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高聚物作为摩擦材料使用时,具有很强的抗压能力、易于包容异物,吸振和消声等优点,但其缺点是耐热性能差、导热率低、热膨胀系数大、蠕变大、易老化等。因此,高聚物需复合制成复合材料才能发挥其最大作用。
本工作以提高环氧树脂的减摩耐磨性能为目的,对环氧树脂进行混杂填充复合改性。首先选用纳米二氧化硅粒子、短碳纤维作为填料,研究其对环氧树脂摩擦磨损性能的影响,并研究了纳米二氧化硅粒子和短碳纤维混杂填充对提高环氧树脂减摩耐磨性能的协同效应。为改善纳米二氧化硅粒子在环氧树脂中的分散稳定性,提高粒子与基体间的界面作用力,选择马来酸酐和苯乙烯对纳米粒子表面进行共聚合改性。马来酸酐所含的酸酐官能团可以参与环氧树脂的固化反应,而适量的聚苯乙烯链可以调节接枝链的活性比例。此外,鉴于液体润滑剂的润滑性能比固体润滑剂更有效,我们进一步制备了以三聚氰胺甲醛树脂为壳、润滑油为芯的微胶囊用于填充环氧树脂制备自润滑材料。研究了纳米二氧化硅粒子和短碳纤维混杂填充对微胶囊/环氧树脂复合材料减摩耐磨性能的协同作用;纳米二氧化硅粒子接枝反应和微胶囊制备的影响条件;纳米二氧化硅粒子、短碳纤维、微胶囊单独和混杂填充环氧树脂对相应复合材料的固化动力学、力学性能的影响。
纳米二氧化硅粒子、短碳纤维都能提高环氧树脂的减摩耐磨性能,两种填料混杂填充环氧树脂对提高其复合材料的减摩耐磨性能具有正的协同效应,在总填料含量为10wt.%的情况下,4w.%的纳米二氧化硅粒子和6wt.%短碳纤维混杂填充环氧树脂所得的复合材料具有最低的摩擦系数和比磨损率。纳米二氧化硅粒子通过表面接枝处理后,表面的接枝链可以加强粒子和基体之间的界面作用力,因此更能提高所得复合材料的减摩耐磨性能。短碳纤维的加入不仅能提高环氧树脂的承载能力,还可以提高环氧树脂的热导率,使磨损面热分解的程度降低;纳米二氧化硅粒子有助于加强转移膜,同时增加基体的刚性,粒子和纤维混杂填充时,粒子的存在还可以减小纤维的应力集中,减少纤维的脱落,因此提高了复合材料的减摩耐磨性能。含润滑油的微胶囊填充环氧树脂能显著提高环氧树脂的减摩耐磨性能,当微胶囊含量为10wt.%时,所得的复合材料的摩擦系数比纯环氧降低75.0%,比磨损率比纯环氧树脂降低98.3%。这主要是由于微胶囊中包裹的润滑油的润滑作用,此外破裂的微胶囊对摩擦过程中产生的磨屑的收集也有利于降低磨粒磨损,从而使复合材料的减摩耐磨性能提高。微胶囊、接枝纳米二氧化硅粒子、短碳纤维混杂填充环氧树脂可进一步提高复合材料的摩擦性能,通过正交试验优化微胶囊、接枝纳米二氧化硅粒子、短碳纤维的含量后的复合材料,其摩擦系数降低到0.12,比磨损率则降低到9.8×10-7 mm3/Nm,相对纯环氧树脂(摩擦系数为0.56,比磨损率为1.3×10-4mm3/Nm),其减摩耐磨性能有了很大的提高。同时,耐承载力也提高了2倍以上。相比较而言,纳米二氧化硅粒子更能降低复合材料的摩擦系数,而短碳纤维更能降低复合材料的磨损率。
填料含量对环氧树脂减摩耐磨性能影响的研究表明,微胶囊含量为8wt.%,纤维含量为1wt.%,粒子含量为5wt.%时纳米二氧化硅粒子/短碳纤维/微胶囊/环氧树脂四元体系复合材料更能发挥各填料的优势。
XPS分析结果显示摩擦后材料表面发生了氧化和降解反应,微胶囊、纳米SiO2粒子、短碳纤维的加入可以在一定程度上减轻氧化反应程度。此外,短碳纤维的存在能使Fe元素向环氧树脂材料表面转移,进一步提高转移膜的均匀性,从而提高其减摩耐磨性能。