POM_TPU共混物的力学性能和摩擦磨损性能研究[1]
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F ig 1 E ffect o f com patib ilize Z content on notched Izod impact streng th of POM /TPU ( 70 /30) b lend
图 1 为 POM /TPU ( 质量 比 70 /30, 树脂总 质量 为 100份, 下同 ) 共混物缺口 冲击强度 随增容剂 Z 用量的变化曲线。由图可知, 加入增容剂后合金的冲 击强度提高, 当增容剂 Z 的用量为 5份时, 共混体系 的缺口冲击强度比在同条件下, 未加入增容剂 Z 的 缺口冲击强度提高了 50% 。这是由于增容剂 Z 促进 了分散相 TPU 的分散, 使 POM 和 T PU 很好地形成均 匀的海 - 岛结构; 能够在 POM 与 TPU 分子之间形成 一种类似于互穿网络结构的物理或化学或两者兼而有 之的区域, 从而大大提高了冲击强度。但是, 增容剂
# 10#
塑料工业 CH INA PLA ST ICS INDU STRY
第 37卷第 1期 2009年 1月
POM /TPU共混物的力学性能和摩擦磨损 性能研究
张 辉, 高西萍, 李瑞海
(四川大学高分子科学与工程学院, 四川 成都 610065)
摘要: 采用双螺杆挤出熔融共混的方 法制备了聚甲醛 ( POM ) 和热塑性聚氨酯弹性体 ( TPU ) /增容剂 Z 共混物。
摩擦 磨 损 性 能 的 改 性 POM 复 合 材 料, 近 年 来, P alan ive lu K 等 [ 6- 7] 采 用 了热 塑 性聚 氨 酯 弹性 体 对 POM 改性。本文以热塑性聚氨酯弹性体 ( T PU ) 与 POM 共混为研究对象, 研究了该共混 物的力学性能
以及摩擦磨损性能。
SEM 测试: 形态 样 品 经 液 氮低 温 脆 断, 断 口 在常温下经 N, N - 二甲基酰胺刻蚀处理后喷金; 磨损 表面直接喷 金, 然 后进行电 子显微 镜扫描 实验。
2 结果与讨论
211 POM /T PU / Z共混体系的力学性能
图 1 增容剂 Z用量对 POM /TPU ( 70 /30) 共混物缺口冲击强度的影响
考察了共混物的力学性 能、摩擦 磨损性能, 并通过扫描电子显微 镜 ( SEM ) 观察其微观 形态结构 以及磨 损表面 形貌。
结果表明: 加入增容剂 Z 可以使共混体系的相容 性得到 改善, 提 高了缺 口冲击强 度; 当 TPU 的质 量分数 为 30 份时,
缺口冲击强度达到 1318 kJ/m2, 比纯 POM 提高了 126% ; 共 混物的摩 擦磨损 性能下 降, 随着 TPU 的用 量的增 加共混
Z 用量过多时, 粒子分散程度不再有明显变化, 与基 体之间的连接已发展完善, 而且本身强度低, 韧性有 所回落。因此选择增容剂用量以 5份为宜。
图 2 TPU 用量对 POM /TPU /Z共混物力学 性能的影响
F ig 2 E ffec t of TPU con tent on m echanica l properties of POM /TPU /Z blend
物的摩擦因数呈现先减 小后增大趋势, 而磨损量随之增大。
关键词: 聚甲醛; 聚氨酯; 相容剂; 摩擦磨损性能
中图分类号: TQ 326151; TQ 32318
文献标识码: A
文章编号: 1005- 5770 ( 2009) 01- 0010- 03
Study on M echan ical and Tribological Properties of POM /TPU B lend
F ig 3 SEM pho tom icrographs of POM /T PU b lend
由图 3可知, 未加增容剂的共混物中橡胶粒子呈
大小不等的球状且分布不均匀, 说明 POM 与 TPU 的
形容性较差, 两相间的分子相互渗透较少, 两相界面
的黏结强度较低。而加入增容剂的共混物中, 橡胶粒
由图 2还可看出, 随 TPU 用量的增加, 共混物 的拉伸强度和弯曲模量逐渐降低。这是由于随着弹性 体含量的增加, 有更多的弹性体粒子产生应力集中, 诱发其周围基体产生银纹和形变; 并且粒子数量的增 加使得粒子间距越来越小, 从而使分散相粒子诱发的 银纹和形变相互干扰大。这两个原因产生的结果使得 在外力作用下, 形变变得更容易, 因此力学性能 下降。
F ig 4 E ffec t of TPU con tent on coeffic ient of
friction o f POM /TPU /Z blend
