EkonolGMoS2POM复合材料的磨损机理研究吴茵

EkonolGMoS2POMEkonolGMoS2POM复合材料的磨损机理研究吴茵复合材料的磨损机理研究吴茵 作者简介 吴茵 1972 女 长沙理工大学材料科学与工程学院讲师 E mail clarewuxx 21 xx 11 22第23卷第2期xx年3月Vol 23 No 2Mar xxEkonol G MoS2 POM复合 材料的磨损机理研究Studyonwearmechanism oftheEkonol G MoS2 POMposite吴 茵1WUYin1 陈建兵2CHENJian bing2 周拥仔1ZHOUYong zi1 龙春光1LONGChun guang1 1 长沙理工大学材料科学与工程学院 湖南长沙 410076 2 长沙理工大学汽车与机械工程学院 湖南长沙 410076 1 InstituteofMaterialsScienceandEngineering Changsh aUniversityofScienceandTechnology Changsha Hunan410076 Chin a 2 InstituteofAutomobileandMechanicalEngineering Changsha UniversityofScienceandTechnology Changsha Hunan410076 China 摘要 用转矩流变仪共混 模压成型方法制备了Ekonol G MoS2 POM复合材料 通过环块磨损试 验机对材料的耐磨性能进行了测试 并用SEM对磨损表面进行了观察 和分析 在此基础上探讨了复合材料的磨损机理 结果表明 与POM相比 复合材料具有优良的耐磨性能 随着Ekonol含 量的增加 复合材料的磨损机理发生了由犁沟 粘着磨损向疲劳磨损 磨粒磨损的转变 关键词 复合材料 耐磨性能 磨损机理Abstract Ekonol G MoS2 POM positewaspreparedbyblending pressingmethodwithtorquerheometer Thetribologicalbehaviorha sbeenstudiedbythering blockweartester Thewearsurfaceofthe positehasbeeninvestigatedbytheSEMtechnique andonthebaseofit wearmechanismhasbeenanalyzed Resultsshownthatparedwithpure POM thepositehasbettertribologicalproperties Withthein creaseofEkonolcontent thewearmechanismofthepositehasbeencha ngedfromfurrowandadhesionweartofatigueandgrainwear Keywords Composite Wearresistanceproperty Wearmechanism包装与食品机 械的工作环境和加工对象具有特殊性 因此对用于包装与食品机械的 某些传动零部件如轴承材料有特殊要求 塑料轴承以其质轻 无毒 耐腐蚀 耐高温 耐压 耐磨以及优良 的自润滑性等金属材料所不可替代的优点 再加上塑料成本低 在包 装与食品机械上得到广泛的应用 而且前景广阔 1 在欧美各国受到 高度重视 但是塑料轴承在我国尚处于起步阶段 在原料生产 产品应用方面都 比较欠缺 具有关方面不完全统计 近5年来 国内通用的聚碳酸脂 聚甲醛 聚 酰胺 热塑性树脂 改性聚苯醚等五大工程塑料和市场需求量一直 保持30 3 的高速增长 而目前国内的包装与食品机械中的塑料轴承基本上都依赖于从国外 进口 例如国内著名厂商如乐惠包装 仅一包装 南京轻机 合肥轻 机及广州二轻机等均选用在塑料轴承领域处于世界领先水平的德国 易格斯公司的塑料轴承产品 在包装与食品机械中可以用作轴承材料的塑料有尼龙 PA 聚甲醛 POM 聚四氟乙烯 PTFE 聚砜 PSU 聚苯醚 PPO 聚酰亚胺 PI 等 2 其中POM被誉为 超钢 它无毒 自洁 不污染环境 自润滑性好 耐疲劳 具有优越的力学性能和化学性能 可广泛应用于乳品机械 制造 食品加工工业中 3 然而 普通的POM一般只能用于低载 低速和低负荷条件下 随着各种产业机械不断向小型化 高性能化和高速度化等方向发展 必然要求零部件满足高速 高温 高压等工作条件 因此必须对POM 进行改性 多年来 其研究内容主要集中在增强增韧 