聚酰胺6/蒙脱土复合材料的性能研究

刘晨明，游一兰，代佳洋，邓光铁(湖南城市学院 化学与环境工程学院，湖南 益阳 413000)

聚酰胺6/蒙脱土复合材料的性能研究

刘晨明，游一兰，代佳洋，邓光铁
(湖南城市学院 化学与环境工程学院，湖南 益阳 413000)

采用有机蒙脱土(OMMT)改性聚酰胺6(PA6)，并用熔融共混注塑成型的方法制备了PA6/OMMT复合材料，研究了复合材料的力学性能、耐热性能和摩擦磨损性能．结果表明，OMMT提高了复合材料的力学性能和耐热性，改善了PA6的摩擦磨损性能：OMMT含量为4 wt %时，复合材料的冲击强度和拉伸强度最大，比纯PA6分别提高了12.5%和10.9%；含量为2%时，维卡软化点温度达到最大，为212℃；含量分别为2 wt % 和3 wt %时，摩擦因数和磨损率最低，比PA6分别降低了69.6%和47.3%．

聚酰胺6；有机蒙脱土；力学性能；摩擦磨损性能

PA6具有优异的综合性能，在汽车、电子电器和工业机械等领域得到了广泛应用，但也存在低温冲击强度偏低，吸水率大，干摩擦因数高的缺点，一定程度上限制了PA6的应用．与其他聚合物共混，采用纤维、纳米、无机颗粒等填充改性是提高PA6性能的有效手段．如与冲击强度较高的ABS共混，PA6的冲击韧性得到改善[1]．而采用矿渣微粉和玻璃纤维混杂改性PA6可同时提高PA6的拉伸强度和冲击强度[2]．硅纳米材料与玻璃纤维混杂改性PA6可大大降低其摩擦因数和磨损率[3]．自20世纪80年代后期，Okada发现蒙脱土改性 PA比其他无机杂化物改性聚合物具有更优异的力学和热性能后，聚合物基蒙脱土复合材成为研究的热点．研究表明，蒙脱土提高了聚酰亚胺[4]、聚甲基丙烯酸甲酯[5]、酚醛树脂[6]和超高分子量聚乙烯[7]的摩擦磨损性能、力学性能和热性能．而蒙脱土改性PA6摩擦性能的研究鲜见文献报道．

为此本文以有机蒙脱土OMMT改性PA6，研究了PA6/OMMT复合材料的力学性能、热性能及摩擦磨损性能．

1 实验部分

1.1 原料

PA6，BL3280H，东莞能聚塑胶有限公司；OMMT，GK-8，江西固康新材料有限公司．

1.2 仪器设备

高速共混机，SHR-10A，张家港格兰机械有限公司；双螺杆挤出机(配切粒机)，SHJ-20，南京杰恩特机电有限公司；注塑机，KD1080KA，浙江省宁波市金星塑料机械有限公司；维卡软化点温度测定仪，XRW-30MA，美国TA仪器公司；电子万能试验机，CMT-7205，珠海三思试验设备有限公司；简支梁摆锤冲击试验机，XJJUD-50，湖北承德市大加仪器有限公司；摩擦磨损试验仪，UMT-3，美国CERT 公司．

1.3 试样的制备

PA6粒料先在100 ℃下真空干燥4 h去除其中的水分，然后将OMMT按不同比例与PA6混合均匀，再双螺杆挤出，挤出温度为220℃-240℃，水冷造粒，将粒料真空干燥后注塑成测试样品，注塑各区温度在240℃-250℃．

1.4 性能测试与表征

拉伸性能按照文献[8]执行．测试温度：室温，拉伸速度：5 mm/min．缺口冲击性能按照文献[9]执行．维卡软化点温度按照文献[10]执行．

摩擦磨损试验在UMT-3试验机上进行，平行测定3组样品，取平均值．实验参数如下：载荷40 N，转速200 r/min，时间120 min，干摩擦滑动，对偶件为 Ф9.5 mm的铬钢球，硬度为HRC62．上试样为铬钢球，下试样为摩擦样，上试样固定，摩擦样做往复滑行，往复1次定义为1转，冲程为10 mm．试样尺寸25 mm×25 mm×15 mm，实验前样品表面用1 000目水砂纸打磨光滑，并用丙酮清洁样品及对偶表面．整个试验由预先编好的程序来控制自动完成，试验数据由计算机自动采集，平均摩擦因数由材料进入稳定摩擦阶段的试验数据计算平均值得到．质量磨损用电子天平来测量，其中：△m是磨损前后质量差(g)；ρ为材料密度(g/cm3)；L为载荷(N)；d为摩擦过程中滑行的距离(m)．

2 实验结果与讨论

2.1 OMMT改性PA6的力学性能

图1 OMMT含量对PA6/OMMT复合材料冲击强度影响

图1为OMMT含量对PA6/OMMT复合材料的冲击性能的影响．从图1可看出，在OMMT含量低于3 wt %时，OMMT对PA6冲击强度的影响不大，当OMMT的质量分数为4 wt%时，复合材料的冲击强度达到最大，为4.5 kJ/m2，较纯PA6 的4.0 kJ/m2提高了12.5%．但继续增加OMMT含量，冲击强度又有所下降．