共混体系的摩擦系数和磨损量与 T PU 用量的关 系如图 4。 POM /TPU /Z 共混物的摩擦 系数开始急剧 下降, TPU 用 量大于 10 份时, 随着 TPU 用量的 增 加, 摩擦 系数又呈 增加趋势, 当 T PU 用量 为 10 份 时, 纯 POM 的摩擦系数由 0127降低到 0113, 降幅达 52% 。共混物的磨损量随着 TPU 用量 的增加而逐渐 增加, 但增幅不大, 当 TPU 用量增加到 40份时, 磨 损量急剧增大到 2112 m g, 是纯 POM 磨损量的 71倍。 这是由于 T PU 用量过多时, 因受力而脱离基体成为 磨粒, 这些磨粒在以后的摩擦过程中被夹持在两对磨 面之间运动, 破坏了对磨面的表面层, 加剧了对磨面
匀, 在双螺杆挤出机上熔融共混, 挤出造粒。挤出机 各段 温 度从 加 料 口到 机 头 依次 为 165、 175、 185、 185、 185、 180 e , 螺杆转速 110 r/m in。将所得粒料 在 75 e 干燥 3 h, 经注射机注射成标准样条, 以供性 能测试使用。 113 性能测试及表征
子分散趋于均匀且部分呈细条状, 这不仅增大了分散
相粒子与基体的接触面积, 而且减小了粒子间间距,
增强了粒子间应力场的叠加, 说明增容剂 Z 的加入
减小 了 界 面 张 力, 改 善 了 POM 与 TPU 之 间 的 相 容性 [ 9] 。
213 POM /T PU / Z共混体系的摩擦磨损性能
图 4 TPU 用量对 POM /TPU /Z共混物摩 擦磨损性能的影响
图 2为 TPU 用量对 POM /TPU /Z 共混物力学性能 影响曲线。由图可知随 TPU 用量的增加, 共混物的 缺口冲击强度总体上呈上升趋势, 当 TPU用量为 0~ 20份时, 共混物的缺口冲击强度增加幅度不 大, 这 是由于当合金中弹性体用量较少时, 合金受到外力作 用, 弹性体粒子充当应力集中中心诱发的银纹和剪切 带不能有效地被周围地弹性体终止, 易于演变成破坏 性裂纹而使材料破坏, 合金的抗冲击强度低; 当弹性 体用量大 于 30 份 时, 冲 击强度 大幅 度增 加, 达 到 1318 kJ/m2, 比纯 POM 提高了 126% 。弹性体粒子尺 寸达到一定大小, 周围所产生的应力场相互交叠, 诱 发的银纹和剪切带能够有效地得到终止或转向, 材料 的冲击强度得到大幅度提高 [ 8] 。
ZHANG H u,i GAO X-i p ing, L I Ru-i hai
( College o f Po lym er M ate rial Sc.i and Eng. , S ichuan U n iversity, Chengdu 610065, Ch ina)
Abstract: T he b lend of po lyoxym ethylene ( POM ) / therm oplast ic po lyurethane e lastom er ( TPU ) / compatibilizer ( Z) w ere prepared by m eans o fm elt b lending on the tw in- screw ex truder. The m echan ical propert ies, tribolog ical properties of the blend w ere studied, and the m icroscop ic m orpho log ies and w ear surface o f the blend w ere observed by m eans of scanning electron m icroscopy ( SEM ). T he resu lts show ed the add ition of the com patibilizer Z im proved the com patib ility betw een POM and TPU, and the Izod im pact streng th o f the b lend upg raded w ith the increase of TPU conten;t when the m ass fraction of TPU w as 30% , the Izod impact streng th o f the blend cam e up to 1318 kJ/m 2, 126% higher than that o f pure POM; w ith the increase of T PU conten,t the friction factor o f the blend show ed a tendency o f first decreasing and then increasing, wh ile the w ear loss o f the b lend increased.
