聚酰胺6/蒙脫土復合材料的性能研究

劉晨明，游一蘭，代佳洋，鄧光鐵(湖南城市學院 化學與環(huán)境工程學院，湖南 益陽 413000)

聚酰胺6/蒙脫土復合材料的性能研究

劉晨明，游一蘭，代佳洋，鄧光鐵
(湖南城市學院 化學與環(huán)境工程學院，湖南 益陽 413000)

采用有機蒙脫土(OMMT)改性聚酰胺6(PA6)，并用熔融共混注塑成型的方法制備了PA6/OMMT復合材料，研究了復合材料的力學性能、耐熱性能和摩擦磨損性能．結果表明，OMMT提高了復合材料的力學性能和耐熱性，改善了PA6的摩擦磨損性能：OMMT含量為4 wt %時，復合材料的沖擊強度和拉伸強度最大，比純PA6分別提高了12.5%和10.9%；含量為2%時，維卡軟化點溫度達到最大，為212℃；含量分別為2 wt % 和3 wt %時，摩擦因數(shù)和磨損率最低，比PA6分別降低了69.6%和47.3%．

聚酰胺6；有機蒙脫土；力學性能；摩擦磨損性能

PA6具有優(yōu)異的綜合性能，在汽車、電子電器和工業(yè)機械等領域得到了廣泛應用，但也存在低溫沖擊強度偏低，吸水率大，干摩擦因數(shù)高的缺點，一定程度上限制了PA6的應用．與其他聚合物共混，采用纖維、納米、無機顆粒等填充改性是提高PA6性能的有效手段．如與沖擊強度較高的ABS共混，PA6的沖擊韌性得到改善[1]．而采用礦渣微粉和玻璃纖維混雜改性PA6可同時提高PA6的拉伸強度和沖擊強度[2]．硅納米材料與玻璃纖維混雜改性PA6可大大降低其摩擦因數(shù)和磨損率[3]．自20世紀80年代后期，Okada發(fā)現(xiàn)蒙脫土改性 PA比其他無機雜化物改性聚合物具有更優(yōu)異的力學和熱性能后，聚合物基蒙脫土復合材成為研究的熱點．研究表明，蒙脫土提高了聚酰亞胺[4]、聚甲基丙烯酸甲酯[5]、酚醛樹脂[6]和超高分子量聚乙烯[7]的摩擦磨損性能、力學性能和熱性能．而蒙脫土改性PA6摩擦性能的研究鮮見文獻報道．

為此本文以有機蒙脫土OMMT改性PA6，研究了PA6/OMMT復合材料的力學性能、熱性能及摩擦磨損性能．

1 實驗部分

1.1 原料

PA6，BL3280H，東莞能聚塑膠有限公司；OMMT，GK-8，江西固康新材料有限公司．

1.2 儀器設備

高速共混機，SHR-10A，張家港格蘭機械有限公司；雙螺桿擠出機(配切粒機)，SHJ-20，南京杰恩特機電有限公司；注塑機，KD1080KA，浙江省寧波市金星塑料機械有限公司；維卡軟化點溫度測定儀，XRW-30MA，美國TA儀器公司；電子萬能試驗機，CMT-7205，珠海三思試驗設備有限公司；簡支梁擺錘沖擊試驗機，XJJUD-50，湖北承德市大加儀器有限公司；摩擦磨損試驗儀，UMT-3，美國CERT 公司．

1.3 試樣的制備

PA6粒料先在100 ℃下真空干燥4 h去除其中的水分，然后將OMMT按不同比例與PA6混合均勻，再雙螺桿擠出，擠出溫度為220℃-240℃，水冷造粒，將粒料真空干燥后注塑成測試樣品，注塑各區(qū)溫度在240℃-250℃．

1.4 性能測試與表征

拉伸性能按照文獻[8]執(zhí)行．測試溫度：室溫，拉伸速度：5 mm/min．缺口沖擊性能按照文獻[9]執(zhí)行．維卡軟化點溫度按照文獻[10]執(zhí)行．

