漆籽壳纤维含量对聚甲醛/玄武岩纤维复合材料的力学及摩擦学性能的影响

刘俊鹏，龙春光，谌 磊，付扬威，许可可，董佩冉

(长沙理工大学汽车与机械工程学院，湖南 长沙 410004)

漆籽壳纤维含量对聚甲醛/玄武岩纤维复合材料的力学及摩擦学性能的影响

刘俊鹏，龙春光，谌 磊，付扬威，许可可，董佩冉

(长沙理工大学汽车与机械工程学院，湖南 长沙 410004)

采用熔融共混、注射成型等工艺制备了聚甲醛(POM)/玄武岩纤维(BF)/漆籽壳纤维(LSSF)复合材料，通过力学试验、摩擦磨损试验和扫描电子显微镜分别研究了复合材料的力学性能、摩擦学性能和微观形貌。结果表明，LSSF和BF较均匀地分散于POM基体中，且界面相容性较好；POM/BF/LSSF复合材料的冲击性能、流动性能和摩擦性能相对于POM/BF复合材料都有一定的提高；与POM/20%BF相比，当LSSF的添加量为10 %(质量分数，下同)时，复合材料的流动性能提高了68 %；当LSSF添加量为15 %时，复合材料的冲击性能提高了225 %；当LSSF添加量为5 %时，复合材料的摩擦因数降低了23 %，磨损量降低了70 %；复合材料的主要磨损机制由低漆籽壳含量时的磨粒磨损转变为高漆籽壳含量时的磨粒磨损和黏着磨损复合作用。

漆籽壳纤维；玄武岩纤维；聚甲醛；摩擦学性能

0 前言

POM是五大通用工程塑料之一，由于其成型工艺简单、抗蠕变性能好、耐磨耐腐蚀以及价廉等特点受到广泛关注。POM广泛应用于机械制造、汽车、电子电器工业等行业中承担动力传动传导的零部件，也是最早用作齿轮的工程塑料之一。然而，其耐热性差、冲击韧性低、缺口敏感性大等弱点却限制了其只能用于低温、低载和低速条件下。因此，自问世以来，对POM的改性研究从未间断过[1-4]。

目前，POM 耐磨增韧改性主要采用接枝改性[5]和共混改性2种方式。其中，共混改性POM是最为常见的方法[6-9]，该方法工艺操作简单易行且成本较低。现今，天然纤维增强POM也备受关注[10]。BF具有强度高、模量高、耐高温性佳、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、过滤性好、压缩强度和剪切强度高，适应于各种环境下使用，且性价比高。BF能有效提高基体材料的拉伸，弯曲和冲击性能，提高材料的硬度，但对材料的摩擦和磨损性能有着负面作用，从而限制了其的发展[11-15]。有研究人员认为单丝相互缠绕形成纤维束的纤维增强树脂在受力时易发生断裂，而纤维素纤维则是从基体中拔出，且纤维素纤维与基体间的界面相容性更加优良[16]。而LSSF是一种新型的植物纤维，LSSF是由外果皮和中果皮两部分组成，约占漆籽总质量的40 %[17]。LSSF的加入能够提高复合材料的热稳定性，对材料的冲击性能以及摩擦磨损性能提升明显，且该材料是植物纤维，能一定程度上降低对环境的污染[18]。在POM中加入BF后,复合材料在力学性能上有显著提高,当BF在20 %时,改善最为明显,但在摩擦性能上较差[19]。本文主要研究在BF含量为20 %时，LSSF的含量对POM复合材料力学及摩擦学性能的影响，并在对磨痕显微观察的基础上初步分析其磨损机理。

1 实验部分

1.1 主要原料

POM，M90，云南云天化股份有限公司；

LSSF，直径为150～350 μm，长度为3～6 mm，湖南省憨豆农林科技有限公司；

BF，BFCS-11-4，浙江石金玄武岩纤维有限公司；

硅烷偶联剂，KH550，仪征天扬化工有限公司；

无水乙醇，分析纯，衡阳市凯信化工试剂有限公司；

抗氧剂1010,AO-601010,飞翔化工滨海有限公司；

三乙醇胺,分析纯,成都科龙化工试剂厂；

氢氧化钠(NaOH)，分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司。

1.2 主要设备及仪器

摩擦磨损试验机，MMW-1，济南思达测试技术有限公司；

熔体流动速率仪，XNR-400，北京金盛鑫检测仪器有限公司；

洛氏硬度计，HR-150A，济南峰志实验仪器有限公司；

简支梁冲击试验机，XJJ-5，济南天辰试验机制造有限公司；

转矩流变仪,RM-200A,哈尔滨哈普电气技术有限责任公司;

立式注塑机,415,深圳市今益鑫注塑机有限公司;