K eyw ord s: P olyoxym ethy lene; Po lyurethane; Com patibilizer; F riction and W ear Behav ior
聚甲醛是 ( POM ) 一种具有高结 晶性的工程塑 料, 具有较高的硬度和刚性, 同时具有良好的自润滑 性、耐磨 性、 抗 蠕 变 性以 及 耐 疲 劳 强 度 等。 由 于
1 实验部分
111 主要原料与设备
POM: M 90, 云南云天化公司; TPU: 市售; 增 容剂 Z: 市售。
同向旋转双螺 杆挤出机: TSSJ25 /33, 晨 光化工 研 究 院 机 械 研 究 所; 塑 料 成 型 精 密 注 射 机: PS40E5ASE, 日精树脂工业株式会社; 微机控制电子 万能材料实验机: RGT-3010, 深圳瑞格尔有限公司; SEM 扫描电子显 微镜: JSM-5900LV, 日本电 子株式 会社; 磨 损 实 验 机: MM-200, 上 海 工业 大 学 附 属 工厂。
POM 缺口敏感性很大, 缺口冲击强度低, 耐热性较 差, 耐压强度不够, 一般只能用于低载、低速和低负 荷条件下, 因此限制了 POM 树脂的发展和应用。为 了进一步扩展 POM 的应用领域, 必须对其进行改性。 多年来对 POM 的研究主要集中在增强增韧 [ 1- 3] 和改 善摩擦磨损性能 [ 4- 5 ] 两个方面。为了制备力学性能和
力学性能测 试: 缺 口冲击 强度 按 GB /T 1843) 1994测试; 拉伸试验按 GB /T 1040) 1992测试。
摩擦磨损性能测试: 试样规格为 30 mm @ 6 mm @ 7 mm; 标 准环为表 面粗糙 度 R a = 010015 Lm 的 45#钢。转速为 200 r/m in, 载荷 20 kg, 实验时间 30 m in。实验时, 每 5 m in记录一次摩擦力矩数 据, 取 其平均值计算摩擦系数, 根据称重法测出磨损量。
作者简介: 张辉, 男, 1982年生, 工学硕士, 目前主要从事 聚甲醛改性方面的研究。 820224zhanghu@i 1631 com
第 37卷第 1期
张 辉等: POM /TPU 共混 物的力学性能和摩擦磨损性能研究
# 11#
112 试样制备 POM、 TPU 和增容剂 Z 分别以不同的比例混合均
# 12#
塑料工业
212 扫描电子显微镜 ( SEM ) 形态结构分析
的磨损 [ 10] 。 214 磨损表面观察与分析
2 009 年
a- POM /TPU = 70/30
ห้องสมุดไป่ตู้
b- POM /TPU /Z = 70/30/5
图 3 POM /TPU 共混体系的形态结构 SEM 照片 ( @ 1 000)
图 1 为 POM /TPU ( 质量 比 70 /30, 树脂总 质量 为 100份, 下同 ) 共混物缺口 冲击强度 随增容剂 Z 用量的变化曲线。由图可知, 加入增容剂后合金的冲 击强度提高, 当增容剂 Z 的用量为 5份时, 共混体系 的缺口冲击强度比在同条件下, 未加入增容剂 Z 的 缺口冲击强度提高了 50% 。这是由于增容剂 Z 促进 了分散相 TPU 的分散, 使 POM 和 T PU 很好地形成均 匀的海 - 岛结构; 能够在 POM 与 TPU 分子之间形成 一种类似于互穿网络结构的物理或化学或两者兼而有 之的区域, 从而大大提高了冲击强度。但是, 增容剂
# 10#
塑料工业 CH INA PLA ST ICS INDU STRY
第 37卷第 1期 2009年 1月
POM /TPU共混物的力学性能和摩擦磨损 性能研究
张 辉, 高西萍, 李瑞海
(四川大学高分子科学与工程学院, 四川 成都 610065)
摘要: 采用双螺杆挤出熔融共混的方 法制备了聚甲醛 ( POM ) 和热塑性聚氨酯弹性体 ( TPU ) /增容剂 Z 共混物。
摩擦 磨 损 性 能 的 改 性 POM 复 合 材 料, 近 年 来, P alan ive lu K 等 [ 6- 7] 采 用 了热 塑 性聚 氨 酯 弹性 体 对 POM 改性。本文以热塑性聚氨酯弹性体 ( T PU ) 与 POM 共混为研究对象, 研究了该共混 物的力学性能
以及摩擦磨损性能。
SEM 测试: 形态 样 品 经 液 氮低 温 脆 断, 断 口 在常温下经 N, N - 二甲基酰胺刻蚀处理后喷金; 磨损 表面直接喷 金, 然 后进行电 子显微 镜扫描 实验。
2 结果与讨论
211 POM /T PU / Z共混体系的力学性能
图 1 增容剂 Z用量对 POM /TPU ( 70 /30) 共混物缺口冲击强度的影响
考察了共混物的力学性 能、摩擦 磨损性能, 并通过扫描电子显微 镜 ( SEM ) 观察其微观 形态结构 以及磨 损表面 形貌。
结果表明: 加入增容剂 Z 可以使共混体系的相容 性得到 改善, 提 高了缺 口冲击强 度; 当 TPU 的质 量分数 为 30 份时,
