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提高聚酰胺耐磨性能解决方案

2018-07-11 来源:网络
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聚酰胺(PA),特别是PA6和PA66,由于具有出色的耐磨特性、高强度重量比、耐腐蚀性和韧度,被作为金属和复合材料替代产品用于要求苛刻的应用环境,如齿轮、轴承、传送带等部位。据悉,2020年,全球尼龙市场预计将达到437.7亿美元的规模,汽车轻量化计划对推动这一市场作出了一定的贡献。


尼龙聚合物磨耗依然纯在


尼龙聚合物及玻纤填充尼龙具有与生俱来的耐热和耐磨损性能,不管是与同类材料(与尼龙)配合,还是与不同材料(与金属或其它热塑性塑料)相配合,都非常适用于制造活动部件。尽管如此,磨耗依然存在。


常规解决方案美中不足


PA材料的防滑和耐磨性能可通过不同的途径得到增强,迄今为止,最常规的解决方案是聚四氟乙烯(PTFE)添加剂。在磨损状况下,聚四氟乙烯被暴露出来,随着摩擦的过程在表面铺展开,形成一层摩擦系数(COF)极低的类似涂层结构。


有机硅VS聚四氟乙烯


研究显示,适用于尼龙树脂及其复合材料的新一代有机硅基添加剂具可以带来优异的耐磨性能(包括耐磨损)、降低摩擦系数,同时弥补聚四氟乙烯的不足(无氟、密度低等)。道康宁进行了大量实验室测试,以对比新一代有机硅色母粒与聚四氟乙烯对耐磨性能、摩擦系数的影响。这些测试意在确定在30%(重量)玻纤填充PA6(后以GF-PA6代指)复合材料中,有机硅是否可以成功地取代或部分取代聚四氟乙烯。在GF-PA6复合材料中,以添加15%重量份聚四氟乙烯的样品位基准,与添加3.3%重量份有机硅的样品进行对比进行了以下测试:耐磨性:测量材料表面轮廓(形貌),确定其粗糙度;动态摩擦系数:测量运动过程中的防滑性能;摩擦系数随时间的变化:显示测试过程中添加剂性能的稳定性,可以较好地反映部件寿命期内添加剂的效率或行为;以及机械性能(抗冲击性、拉伸强度)和加工性能(螺旋流动和挤出扭矩)。


摩擦性能


用摩擦磨损试验机测量注塑样品的动态摩擦系数。对磨材料为直径为10mm的钢球。测试按照ASTM G133标准第三部分进行。测试显示,有机硅色母粒样品的动态摩擦系数可以与含15%重量份聚四氟乙烯的基准样相媲美。根据动态摩擦系数测试之后,测试耐磨性能。使用仪器为表面测试仪。刮痕深度用最大深度(微米)表示。如摩擦系数测试的结果一致,有机硅色母粒样品的的耐磨性能与添加聚四氟乙烯的基准样水平相当。扫描电子显微镜(SEM)图片显示,不论是含有聚四氟乙烯的样品还是有机硅制备的样品,GF-PA6复合材料在测试后的表面都非常光滑。在微米尺度上,两个样品的耐磨表现旗鼓相当。


从测量动态摩擦系数的设备上,也可以测得摩擦系数随时间的变化。有机硅添加剂起效比聚四氟乙烯快(即刻有效与800秒后起效)。含有有机硅色母粒样品的摩擦系数几乎立即达到了稳定,但聚四氟乙烯样本起始时摩擦系数较高,随着摩擦时间的延长缓慢降低,至稳定工作状态。


机械性能


拉伸强度和模量的测试根据ISO 527-2 1a类标准所示的牵引方法。抗冲击性能根据ISO 179-2标准测试。80 x 10 x 4 mm的测试样条从注塑得到的哑铃型拉伸样条上截取。使用聚四氟乙烯的GF-PA6样品,可观察到材料变脆的趋势,具体的表现是:拉伸模量略有增加,断裂伸长减小,抗冲击强度下降。而添加有机硅色母粒得样品几乎可以100%保持GF-PA6复合材料的机械性能水平。


可加工性能


扭矩可以直接在样品制备过程中,从Brabender同向旋转双螺杆挤出机(D20,L/D40)加工参数中获得。与含有聚四氟乙烯的对照样品加工时的扭矩36 Nm相比,采用有机硅助剂的样品扭矩较小(33 Nm)、螺旋流动率增加约30%,加工性能得到改善。较低的扭矩有利于提高挤出机生产效率,高流动性有助于满足薄壁和复杂部件的设计需求。


密度    


含有聚四氟乙烯和含有机硅色母粒的GL-PA6混料,两者的密度都通过浸水法测得。由于基准样中15%重量份的PTFE被3.3%重量份的有机硅色母粒取代,含有机硅色母粒样品密度比含有聚四氟乙烯的基准样低10%。


聚四氟乙烯多年来被用于尼龙聚合物及其复合材料改进摩擦性能,但由于有效添加量较高,也带来明显的问题:密度高,影响部件重量和成本;流动性能降低,限制了部件设计和注射成型产率等。新一代有机硅基添加剂提供了聚四氟乙烯之外的另一个解决方案,在添加量较低的情况下,摩擦系数和耐磨性能与后者相当。有效用量的降低避免了使用聚四氟乙烯材料会出现的机械性能下降,也使得有机硅技术的具有成本优势。先进的有机硅添加剂带来的高流动性提升了设计自由度,加工过程中的低扭矩则提高了加工性能。另外,有机硅技术也避免了氟相关的潜在健康和安全风险。综上所述,有机硅色母粒与可赋予尼龙树脂及其复合材料更优秀的摩擦系数和耐磨性能,同时不会牺牲机械性能、加工性能、密度和安全性。


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