数显鼓风干燥箱,GZX-9240 MBE,上海博讯实业有限公司医疗设备厂;

1.3 样品制备

精选出LSSF中纤维部分，清水中洗净，90 ℃烘24 h，将烘干后的LSSF浸入8 %的NaOH溶液搅拌至完全浸入，在浸泡过程中搅拌数次，30 min后滤出，用醋酸洗至中性,在90～100 ℃的烘箱内烘干到恒重；将烘干后的LSSF和BF分别浸入3 %的KH550溶液中搅拌至完全浸入，在浸泡过程中搅拌数次，30 min后滤出，在90～100 ℃的烘箱内烘干到恒重；将LSSF与BF按表1给出的比例和POM进行熔融共混，加入0.2 %的1010、0.2 %的三乙醇胺等；通过双螺杆挤出机挤出造粒，螺杆转速设置为35 r/min,温度设定依次一～四区160、175、185、190 ℃;采用注射成型方法制成所需试件；温度设定依次为175、185、195 ℃，注射压力为60 MPa，保压时间15 s；样品在50 ℃的烘箱中退火2 h。

表1 POM/BF/LSSF复合材料的组成

1.4 性能测试与结构表征

摩擦磨损试验所用的摩擦片为立式注塑机注射成型的直径、厚度分别为30 mm和3 mm的圆片型标准摩擦片，实验所用对偶件为45#钢销、Cr15销和304不锈钢销3种，实验载荷为100 N，转速为200 r/min，测试时间为3600 s，所有数据均由电脑自动采集；

熔体流动速率测试：试验温度为190 ℃，标称质量为2.16 kg，标准口模的内孔径为2.095 mm，切段时间间隔30 s；

洛氏硬度测试：仪器的予置力值设定为150 kgf，采用金刚石压头，使用一定负荷压入被测材料的表面；

冲击强度按GB/T 3682—2000进行测试，冲击样条尺寸为80 mm×10 mm×4 mm，无缺口，冲击能量为5 J，冲击速度为2.9 m/s，实验结果取5组测试结果的算术平均值；

SEM分析：用锯子将试样摩擦处的2～3 mm锯下,磨损面朝上,用导电胶固定在试样台上经喷金处理后进行拍照,设置加速电压20 kV，放大倍率分别为200倍和2000倍。

为了简便起见，设M∈n×n是要恢复的矩阵.rank(M)=r，r≪n.{Mij,(i,j)∈Ω}是M中已知的矩阵元素的集合.尽管M中有n2个元素，但是M的自由度仅为2nr-2r2.当r比较小时，2nr-2r2≪n2.那么，是否有可能在已知矩阵部分元素的情形下，恢复全部的n2个元素呢？一般来讲，不是所有的矩阵都可以从部分元素准确恢复其全部元素,比如下面的矩阵：

2 结果与讨论

2.1 流动性能

如图1所示，添加了LSSF复合材料的熔体流动速率均比未添加LSSF的复合材料显著提高，且随着LSSF含量的增加，复合材料的熔体流动性先增大后减小，使其加工性能得到明显改善。LSSF含量为10 %的复合材料的流动性比未添加LSSF的复合材料提高了68.0 %。这可能是因为一方面，LSSF本身含有油脂，在NaOH处理过程中发生了皂化反应，其产物具有一定的润滑作用；另一方面，柔性的LSSF插入到POM的大分子链段中，有效地降低了复合材料的内部摩擦，从而改善了复合材料的熔体流动速率[20]。随着LSSF含量继续增加，纤维团聚增多，阻碍作用增大，且刚性BF对POM的流动性有一定的抑制作用，因此复合材料的熔体流动速率降低。

图1 LSSF含量对复合材料熔体流动速率的影响Fig.1 Influence of LSSF content on the melt flow rate of POM/BF composites

2.2 力学性能

如表2所示，与未添加LSSF的1#样品相比可知，随着LSSF含量的增加，复合材料的拉伸和弯曲性能均出现不同程度的降低。因为LSSF、BF和POM在承载时形变大小不同，会出现银纹，沿黏结面形成断裂，产生裂缝。但随着LSSF含量的增加，复合材料的冲击性能呈先增加后降低的趋势，4#的冲击性能比1#提高了225 %。柔性的LSSF增强复合材料强度低但韧性好，当BF和LSSF含量相差不大时，它们之间的混杂界面数较多，受到冲击时吸收的冲击能也越多[21]。纤维含量低时，纤维从基体中拔出因界面摩擦和产生微裂纹会消耗、吸收外界的能量[22]，且LSSF具有优良的塑形形变能力，在冲击力的作用下，起到应力吸收和传递的作用，提高复合材料的冲击强度。纤维含量过高，纤维在基体中的团聚倾向增强，冲击韧性下降。

