下來的工程塑料保持架經過篩選、清洗、破碎后即可作為原材料再次使用，來制作適合的新產品。當前首先要解決的問題是檢測破碎后材料的性能，確定其性能指標。筆者對報廢下來的回收工程塑料保持架清洗后的回收料進行了紅外譜圖分析、DSC、TG分析、對其中的增強玻纖長度進行了顯微成像研究，并將碎料重新注塑樣條進行拉伸、彎曲、沖擊性能檢測試驗，將檢測結果與未加工的原材料性能進行對比，為制定其性能指標提供了大量的試驗數據，為可能使用該材料的新產品提供相應理論依據。

1　實驗部分

1.1主要樣品

工程塑料保持架原材料：25%玻纖增強的尼龍66（下文簡稱“保持架原材料”），美國杜邦公司。

軸承大修報廢下來的工程塑料保持架清洗后的回收料（下文簡稱“回收料”）。

1.2主要設備、儀器

偏光顯微鏡：LV100POL型，日本NICON公司；

熱失重分析儀：Q500型，美國TA儀器公司；

差示掃描量熱儀：Q200型，美國TA儀器公司；

紅外光譜儀：Nicolet380型，美國Nicolet公司；

毛細管流變儀：GOETTFERT MI-3，德國高特福公司；

萬能試驗機：INSTRON 5567型，英國INSTRON公司；

沖擊試驗機：6957.000，意大利CEAST公司；

馬弗爐：DC-B-1，北京獨創科技有限公司。

表14所示為不同方法優化結果的比較。其中，序列采樣方法的初始采樣準則為繼承拉丁超立方采樣(樣本集大小為45)。可以看出，相較于序列采樣方法，一次采樣方法LHS方法所用樣本較多，最優解處精度較低;局部序列采樣方法(LAS方法和LMPP方法)和全局序列采樣方法(EGRA方法和IBS方法)都能夠獲得較為準確的最優解，但局部采樣方法更加高效準確。所有方法中，本文方法相對誤差和樣本數最小。

1.3性能測試及表征方法

偏光顯微鏡觀察玻纖長度，分別取保持架原材料和回收料在馬弗爐中升溫到600℃進行燃燒2h后，取出放在干燥器中冷卻1h，將剩余的玻璃纖維在顯微鏡下觀察，比較兩種材料的玻纖長度。

熱失重分析（TGA），分別對兩種樣本進行表征，樣品質量為9.0～11.0mg，氣氛氮氣流量60ml/min，以10℃/min速度升溫，從室溫升至580℃，檢測兩種樣本的開始分解溫度，然后轉用氧氣氣氛流量為60ml/min，繼續升溫至680℃，檢測兩種材料的各組分的含量。

差示掃描量熱分析（DSC），分別取兩種樣本質量為 5.0～6.0mg，放入鋁制坩堝內，純銦校正，空坩堝作參比，氮氣流量50ml/min，以10℃/min速度升溫，從室溫升至300℃，記錄一次升溫熔融曲線。按照GB/T19466.3中的分析方法分析其熔融溫度。

運用原位全反射傅里葉紅外光譜（ATRFTIR）技術對兩種樣本進行紅外光譜分析。

熔體粘度分析，將兩種樣本進行干燥處理4～6h，溫度285℃預熔4min后，用10/1的毛細管對處理后的兩種料進行粘度檢測。設定剪切速率分別為：2、4、8、16、32、64、128、256、512和1024mm/s，得到每個速率的表觀剪切粘度并比較。

力學性能檢測，檢測兩種樣本的拉伸性能、彎曲性能和抗沖擊性能，分析回收料比原材料性能下降比。

2　結果與討論

圖1～2分別為保持架原材料和回收料在馬弗爐600℃高溫燃燒后剩余的玻璃纖維觀察的顯微鏡照片，由圖可見保持架原材料玻纖長度（97～792.77μm）明顯大于回收料玻纖長度（93～446.25μm）。主要是因為添加玻纖的原材料，經過了一次加工（注塑產品）后，料桿對熔料的攪動會使玻璃纖維變碎變短。而玻璃纖維在材料中主要起到加強力學性能的作用，因此推斷回收料的力學性能與原材料相比會有所下降，下面的數據也證實了這一點。

2.2TGA熱失重分析

常溫條件下，尼龍66比較穩定。圖3中可以看出，300℃之前，保持架原材料和回收料失重率非常小，認為失重主要是因為有機溶劑的揮發及失水所致［2］。400℃以上，兩種樣本的失重率迅速增加，是由于聚合物熱分解所致。材料的熱穩定性能還是很強的。