4 6 和改善摩擦磨损性能 7 9 两个方面 其中又以提高POM的摩擦性能为主 本课题组采用聚苯酯 Ekonol 和固体润滑剂石墨 G MoS2对POM进 行了改性 成功研制出具有良好力学性能的Ekonol G MoS2 POM复合 材料 10 由于POM及其复合材料主要作为具有相对运动的结构零件如轴承加以 应用 其摩擦磨损性能至关重要 因此 对POM复合材料的耐磨性能及磨损机理进行研究 以期能够为该 材料的实际应用提供理论基础和参考依据 1 实验材料与方法1 1 材料POM 密度1 35g cm3 150目 上海溶剂厂 Ekonol 密度1 44g cm3 200目 化工部四川晨光研究院 其他助剂 市售 采用转矩流变仪共混 模压成型方法制备Ekonol G MoS2 POM复合材料的工艺过程见图1 74DOI 10 13652 j issn 1003 5788 xx 02 019图1 模压法制备复合材料的工艺过程通过参考有关文献 11 根据高聚物 结晶的基本理论及POM的有关性质 将石墨G和二硫化钼MoS2的含量 质量分数 固定为8 且按G MoS2 7 1配比 并确定Ekonol含量 质量 分数 分别为 10 15 20 25 30 35 转矩流变仪共混温度 为190 195 烧结加热温度为260 280 成型压力为4 6MPa 空 冷 原料以及共混后样品用干燥箱进行充分干燥 90 3 5h 材料 的预压和压制成型在四柱式平板压力机上进行 采用自制的固体脱模 剂进行脱模 预压后进行烧结时保持一定压力 以减少制品缺陷 压制 成型过程中应进行多次脱气 压力由小到大 待温度降到一定值时再 按工艺要求进行保压冷却 1 2 耐磨性能测试摩擦磨损实验在MRH 5A型环块磨损试验机上完成 实验参数为 试样尺寸19 12 3 对摩件为40mm的45钢环 硬度HRC48 55 表面粗糙度为1 6 0 8 m 转速200r min 磨损时间为2h 摩擦 状态为室温下干摩擦 实验数据为每组取5个试样的平均值 采用称重法来评定材料的耐磨性 即 W W磨前 W磨后式中 W磨前 试样 试环和试块 磨损前的重量 mg W磨后 试样磨损后的重量 mg W 磨损量 mg 2 结果与讨论2 1 复合材料的耐磨性能通过摩擦磨损实验采集的Ekonol G MoS2 POM复 合材料原始数据见表1 表1 复合材料摩擦磨损实验结果Ekonol含量 wt 101520253035复合材 料的磨损量 mg15 8512 4810 812 116 7322 13 在相同条件下 纯POM和G MoS2 POM复合材料的平均磨损量分别为38 5mg和23 1mg 即加入质量百分比为7 G和1 MoS2后 复合材料的磨损 量比POM减少40 说明固体润滑剂 G和MoS2 对POM有较好的减摩效果 这主要与摩擦过程中它们在对磨环上形成转移膜从而降低了摩擦系 数有关 Ekonol G MoS2 POM复合材料的磨损量与Ekonol含量的关系见图2 图2 Ekonol含量对复合材料耐磨性的影响由图2可知 适当的加入Ekonol 能提高复合材料的耐磨性能 随着Ekonol含量的增加 复合材料的磨损量呈现先减小后增大的趋势 其磨损量最小值 10 8mg 出现在Ekonol含量为20 的点 比纯POM降低 了71 这说明Ekonol能有效改善POM的摩擦学性能 且与G和MoS2配合使用具 有协同减摩抗磨的效果 其中的原因可能包括三个方面 首先 由于Ek onol的晶体呈层片状 与G和MoS2晶体结构相类似 因此易产生层间滑 移从而有助于在对磨件表面形成转移膜 具有一定的自润滑作用 其 次 由于Ekonol 含G和MoS2 的熔融温度较高 在冷却结晶过程中 起 一定的异相成核作用 细化了晶粒 有助于提高材料的强度和硬度 再 次 增容剂的加入 增加了填料与基体POM的相容性 提高了其界面强 度 使填料在磨损中不易从基体中脱落 以上因素的综合作用 导致复合材料的耐磨性有较大幅度的提高 然而 当Ekonol含量超过20 时 由于Ekonol和基体POM相容性较差 有 些Ekonol硬质点会因受力而脱离基体成为磨粒 在摩擦过程中 这些 磨粒被夹持在两对磨面之间运动 从而破坏了对磨面上的转移膜 加 剧了对磨面的磨损 使对磨面粗糙度降低 如此反过来又会加剧试样 的磨损 而且Ekonol含量越高 这种磨粒越多 试样磨损性越严重 所以当图2 中的Ekonol含量超过20 时曲线呈上升趋势 材料的摩擦学性能变差 用50 NaOH溶液刻蚀样品 使Ekonol从样品表面脱落留下微孔 通过观 