帶式輸送機托輥用鑄型尼龍復合材料力學性能研究

李 暉

（晉能控股裝備制造集團寺河煤礦二號井，山西 晉城 048000）

本文采用澆鑄方法制備了鑄型尼龍復合材料，并對鑄型尼龍復合材料的拉伸強度、壓縮強度進行了測試[1-2]。

1 實驗材料的合成制備

1.1 實驗原材料

單體：己內酰胺；

催化劑：氫氧化鈉；

活化劑：甲苯二異氰酸酯（MDI）；

填料：膠體石墨；

碳纖維：直徑7 μm，長度0.5～2 mm、1～2 mm兩種；

微膠囊化紅磷：1000 目。

1.2 鑄型尼龍復合材料的合成方法

鑄型尼龍復合材料采用自制陰離子催化聚合成型裝置，制備阻燃抗靜電鑄型尼龍復合材料。制備工藝為手工澆注，工藝過程如下：

（1）模具預熱。

（2）混料。按表1 配方混合單體己內酰胺、石墨，磨碎碳纖維，微膠囊化紅磷，加入反應釜內抽真空加熱。抽真空沸騰不低于15 min 后，加NaOH 抽真空沸騰不低于10 min。活性料在抽真空過程中，保持料溫（140±5）℃。活性料制備好后，解除真空加MDI，快速搖勻后倒入模具內進行澆鑄，加與模具一同預熱的模蓋。

表1 鑄型尼龍復合材料制備配方

（3）隨爐冷卻后備用，加工成所需試樣。

2 力學性能測定

2.1 拉伸性能

鑄型尼龍復合材料的拉伸強度試驗在WDW-20型電子萬能試驗機上完成。試驗參照《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》（GB/T 1447-2005）進行，試樣型式為Ⅰ型，連續加載，加載速度5 mm/min。試驗過程中記錄拉伸應力的變化并繪制拉伸曲線，試驗后以試驗的最大拉力值計算出拉伸強度和斷裂伸長率并分析拉伸曲線的變化規律。

圖1 為純鑄型尼龍材料的拉伸應力曲線。可以看出，拉伸應力曲線是較標準的塑性材料拉伸應力曲線，有一定的屈服過程，但屈服強度值和抗拉強度值差距不大。過了屈服階段，拉應力值變化不大。

圖1 純鑄型尼龍材料拉伸應力曲線

圖2 為由不同添加量、不同長度的磨碎碳纖維合成的鑄型尼龍復合材料的拉伸應力曲線。由圖可知，曲線的變化趨勢是拉應力隨著應變的增大而增大，增大的速率逐漸減慢直至斷裂，并且曲線的整體變化過程未出現明顯的屈服現象，與純鑄型尼龍材料有明顯不同。

圖2 鑄型尼龍復合材料拉伸應力曲線

圖3 為鑄型尼龍復合材料的拉伸強度隨著添加的磨碎碳纖維含量不同而變化的曲線。圖中的2 條曲線，位于上方的是添加長度為0.5～2 mm 磨碎碳纖維的鑄型尼龍復合材料的拉伸強度曲線，下方的是添加長度為1～2 mm 磨碎碳纖維的鑄型尼龍復合材料的拉伸強度曲線。可以看出，添加0.5～2 mm磨碎碳纖維的鑄型尼龍復合材料的拉伸強度高于添加1～2 mm 磨碎碳纖維的鑄型尼龍復合材料。上方的曲線先上升后略有下降；下方曲線略有上升，且相比于下方曲線，上方曲線上升的抗拉強度值幅度較大。由于0.5～2 mm 磨碎碳纖維在熔融態的基體內無方向性分散，長度較短，分散性更好，充分分散使得磨碎碳纖維與基體結合緊密，粘著力強，抗拉強度增強。相比之下，1～2 mm 的短切碳纖維在基體內長度相對長，相同質量下數量較少，受到基體與表面的摩擦約束大等情況，使得在宏觀表現上抗拉強度較添加0.5～2 mm 磨碎碳纖維的材料抗拉強度低。隨著碳纖維含量的增加，基體與碳纖維接觸增多，界面間結合力增加，抗拉強度增加。碳纖維增加超過一定量，過多的碳纖維在基體內分散困難，基體內的空氣等不易排出，粘著力下降，增強效果減弱，甚至會起到反作用。

圖3 拉伸強度隨碳纖維添加量變化曲線

圖4 為鑄型尼龍復合材料斷口形貌，可以看出磨碎碳纖維在聚酰胺基體內的形態和分散情況。從整體來看，磨碎碳纖維在基體內呈無規則散亂分布，試樣斷裂，有的磨碎碳纖維從基體內被全部或部分抽拔出來，在基體上留下空洞；有的是磨碎碳纖維的自身斷裂。從（a）到（c），隨著磨碎碳纖維的添加量增大，在基體內分布的磨碎碳纖維量增大，磨碎碳纖維自身承受外力的優勢表現越發明顯。在試樣破壞過程中，磨碎碳纖維與基體共同抵抗外載荷，直到斷裂或被抽拔出來失效。隨著碳纖維的含量增加，磨碎碳纖維的分散難度也在增加。適當增加含量2%～3%，磨碎碳纖維在基體內分散更充分均勻，與基體間接觸充分，相互作用力增加，抵御外載荷能力增強；繼續增加碳纖維含量3%～4%，可以看到磨碎碳纖維在基體內分散密集，甚至相互間纏繞、重疊。這樣的情況下過分的纏繞重疊會造成磨碎碳纖維與基體間結合力減弱，抗外載荷能力降低，更容易破壞。

圖4 鑄型尼龍復合材料斷口形貌

2.2 壓縮強度

鑄型尼龍復合材料的壓縮強度試驗也是在WDW-20 型電子萬能試驗機上完成的。試驗參照國標《纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》（GB/T 1448-2005）進行，試樣型式為Ⅰ型，連續加載，加載速度為2 mm/min。試驗過程中記錄壓力的變化并繪制壓縮曲線，試驗后以試驗的最大破壞載荷值計算壓縮強度并分析壓縮曲線的變化規律。

表2 為填充不同含量磨碎碳纖維的鑄型尼龍復合材料壓縮屈服強度。可以看出整體趨勢是屈服強度隨著碳纖維的填充量增大而增大，0.5～2 mm 的磨碎碳纖維比1～2 mm 的短切碳纖維增大速率快。添加的碳纖維本身均具有承受載荷的能力，在合成聚合物過程中與基體很好地融合在一體，增強內在的作用力，宏觀上表現為屈服強度的提高。由于0.5～2 mm 的磨碎碳纖維比1～2 mm 的短切碳纖維長度短，在熔融狀態下更易分散，流動性更好，能夠更好地與基體融合，有更強的分子間作用力，所以整體上添加0.5 mm 的磨碎碳纖維試樣的壓縮屈服強度比1～2 mm 短切碳纖維的壓縮屈服強度高。

表2 鑄型尼龍材料的壓縮屈服強度表

3 結論

隨著碳纖維填充量的增加，鑄型尼龍復合材料拉伸強度先提高再降低。當碳纖維填充量超過一定量后，纖維之間的連接和纏繞可在一定程度上提高復合材料的拉伸和沖擊強度。將改性后的鑄型尼龍復合材料用于帶式輸送機托輥，力學性能滿足要求。