摩擦磨損試驗在UMT-3試驗機上進行，平行測定3組樣品，取平均值．實驗參數(shù)如下：載荷40 N，轉速200 r/min，時間120 min，干摩擦滑動，對偶件為 Ф9.5 mm的鉻鋼球，硬度為HRC62．上試樣為鉻鋼球，下試樣為摩擦樣，上試樣固定，摩擦樣做往復滑行，往復1次定義為1轉，沖程為10 mm．試樣尺寸25 mm×25 mm×15 mm，實驗前樣品表面用1 000目水砂紙打磨光滑，并用丙酮清潔樣品及對偶表面．整個試驗由預先編好的程序來控制自動完成，試驗數(shù)據(jù)由計算機自動采集，平均摩擦因數(shù)由材料進入穩(wěn)定摩擦階段的試驗數(shù)據(jù)計算平均值得到．質量磨損用電子天平來測量，其中：△m是磨損前后質量差(g)；ρ為材料密度(g/cm3)；L為載荷(N)；d為摩擦過程中滑行的距離(m)．

2 實驗結果與討論

2.1 OMMT改性PA6的力學性能

圖1 OMMT含量對PA6/OMMT復合材料沖擊強度影響

圖1為OMMT含量對PA6/OMMT復合材料的沖擊性能的影響．從圖1可看出，在OMMT含量低于3 wt %時，OMMT對PA6沖擊強度的影響不大，當OMMT的質量分數(shù)為4 wt%時，復合材料的沖擊強度達到最大，為4.5 kJ/m2，較純PA6 的4.0 kJ/m2提高了12.5%．但繼續(xù)增加OMMT含量，沖擊強度又有所下降．

圖2為OMMT對PA6/OMMT復合材料的拉伸性能的影響．

圖2 OMMT含量對PA6/OMMT復合材料拉伸強度影響

從圖2可以看出，隨著OMMT的含量增加，復合材料的拉伸強度也隨之增大，當OMMT含量低于2 wt%時，拉伸強度增加緩慢；而含量大于2 wt%時，拉伸強度迅速增大；當OMMT的含量為4 wt%時，PA6/OMMT復合材料的拉伸強度達到最大，為59.9 MPa，較純PA6的54 MPa提高了10.9%；但隨著OMMT含量的進一步增加，拉伸強度有所下降．

OMMT為納米級，且其剛性大于PA6，在受到外力時，使得材料能承受更大的應力，可以提高PA6力學性能；當OMMT含量增加到一定程度后，其在材料中的分散程度降低，一些粒子出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，使制品復合材料出現(xiàn)一些缺陷，導致材料的拉伸強度和沖擊強度都有所降低．所以含量為4 wt%時力學性能最好．

2.2 OMMT改性PA6的耐熱性能

圖3 OMMT含量對PA6/OMMT復合材料維卡軟化點溫度的影響

圖3為OMMT含量對PA6/OMMT復合材料的維卡軟化點溫度的影響，由圖可以看出，復合材料的維卡軟化點溫度都比純 PA6的高，在OMMT含量為2 wt %時，復合材料的維卡軟化點溫度最高，為 212.0 ℃，比純 PA6提高了12.7 ℃．這是因為OMMT在復合材料中起到物理交聯(lián)點的作用，限制了PA6鏈段的熱運動．而含量高于3 wt %時，可能部分的OMMT沒有發(fā)生插層，從而影響了材料的整體性能．

2.3 OMMT改性PA6的摩擦磨損性能

圖4為載荷40 N，轉速200 r/min時，PA6/ OMMT復合材料的摩擦磨損性能隨OMMT含量的變化曲線．

圖4 OMMT含量對PA6/OMMT復合材料摩擦因數(shù)和磨損率的影響

從圖4可以看出，隨著OMMT含量的增加，PA6/OMMT復合材料的摩擦因數(shù)和磨損率均呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢，摩擦因數(shù)和磨損率分別在OMMT含量為2 wt%和3 wt%時達到最低，此時，摩因數(shù)為0.14，較純PA6的0.46降低了69.6%，磨損率為 7.9×10-5mm3/(N·m)，較純 PA6的1.5×10-4mm3/(N·m)降低了47.3%．當OMMT含量較低時，摩擦表面少量的OMMT顆粒進入對偶面的溝壑內，降低了其粗糙度，并且OMMT本身具有自潤滑作用，有利于形成轉移膜，使得摩擦因數(shù)降低[11]，同時也減輕了試樣的磨損．隨著OMMT含量的增加，顆粒與基體結合不好、顆粒的團聚等會造成材料內部有缺陷，在摩擦過程中極易脫落，破壞轉移膜，導致摩擦因數(shù)和磨損率都增大．