缺口冲击强度达到 1318 kJ/m2, 比纯 POM 提高了 126% ; 共 混物的摩 擦磨损 性能下 降, 随着 TPU 的用 量的增 加共混
Z 用量过多时, 粒子分散程度不再有明显变化, 与基 体之间的连接已发展完善, 而且本身强度低, 韧性有 所回落。因此选择增容剂用量以 5份为宜。
图 2 TPU 用量对 POM /TPU /Z共混物力学 性能的影响
F ig 2 E ffec t of TPU con tent on m echanica l properties of POM /TPU /Z blend
物的摩擦因数呈现先减 小后增大趋势, 而磨损量随之增大。
关键词: 聚甲醛; 聚氨酯; 相容剂; 摩擦磨损性能
中图分类号: TQ 326151; TQ 32318
文献标识码: A
文章编号: 1005- 5770 ( 2009) 01- 0010- 03
Study on M echan ical and Tribological Properties of POM /TPU B lend
F ig 3 SEM pho tom icrographs of POM /T PU b lend
由图 3可知, 未加增容剂的共混物中橡胶粒子呈
大小不等的球状且分布不均匀, 说明 POM 与 TPU 的
形容性较差, 两相间的分子相互渗透较少, 两相界面
的黏结强度较低。而加入增容剂的共混物中, 橡胶粒
由图 2还可看出, 随 TPU 用量的增加, 共混物 的拉伸强度和弯曲模量逐渐降低。这是由于随着弹性 体含量的增加, 有更多的弹性体粒子产生应力集中, 诱发其周围基体产生银纹和形变; 并且粒子数量的增 加使得粒子间距越来越小, 从而使分散相粒子诱发的 银纹和形变相互干扰大。这两个原因产生的结果使得 在外力作用下, 形变变得更容易, 因此力学性能 下降。
F ig 4 E ffec t of TPU con tent on coeffic ient of
friction o f POM /TPU /Z blend
共混体系的摩擦系数和磨损量与 T PU 用量的关 系如图 4。 POM /TPU /Z 共混物的摩擦 系数开始急剧 下降, TPU 用 量大于 10 份时, 随着 TPU 用量的 增 加, 摩擦 系数又呈 增加趋势, 当 T PU 用量 为 10 份 时, 纯 POM 的摩擦系数由 0127降低到 0113, 降幅达 52% 。共混物的磨损量随着 TPU 用量 的增加而逐渐 增加, 但增幅不大, 当 TPU 用量增加到 40份时, 磨 损量急剧增大到 2112 m g, 是纯 POM 磨损量的 71倍。 这是由于 T PU 用量过多时, 因受力而脱离基体成为 磨粒, 这些磨粒在以后的摩擦过程中被夹持在两对磨 面之间运动, 破坏了对磨面的表面层, 加剧了对磨面
匀, 在双螺杆挤出机上熔融共混, 挤出造粒。挤出机 各段 温 度从 加 料 口到 机 头 依次 为 165、 175、 185、 185、 185、 180 e , 螺杆转速 110 r/m in。将所得粒料 在 75 e 干燥 3 h, 经注射机注射成标准样条, 以供性 能测试使用。 113 性能测试及表征
子分散趋于均匀且部分呈细条状, 这不仅增大了分散
相粒子与基体的接触面积, 而且减小了粒子间间距,
增强了粒子间应力场的叠加, 说明增容剂 Z 的加入
减小 了 界 面 张 力, 改 善 了 POM 与 TPU 之 间 的 相 容性 [ 9] 。
213 POM /T PU / Z共混体系的摩擦磨损性能
图 4 TPU 用量对 POM /TPU /Z共混物摩 擦磨损性能的影响
图 2为 TPU 用量对 POM /TPU /Z 共混物力学性能 影响曲线。由图可知随 TPU 用量的增加, 共混物的 缺口冲击强度总体上呈上升趋势, 当 TPU用量为 0~ 20份时, 共混物的缺口冲击强度增加幅度不 大, 这 是由于当合金中弹性体用量较少时, 合金受到外力作 用, 弹性体粒子充当应力集中中心诱发的银纹和剪切 带不能有效地被周围地弹性体终止, 易于演变成破坏 性裂纹而使材料破坏, 合金的抗冲击强度低; 当弹性 体用量大 于 30 份 时, 冲 击强度 大幅 度增 加, 达 到 1318 kJ/m2, 比纯 POM 提高了 126% 。弹性体粒子尺 寸达到一定大小, 周围所产生的应力场相互交叠, 诱 发的银纹和剪切带能够有效地得到终止或转向, 材料 的冲击强度得到大幅度提高 [ 8] 。
ZHANG H u,i GAO X-i p ing, L I Ru-i hai
( College o f Po lym er M ate rial Sc.i and Eng. , S ichuan U n iversity, Chengdu 610065, Ch ina)
