納米Al2O3/SiO2混雜填充環(huán)氧樹脂耐磨材料的制備與研究

張小博

(燕京理工學(xué)院，河北 三河 065201)

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，低摩擦系數(shù)和低比磨損率的高分子材料應(yīng)用越來越廣泛。目前研究主要集中于聚四氟乙烯、聚酰亞胺和聚醚醚酮等，但其成本都較高且存在一定蠕變[1-2]。在樹脂基材料中，環(huán)氧樹脂由于具有良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和物理機(jī)械性能而受到青睞，但其因網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的限制，呈現(xiàn)出硬而脆，斷裂能低，摩擦磨損性能較差等缺點(diǎn)，通常需要添加剛性無機(jī)填料改善其耐磨性能[3-5]。

本文通過對Al2O3和SiO2納米粒子表面改性，對環(huán)氧樹脂進(jìn)行填充，制備了增強(qiáng)改性的環(huán)氧樹脂耐磨材料，并探討了其摩擦磨損性能。

1 實驗

1.1 實驗原料

納米Al2O3/SiO2混雜顆粒，自制；環(huán)氧樹脂(E51)，天津市凱力達(dá)化工貿(mào)易有限公司；甲苯二異氰酸酯(TDI)，上海麥克林生化科技有限公司；固化劑，自制。

1.2 實驗步驟及樣品制備

將TDI與蓖麻油溶解在丙酮中，在40～45℃加熱3 h，加入環(huán)氧樹脂E-51，攪拌均勻后在80℃反應(yīng)，反應(yīng)后再加入納米粒子Al2O3/SiO2，超聲分散30min，加熱到80℃除去溶劑，獲得均勻混合物。將上述混合物加熱到120℃，緩慢加入適量的固化劑，攪拌使固化劑與混合物混合均勻，快速澆注于模具中，然后在真空烘箱中脫除氣泡，升溫固化，得到產(chǎn)物。

1.3 樣品表征

樣品摩擦磨損性能依據(jù)GB/T 3960-83，利用摩擦磨損實驗機(jī)(MM-2000W型，濟(jì)南普業(yè)機(jī)電技術(shù)有限公司)進(jìn)行摩擦磨損實驗，摩擦類型為室溫滑動干摩擦，鋼輪滑動速度為0.42 m/s，試樣尺寸為6 mm×10 mm×16 mm，對磨環(huán)為直徑為40 mm的45號鋼輪，測試時間為3 h。每個試樣進(jìn)行三次平行摩擦實驗，取其平均值。樣品微觀形貌用德國掃描電子顯微鏡(SEM，Supra55型，德國Zeiss公司)進(jìn)行觀察；硬度依據(jù)GB/T 2411-2008《塑料邵氏硬度試驗方法》，采用硬度儀(GS-720R D型，日本得樂)進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦磨損性能

圖1為不同納米Al2O3/SiO2含量下，環(huán)氧樹脂材料的摩擦磨損性能。由圖1分析可知，隨著納米材料含量增加，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)先增加后下降，當(dāng)含量為10%時摩擦系數(shù)最低，僅為0.25。由圖1可知，復(fù)合材料的比磨損率相比于純環(huán)氧樹脂下降明顯，且隨著納米材料含量增加呈現(xiàn)一直下降，但在含量>15%后，下降趨勢不再明顯。納米Al2O3/SiO2協(xié)同性起到了增強(qiáng)作用，在復(fù)合材料表面起到了一定的滾珠效應(yīng)，提高了耐磨損性能。

圖1 納米Al2O3/SiO2含量對環(huán)氧樹脂摩擦系數(shù)和比磨損率的影響

Fig.1 Effect of nano Al2O3/SiO2content on friction coefficient and specific wear rate of epoxy resin

2.2 硬度

圖2 納米Al2O3/SiO2含量對環(huán)氧樹脂硬度的影響

圖2為不同含量下環(huán)氧樹脂復(fù)合材料硬度測試結(jié)果。分析可知，隨著納米粒子含量增加，復(fù)合材料硬度逐漸增大，當(dāng)納米粒子含量增加到10%時，硬度即可達(dá)85D，相較于純環(huán)氧樹脂而言，提高了17%。但隨著納米粒子含量繼續(xù)增加，復(fù)合材料硬度開始下降，這可能是因為納米粒子利用自身硬度限制了周圍環(huán)氧樹脂大分子的運(yùn)動，約束了高分子鏈運(yùn)動，起到了對負(fù)荷的支撐作用。當(dāng)含量較大時，納米粒子在環(huán)氧樹脂基體中的分散變得不再均勻，納米粒子與環(huán)氧樹脂間的相互粘著作用降低，材料硬度下降。

2.3 磨損表面形貌

從圖3可看出，純環(huán)氧樹脂表面磨損是因為受到剪切作用發(fā)生了彈性形變，純環(huán)氧樹脂表面在摩擦過程中發(fā)生了氧化，表面大分子鏈在剪切應(yīng)力作用下發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，出現(xiàn)了分子鏈內(nèi)和分子鏈間的化學(xué)鍵斷裂，產(chǎn)物脫離而產(chǎn)生了磨損，表現(xiàn)為材料表面出現(xiàn)劃痕和撕裂，主要是疲勞磨損。在添加了Al2O3/SiO2后，復(fù)合材料磨損表面較為光滑，僅有細(xì)小劃痕，沒有脫落現(xiàn)象，磨損機(jī)理體現(xiàn)為粘著和磨粒磨損。分析原因，應(yīng)為采用納米Al2O3/SiO2粒子與環(huán)氧樹脂復(fù)合，納米粒子可有效固定在環(huán)氧樹脂基體的網(wǎng)絡(luò)中，使之與環(huán)氧樹脂基體間相互作用得到增強(qiáng)，在摩擦過程中能有效傳遞應(yīng)力，并使所受應(yīng)力分布均勻，且在此過程中，逐漸富集于復(fù)合材料表面，減輕了粘著，提高了抗磨性能。

圖3 純環(huán)氧樹脂與復(fù)合環(huán)氧樹脂SEM圖

3 結(jié)論

在環(huán)氧樹脂基體中添加納米Al2O3/SiO2，可有效提高環(huán)氧樹脂材料的摩擦磨損性能，當(dāng)納米粒子含量為10%時，摩擦系數(shù)和比磨損率最低，分別為0.25和2.71×10-6mm3/(N·m)，此時，復(fù)合材料的硬度為85D，在摩擦過程中，添加納米Al2O3/SiO2的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料體現(xiàn)出粘著磨損和磨粒磨損性質(zhì)。