察分析它在表面的分布及其与基体的界面结合情况 图3 a b c d 分别是POM基复合材料的微观SEM照片 图 a 表示Ekonol含量为10 但不含固体润滑剂的Ekonol POM复合材 料中 Ekonol粒子 孔洞及有些尚未腐蚀脱落的白色颗粒状物质 在基 体上呈弥散分布状态 分布较为均匀 图 b 显示在Ekonol含量为20 的Ekonol POM复合材料中 Ekonol有一 定的团聚现象 图 c 的高倍照片表明其内部组织呈现出蜂窝状特征 两相界面清晰 说明Ekonol与基体的相互作用较差 图 d 中是Ekonol含量为20 的Ekonol G MoS2 POM的SEM照片 除20 的Ekonol之外 还含有8 的石墨 G 75机械与设计 xx年第2期及二硫化钼 MoS2 而G和MoS2不受NaOH侵蚀 因此 样品表 面除了孔洞之外 还有其它白亮色或暗灰色颗粒状物质 照片显示其 组织比图 b 中组织细小 分布更加均匀 说明石墨 G 及二硫化钼 Mo S2 的加入可使功能相变小 同时改善了功能体与基体之间界面的浸 润性 增大了其相互作用 功能相与基体之间的界面结合比ZPE20要好 这将导致其强度和韧性比ZPE20更好 图3 POM复合材料的微观SEM照片同时 本课题组的另一研究结果表明 12 在固体润滑剂含量一定时 质量分数8 Ekonol含量为质量分数20 的Ekonol G MoS2 POM复合材料的压缩强度比纯POM提高36 4 承载 能力即PV极限值提高15 弯曲强度和冲击强度稍有降低 但并不妨碍 其作为结构零件使用 因此 Ekonol含量为20 的Ekonol G MoS2 POM复合材料具有较为理想 的摩擦学性能和力学性能 是一种综合性能优良的自润滑复合材料 2 2 复合材料的磨损机理POM及其复合材料的磨损表面SEM照片见图4 图4 a 是POM磨损表面的SEM照片 从中可以看到相互平行排列着连续分布的梨沟 还有大面积的因粘着 而产生的撕裂痕迹 说明POM的磨损机理是以梨沟 粘着磨损为主 13 这与POM基体硬度较低 韧性较好 而且属于单向组织有关 图4 b 是Ekonol含量为10 的复合材料磨损表面SEM照片 从中主要看到平行排列的梨沟 撕裂现象明显减弱 说明其磨损机理 以梨沟为主 粘着为辅 原因在于 与POM相比 材料的抗压屈服极限和 硬度提高 抗粘着能力增强 图4 c 为Ekonol含量为20 的复合材料磨损表面SEM照片 图中磨痕不是很明显 说明复合材料的耐磨性能较好 但出现了少量 凹坑 说明出现了少许的疲劳磨损 这主要因为加入功能体后 复合材料具有多相组织 且Ekonol的加入 使材料硬度提高 抗粘着能力增强 此外 Ekonol与POM润湿性较差 界面结合强度较低 当作用在Ekonol 硬质点上的剪切力大于界面强度极限时 硬质点会产生疲劳脱落 在 材料表面留下剥落坑 图4 d 为Ekonol含量为30 的复合材料磨损表面SEM照片 图中除了可以看到更多的疲劳剥落坑之外 还可以看到因脱落磨粒的 碾压作用而在磨损表面留下的弧形沟槽 磨粒仍然镶嵌在其一端 说 明发生了磨粒磨损 此时 复合材料的磨损机理转换为疲劳磨损加磨粒磨损 这里的磨粒多为Ekonol粒子 可见 纯POM的磨损机理为梨沟和粘着磨损 Ekonol的加入 直接影响着复合材料的磨损机理 随着Ekonol含量的增加 复合材料的磨损机理发生了由梨沟 粘着磨 损向疲劳磨损 磨粒磨损的转变 图4 POM及其复合材料的磨损表面SEM照片3 结论Ekonol和固体润滑剂 G和MoS2 的加入 能有效的降低复合材料 的磨损量 提高POM的耐磨性能 其中Ekonol质量分数为20 左右时 耐 磨性比POM提高了71 具有较为理想的摩擦学性能和力学性能 是一 种综合性能优良的自润滑复合材料 随着主功能体Ekonol的加入及其含量的增加 POM及其复合材料的磨 损机理发生了由梨沟 粘着磨损向疲劳磨损 磨粒磨损的转变 参考文献1 徐国义 刘义翔 徐征 等 工程塑料在食品机械中的应用 J 农机化 研究 xx 3 139 141 2 叶保华 俞志敏 非金属材料在包装和食品设备上的应用 J 包装与 食品机械 xx 19 4 32 34 3 许晓东 通用工程塑料的发展状况及应用 J 工程塑料应用 1999 27 8 28 29 4 汪晓东 张强 酚醛树脂的增容作用对聚甲醛 丁腈橡胶共混物的韧性 结晶形态和亚微相态的影响 J 高等学校化学学报 xx 17 4 673 677 下转第136页 76第23卷第2期吴 茵等 Ekonol G MoS2 POM复合材料的磨损机理研究 14 