2.4 OMMT改性PA6的磨損表面形貌

純PA6和2 wt %OMMT改性PA6的磨損表面SEM圖如圖5所示．PA6磨損表面平整、光滑，沿滑動方向有犁溝，在磨損表面有磨屑粘附，這是因為純PA6較軟，在摩擦時對偶對表面有較強刮削，磨損機理為輕微的粘著磨損；加入2wt%OMMT后，PA6/OMMT復合材料的磨損表面有很多的微裂紋，屬于疲勞磨損，這是因為加入OMMT后，復合材料的力學性能和熱穩(wěn)定性提高，摩擦表面層和基體結合牢固，在摩擦力反復作用下，磨損表面層疲勞脫落，造成疲勞磨損．

圖 5 OMMT改性PA6的磨損表面形貌

3 結論

加入OMMT，一方面，復合材料的拉伸強度和沖擊強度增加；另一方面，改善了PA6的摩擦磨損性能，磨損機理由粘著磨損轉為疲勞磨損．

[1]譚志勇, 李丹, 吳廣峰, 等. PA6/ABS共混物性能研究[J]. 中國塑料, 2012 (1): 35-40.

[2]徐先鋒, 曾玲升, 劉 爍, 等. PA6/GF/SP三元復合材料的制備及其力學性能研究[J]. 中國塑料, 2015(4): 19-23.

[3]張靜, 姚昊萍, 楊和梅. 硅納米材料與玻璃纖維混雜填充PA6復合材料的摩擦磨損性能研究[J]. 中國塑料, 2011 (7): 78-82.

[4]姜恒, 俞娟, 沈旭, 等. 蒙脫土/聚酰亞胺復合材料摩擦磨損性能[J]. 潤滑與密封, 2015, 40(11): 94-97.

[5]陳奎, 楊瑞成, 張?zhí)煸? 聚甲基丙烯酸甲酯/納米有機改性蒙脫土復合材料的制備及其摩擦磨損性能研究[J]. 摩擦學學報, 2007, 27(2): 187-191.

[6]許文, 吳其勝, 吳樂華, 等. 蒙脫土插層改性酚醛樹脂復合材料及其摩擦磨損性能[J]. 材料科學與工程學報, 2015，33(2): 207-210.

[7]Wen J, Yin P, Zhen M. Friction and wear properties of UHMWPE/nano-MMT composites under oilfield sewage condition[J]. Materials Letters , 2008, 62(25): 4161-4163.

[8]GB/T1040-2006, 塑料拉伸性能測定標準[S].

[9]GB/T1043-93, 硬質塑料簡支梁沖擊試驗方法標準[S].

[10]GB/T 1633-2000, 熱塑性塑料維卡軟化溫度(VST)的測定標準[S].

[11]楊長城, 黃麗堅, 王曉東, 等. 納米ZrO2改性熱塑性聚酰亞胺復合材料的摩擦磨損性能[J]. 潤滑與密封, 2009, 34(11): 80-82.

(責任編校：陳健瓊)

Properties of PA6/OMMT Composite

LIU Chen-min,YOU Yi-lan,DAI Jia-yang,DENG Guang-tie
(College of Chemistry and Environmental Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China)

The OMMT modified PA6 composites were prepared by means of melt blending and injection molding method. The mechanical properties, thermal property and tribological properties of the composites were researched. The results showed that all these properties of PA6 were improved by OMMT. The optimum value of impact strength and tensile strength of PA6/OMMT composite reached at 4 wt% loading of OMMT, which were 12.5% and 10.9% higher than neat PA6 respectively; the highest vicat softening temperature (212 ℃) came when OMMT content was 2wt%;while the lowest friction coefficient and wear rate arrived when the content of OMMT was 2wt% and 3wt% respectively, which was about 69.6% and 47.3% lower than neat PA6.

Polyamide 6; Montmorillonite; Mechanical Property; Tribological Property

TQ323.6

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.01.16

1672–7304(2017)01–0076–03

2016-12-07

湖南省大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃資助項目(201511527013)；益陽市科技計劃資助項目(2015JZ08)

劉晨明(1996-)，男，安徽馬鞍山人，湖南城市學院化學與環(huán)境工程學院2014級本科生，主要從事高分子材料改性研究．E-mail: 1138683693@qq.com