Abstract: T he b lend of po lyoxym ethylene ( POM ) / therm oplast ic po lyurethane e lastom er ( TPU ) / compatibilizer ( Z) w ere prepared by m eans o fm elt b lending on the tw in- screw ex truder. The m echan ical propert ies, tribolog ical properties of the blend w ere studied, and the m icroscop ic m orpho log ies and w ear surface o f the blend w ere observed by m eans of scanning electron m icroscopy ( SEM ). T he resu lts show ed the add ition of the com patibilizer Z im proved the com patib ility betw een POM and TPU, and the Izod im pact streng th o f the b lend upg raded w ith the increase of TPU conten;t when the m ass fraction of TPU w as 30% , the Izod impact streng th o f the blend cam e up to 1318 kJ/m 2, 126% higher than that o f pure POM; w ith the increase of T PU conten,t the friction factor o f the blend show ed a tendency o f first decreasing and then increasing, wh ile the w ear loss o f the b lend increased.
K eyw ord s: P olyoxym ethy lene; Po lyurethane; Com patibilizer; F riction and W ear Behav ior
聚甲醛是 ( POM ) 一种具有高结 晶性的工程塑 料, 具有较高的硬度和刚性, 同时具有良好的自润滑 性、耐磨 性、 抗 蠕 变 性以 及 耐 疲 劳 强 度 等。 由 于
1 实验部分
111 主要原料与设备
POM: M 90, 云南云天化公司; TPU: 市售; 增 容剂 Z: 市售。
同向旋转双螺 杆挤出机: TSSJ25 /33, 晨 光化工 研 究 院 机 械 研 究 所; 塑 料 成 型 精 密 注 射 机: PS40E5ASE, 日精树脂工业株式会社; 微机控制电子 万能材料实验机: RGT-3010, 深圳瑞格尔有限公司; SEM 扫描电子显 微镜: JSM-5900LV, 日本电 子株式 会社; 磨 损 实 验 机: MM-200, 上 海 工业 大 学 附 属 工厂。
POM 缺口敏感性很大, 缺口冲击强度低, 耐热性较 差, 耐压强度不够, 一般只能用于低载、低速和低负 荷条件下, 因此限制了 POM 树脂的发展和应用。为 了进一步扩展 POM 的应用领域, 必须对其进行改性。 多年来对 POM 的研究主要集中在增强增韧 [ 1- 3] 和改 善摩擦磨损性能 [ 4- 5 ] 两个方面。为了制备力学性能和
力学性能测 试: 缺 口冲击 强度 按 GB /T 1843) 1994测试; 拉伸试验按 GB /T 1040) 1992测试。
摩擦磨损性能测试: 试样规格为 30 mm @ 6 mm @ 7 mm; 标 准环为表 面粗糙 度 R a = 010015 Lm 的 45#钢。转速为 200 r/m in, 载荷 20 kg, 实验时间 30 m in。实验时, 每 5 m in记录一次摩擦力矩数 据, 取 其平均值计算摩擦系数, 根据称重法测出磨损量。
作者简介: 张辉, 男, 1982年生, 工学硕士, 目前主要从事 聚甲醛改性方面的研究。 820224zhanghu@i 1631 com
第 37卷第 1期
张 辉等: POM /TPU 共混 物的力学性能和摩擦磨损性能研究
# 11#
112 试样制备 POM、 TPU 和增容剂 Z 分别以不同的比例混合均
# 12#
塑料工业
212 扫描电子显微镜 ( SEM ) 形态结构分析
的磨损 [ 10] 。 214 磨损表面观察与分析
2 009 年
a- POM /TPU = 70/30
ห้องสมุดไป่ตู้
b- POM /TPU /Z = 70/30/5
图 3 POM /TPU 共混体系的形态结构 SEM 照片 ( @ 1 000)