RaviyanP ZhangZ FengH Ultrasonicationfortomatopectin methylesteraseinactivation effectofcavitationintensityandte mper atureoninactivation J JournalofFoodEngineering xx 70 2 189 196 15 ZhongMT MingXW SuPW JuQK Effectsofultrasoundandadditiveson thefunctionandstructureoftrypsin J UltrasonicSonochemistry xx 11 399 404 16 MasonTJ PaniwnyL Lorimer J JP UltrasonicSonchemistry 1996 3 253 260 17 KashkooliHA RooneyJA RoxbyR J J AcountSoc Am 1980 87 5 1798 1801 18 黄卓烈 等 超声波对酵母过氧化氢酶及多酚氧化酶活性的影响 J 中国生物工程杂志 xx 23 4 89 93 19 钱春梅 谭兆赞 等 超声波对菜豆种子超氧化物歧化酶活性的影响 J 华南农业大学学报 xx 25 3 73 77 20 朱国辉 黄卓烈 等 超声波对菠萝果蛋白酶活性和光谱的影响 J 应 用声学 xx 22 6 10 14 38 21 陈小丽 黄卓烈 等 超声波对淀粉酶催化活性的影响 J 华南农业大 学学报 xx 26 1 76 79 22 朱少娟 超声波加速胰蛋白酶反应及其机理的探讨 D 江南大学 xx 14 15 23 马海乐 杨巧绒 等 超声波对螺旋藻蛋白质酶解促进作用的实验研究 J 食品科学 xx 24 10 35 37 24 严慧敏 黄炜 廖兆全 超声波和TritonX 100对鸟氨酸氨基甲酰转移酶催化活性的影响 J 催化学报 1999 20 4 479 481 25 MunishwarNG Enzymefunctioninorganicsolvents J EurJ Biochem 1992 203 25 26 谢渝春 刘会洲 陈家镛 等 有机相中酶的活性 对映体选择性和稳 定性 J 化工学报 2000 51 增刊 264 27 崔玉敏 魏东芝 俞俊棠 水在有机介质酶催化反应 J 生物工程进展 1999 19 1 54 28 黄惠华 梁汉华 郭乾初 等 超声波对大豆胰蛋白酶抑制剂活性及二 级结构的影响 J 食品科学 xx 25 3 29 33 29 BraceyE SlenningRA BrookerBE Relatingthemicrostructureofenz ymedispersionsinorganic solventstotheirkiicbehavior J Enzy meMicrobTechnol 1998 22 3 147 上接第76页 5 于建 王书武 NBR对POM树脂的增韧行为 J 高分子材料科学与工程 2000 16 1 109 112 6 凤雷 李道火 非晶纳米Si3N4对POM的增强与增韧研究 J 量子电子 学报 1999 16 4 350 353 7 Ha X Jiang L Preparationandcharacterizationofoil containingPOM PUblends J JournalofSyntheticLubrication 199 8 15 1 19 29 8 于建 秦燕 等 复合润滑体系对POM树脂摩擦磨损性能的改良效果 J 高分子材料科学与工程 xx 17 1 82 85 9 Mens J W M deGee A W J Frictionandwearbehaviourof18polymer sincontactwithsteelinenvironmentsofairandwater J Wear 1991 149 1 2 255 268 10 Chun guangLong StudyontheEkonol G MoS2 POM posite J Journalofthermoplastiompositematerials xx 15 1575 1582 11 余乃梅 姚青青 三元高分子复合材料结构与性能关系 J 厦门大学 学报自然科学版 1983 22 3 306 312 12 龙春光 吴茵 华熳煜 聚甲醛多元复合材料的力学性能和承载能力 J 功能材料 xx 36 5 684 686 13 Qun JiXue Qi HuaWang W