图2为OMMT对PA6/OMMT复合材料的拉伸性能的影响．

图2 OMMT含量对PA6/OMMT复合材料拉伸强度影响

从图2可以看出，随着OMMT的含量增加，复合材料的拉伸强度也随之增大，当OMMT含量低于2 wt%时，拉伸强度增加缓慢；而含量大于2 wt%时，拉伸强度迅速增大；当OMMT的含量为4 wt%时，PA6/OMMT复合材料的拉伸强度达到最大，为59.9 MPa，较纯PA6的54 MPa提高了10.9%；但随着OMMT含量的进一步增加，拉伸强度有所下降．

OMMT为纳米级，且其刚性大于PA6，在受到外力时，使得材料能承受更大的应力，可以提高PA6力学性能；当OMMT含量增加到一定程度后，其在材料中的分散程度降低，一些粒子出现团聚现象，使制品复合材料出现一些缺陷，导致材料的拉伸强度和冲击强度都有所降低．所以含量为4 wt%时力学性能最好．

2.2 OMMT改性PA6的耐热性能

图3 OMMT含量对PA6/OMMT复合材料维卡软化点温度的影响

图3为OMMT含量对PA6/OMMT复合材料的维卡软化点温度的影响，由图可以看出，复合材料的维卡软化点温度都比纯 PA6的高，在OMMT含量为2 wt %时，复合材料的维卡软化点温度最高，为 212.0 ℃，比纯 PA6提高了12.7 ℃．这是因为OMMT在复合材料中起到物理交联点的作用，限制了PA6链段的热运动．而含量高于3 wt %时，可能部分的OMMT没有发生插层，从而影响了材料的整体性能．

2.3 OMMT改性PA6的摩擦磨损性能

图4为载荷40 N，转速200 r/min时，PA6/ OMMT复合材料的摩擦磨损性能随OMMT含量的变化曲线．

图4 OMMT含量对PA6/OMMT复合材料摩擦因数和磨损率的影响

从图4可以看出，随着OMMT含量的增加，PA6/OMMT复合材料的摩擦因数和磨损率均呈现先下降再上升的趋势，摩擦因数和磨损率分别在OMMT含量为2 wt%和3 wt%时达到最低，此时，摩因数为0.14，较纯PA6的0.46降低了69.6%，磨损率为 7.9×10-5mm3/(N·m)，较纯 PA6的1.5×10-4mm3/(N·m)降低了47.3%．当OMMT含量较低时，摩擦表面少量的OMMT颗粒进入对偶面的沟壑内，降低了其粗糙度，并且OMMT本身具有自润滑作用，有利于形成转移膜，使得摩擦因数降低[11]，同时也减轻了试样的磨损．随着OMMT含量的增加，颗粒与基体结合不好、颗粒的团聚等会造成材料内部有缺陷，在摩擦过程中极易脱落，破坏转移膜，导致摩擦因数和磨损率都增大．

2.4 OMMT改性PA6的磨损表面形貌

纯PA6和2 wt %OMMT改性PA6的磨损表面SEM图如图5所示．PA6磨损表面平整、光滑，沿滑动方向有犁沟，在磨损表面有磨屑粘附，这是因为纯PA6较软，在摩擦时对偶对表面有较强刮削，磨损机理为轻微的粘着磨损；加入2wt%OMMT后，PA6/OMMT复合材料的磨损表面有很多的微裂纹，属于疲劳磨损，这是因为加入OMMT后，复合材料的力学性能和热稳定性提高，摩擦表面层和基体结合牢固，在摩擦力反复作用下，磨损表面层疲劳脱落，造成疲劳磨损．

图 5 OMMT改性PA6的磨损表面形貌

3 结论

加入OMMT，一方面，复合材料的拉伸强度和冲击强度增加；另一方面，改善了PA6的摩擦磨损性能，磨损机理由粘着磨损转为疲劳磨损．

[1]谭志勇, 李丹, 吴广峰, 等. PA6/ABS共混物性能研究[J]. 中国塑料, 2012 (1): 35-40.

[2]徐先锋, 曾玲升, 刘 烁, 等. PA6/GF/SP三元复合材料的制备及其力学性能研究[J]. 中国塑料, 2015(4): 19-23.

[3]张静, 姚昊萍, 杨和梅. 硅纳米材料与玻璃纤维混杂填充PA6复合材料的摩擦磨损性能研究[J]. 中国塑料, 2011 (7): 78-82.

[4]姜恒, 俞娟, 沈旭, 等. 蒙脱土/聚酰亚胺复合材料摩擦磨损性能[J]. 润滑与密封, 2015, 40(11): 94-97.

[5]陈奎, 杨瑞成, 张天云. 聚甲基丙烯酸甲酯/纳米有机改性蒙脱土复合材料的制备及其摩擦磨损性能研究[J]. 摩擦学学报, 2007, 27(2): 187-191.

[6]许文, 吴其胜, 吴乐华, 等. 蒙脱土插层改性酚醛树脂复合材料及其摩擦磨损性能[J]. 材料科学与工程学报, 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, 塑料拉伸性能测定标准[S].

[9]GB/T1043-93, 硬质塑料简支梁冲击试验方法标准[S].

[10]GB/T 1633-2000, 热塑性塑料维卡软化温度(VST)的测定标准[S].

[11]杨长城, 黄丽坚, 王晓东, 等. 纳米ZrO2改性热塑性聚酰亚胺复合材料的摩擦磨损性能[J]. 润滑与密封, 2009, 34(11): 80-82.

(责任编校：陈健琼)

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

湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划资助项目(201511527013)；益阳市科技计划资助项目(2015JZ08)

刘晨明(1996-)，男，安徽马鞍山人，湖南城市学院化学与环境工程学院2014级本科生，主要从事高分子材料改性研究．E-mail: 1138683693@qq.com