圖2　回收料玻纖長度顯微圖

圖3中分析可知，回收料的開始分解溫度（403.43℃）低于保持架原材料的分解溫度（414.20℃），主要是因為聚合物材料經過一次加工后，分子鏈會發生斷裂，熱穩定性下降所致。各組分的含量見表1，可以看出原材料和回收料各組分沒有很大變化。

圖3　保持架原材料和回收料的熱失重分析

表1保持架原材料和回收料各組分含量

2.3DSC分析

聚合物在溫度升高時會發生熔融。圖4為兩個樣本的DSC曲線，從圖4中可以看出，保持架原材料和回收料的開始熔融的溫度和峰值基本一致，表明材料熔點基本沒有變化。因此回收料加工時的工藝參數可以參考保持架原材料加工工藝參數。

圖4　保持架原材料和回收料的DSC分析

2.4紅外光譜分析

圖5為保持架原材料和回收料的紅外光譜圖，圖5中可以看出兩個樣本的圖型基本完全一致。從檢測的基本型譜可以看出，兩種材料的主要組分均為尼龍類，PA的紅外標準譜圖［3］特征查詢，特征區和指紋區的任何吸收峰也沒有超過5cm-1的偏差，可見回收料與保持架原材料相比沒有影響其基本結構的組分混合進去。因為保持架在軸承中僅與內外環和滾珠以及潤滑油接觸，材料本身并沒有發生化學變化。

圖5　保持架原材料和回收料紅外光譜

2.5剪切粘度分析

圖6為保持架原材料和回收料經過毛細管流變檢測得到的剪切粘度，可以看出在285℃的熔融溫度，剪切速率為2、4、8mm/s慢速區間時兩種材料的剪切粘度稍有偏差，剪切速率大于16mm/s后兩種材料的剪切粘度就基本一致了，這一特點也可以證明回收料加工時的工藝參數可以參考保持架原材料的工藝參數。

圖6　保持架原材料和回收料毛細管剪切粘度比較

2.6力學性能分析

保持架原材料和回收料的力學性能分析見表2。干態和50%濕度處理后的回收料的拉伸強度、斷裂伸長率，彎曲強度和缺口沖擊強度與原材料相比都有所下降，拉伸強度下降13～14%，斷裂伸長率下降并不明顯，彎曲強度下降11～12%，缺口沖擊強度下降19～20%。主要是原材料經過一次加工 （制造產品）后，聚合物分子鏈會有斷裂，而且材料中有玻璃纖維增強，經加工后也會有破碎和斷裂情況，使玻纖長度變短，圖1和圖2的顯微圖片也可以明顯看出這一點。因此回收料的力學性能必然有所下降。在試制新產品選材時一定要注意這一點，不能簡單的參考保持架原材料的力學性能指標。

表2　保持架原材料和回收料的力學性能

3　結論

經過對軸承大修拆卸報廢下來的工程塑料保持架，由于工況比較單一，運行過程中僅與油脂接觸，回收后經過簡單的清洗即可利用。國內鐵路貨車自2003年大批量裝用工程塑料保持架以來，年均安裝100多萬件，按照8年質量周期計算，2011年開始已經有大批量報廢下來的保持架產品，單件重量200g計算，每年產生的廢舊保持架重量達到200t以上。經過以上的研究，報廢下來的工程塑料保持架回收料與原材料相比在材料基本組成、結構、熔點以及熔體粘度方面相比均沒有變化，可見該玻纖增強的尼龍材料使用后內部結構相對比較穩定。只是由于玻纖和高分子材料經過一次加工產生的玻纖碎斷和分子鏈斷鏈的現象，導致了力學性能下降。完全可以用于本身要求力學性能不高的產品。本文中筆者僅對工程塑料保持架回收料的基本性能進行了初步的分析和研究，望能為以后使用該材料制造新產品時提供相應的參考依據。

［1］中華人名共和國鐵道部主編.鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規則.中國鐵道出版社，2007.

［2］馬占峰.廢舊塑料回收利用的必要性和可行性.塑料工業，2006，4.

［3］楊萬泰.聚合物材料表征與測試.中國輕工業出版社，2008.

唐繼兵，女，河北廊坊人，中級工程師。

U270.4+2

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2095-2066（2016）09-0189-03

2016-3-12