表2 复合材料的力学性能

2.3 摩擦性能

图2 不同含量LSSF在摩擦副为Cr15时对复合材料摩擦学性能的影响Fig.2 The influence of LSSF content on the friction performance with the fricion pair of Cr15

如图2所示，与未添加LSSF的样品相比，随着LSSF的加入使复合材料的摩擦因数和磨损量先降低然后升高。LSSF含量为5 %的复合材料的摩擦因数比未添加LSSF的复合材料降低了23 %，磨损量降低了70 %。因为当LSSF含量较低时，LSSF和BF的交互作用较大，2种纤维与POM基体的结合性好，协同减磨效果明显。复合材料在摩擦过程中的磨屑有一部分转移到对摩件上，起到润滑的效果[23]。随着复合材料中纤维含量过多，承载纤维增多，纤维与基体的相互作用变差，脱落的磨屑破坏了转移膜的连续性，使得摩擦系数和磨损量上升[24]。

2.4 表面形貌分析

在图3(a)中，当复合材料只加入BF时，复合材料表面有明显的纤维拔出、剥落现象及粒状脱落物出现。此时，主要由刚性BF承担载荷，与对偶件直接接触，拔出的纤维使得表面微凸体增多，磨损量升高，此时复合材料主要的磨损机理为犁耕和磨粒磨损。从图3(b)中可以看出，加入的LSSF减少BF暴露且承担一定载荷，减少材料表面微凸体的数量，摩擦因数降低。在摩擦过程中脱落的磨屑含有蜡质，磨屑一部分转移到对磨件上，起到润滑作用，还可以弥补表面划痕，嵌在基体表面，保护基体免受进一步的磨损[25]。在图3(c)中，随着LSSF含量增多，使得复合材料中的纤维含量超过了一定限度，承担载荷的纤维数量大，摩擦剧烈，导致摩擦因数升高。摩擦越剧烈，摩擦产生热量越多，磨损表面基体变软，基体对纤维包覆作用降低，使得纤维大量的剥落，宏观表现为磨损量的上升，此时复合材料的主要磨损机理为黏着磨损和磨粒磨损复合作用。

样品编号：(a)1# (b)2# (c)5#图3 不同含量LSSF的复合材料的磨损表面SEM照片Fig.3 SEM of worn surfaces of composites with various contents of LSSF

3 结论

(1)LSSF能提高POM/BF/LSSF复合材料的熔体流动速率，且随着LSSF含量的增加出现先增后降的规律，当LSSF含量为10 %，BF含量为20 %时，复合材料的流动性能最好，提高了68 %；

(2)当LSSF含量为15 %，BF含量为20 %时，复合材料的冲击性能最好，提高了225 %；添加了LSSF复合材料在拉伸和弯曲性能上均出现不同程度的降低；

(3)LSSF对复合材料的摩擦磨损性能有一定的改善作用，加入LSSF能明显降低摩擦因数，当纤维总量超过一定量时，摩擦因数呈上升趋势；当LSSF含量为5 %，BF含量为20 %时，复合材料的摩擦因数降低了22 %，磨损量降低了70 %；

(4)POM/BF复合材料的磨损机理主要是磨粒磨损；随着LSSF的加入，复合材料的磨损主要是黏着磨损；随着LSSF含量的增多，由黏着磨损转变成黏着磨损和磨粒磨损复合作用。

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Effect of Lacquer-seed-shell-fiber Content on Mechanical and Tribological Properties of Polyoxymethylene/Basalt Fiber Composites

LIU Junpeng, LONG Chunguang, CHEN Lei, FU Yangwei, XU Keke, DONG Peiran

(School of Automobile and Mechanical Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China)

Polyoxymethylene (POM)/basalt fiber (BF)/lacquer seed shell fiber (LSSF) composites were prepared through a melt blending method, and their mechanical properties, tribological performance and microstructure were investigated. The results indicated that the LSSF and BF were homogenously dispersed in POM matrix with good compatibility. The impact toughness, fluidity and friction performance of the ternary composites are improved in comparison with POM/BF composites. The fluidity of POM/BF/LSSF composites increased by 68 % when 10 wt % of LSSF was added. The impact performance was improved by 225 % with the addition of 15 wt % LSSF. Moreover, the composite showed a reduction in friction coefficient by 23 % and in wear loss by 70 %, respectively, at the LSSF content of 5 wt %. The worn mechanism is attributed to abrasive wear for the composites at low contents of LSSF but to abrasive wear and adhesive wear at the high contents of LSSF.

lacquer seed shell fiber; basalt fiber; polyoxymethylene; tribological performance

2016-11-16

TQ323

B

1001-9278(2017)04-0040-05

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.04.008

联系人，254838320@qq.com