郑梯和，谭玉宝，刘爱学，黄安民，杨海洋
株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南株洲 412007
摘要：本文采用阴离子原位聚合的方法制备固体润滑MC尼龙材料，考察了不同润滑剂的添加对MC尼龙材料摩擦性和吸水性的影响。选用PTFE微粉、二硫化钼（MoS2）、油脂、自制润滑剂PR四种润滑剂对MC尼龙进行改性，确定最佳配比，并对其后处理工艺进行研究。结果表明：PR为润滑剂，可显著改善MC尼龙耐磨性，用量为4wt%时，材料摩擦系数最佳，可达到0.148，吸水率显著降低；采用油煮后处理工艺，可显著改善其摩擦性和吸水性。
关键词：MC尼龙、固体润滑剂、摩擦性能、吸水性
Preparation and Properties of Solid LubricationMC Nylon
ZHENG Ti-he,TAN Yu-bao, LIU Ai-xue, HUANG An-min, YANG Hai-yang
(Zhuzhou Times New Material TechanologyCo.Ltd., Zhuzhou 412007,China)
Abstract：In this paper, solid lubricationMC Nylon werepreparedin situ anionic polymerization.The effects ofdifferent lubricantson friction and water absorptionof MC nylon were studied .PTFE powder, molybdenum disulfide (MoS2), grease, lubricant PR were used forMC nylon modified. The results showed that: PR for the anti-wear agent, can significantly improve the wear resistance of MC nylon. whenthe amount of PR was 4wt%, the friction coefficient waslowest, can reach 0.14, and water absorption lowered significantly. After the treatment process ofboiled in oil can significantly improve friction and
Keywords: MC nylon; solid lubrication; Friction Properties;water absorption.
MC尼龙，即单体浇注尼龙，与普通尼龙6相比，MC尼龙具有独特的特点：首先是生产工艺简单、成本低，不需要复杂的生产设备，工艺过程简短，模具制作容易。其次，MC尼龙的分子量在7-10万左右，结晶度可超过50%，密度也较大。所以，无论在强度、刚度、耐磨损性能和耐化学性能方面，均优于普通尼龙6产品。此外，MC尼龙成型制品的尺寸不受限制。由于这些优点，MC尼龙产品被广泛地应用于各个领域[1-2]。
目前，针对尼龙材料的摩擦学研究主要集中于两方面[3]，一是研究材料的摩擦磨损机制，获得摩擦学应用的基本数据；二是研究材料的各种改性手段，以提高材料的摩擦学性能。固体润滑剂的润滑机理是：固体润滑剂在MC尼龙表面形成转移膜，从而减小摩擦力[4]。本文通过添加润滑剂对MC尼龙进行改性，对其耐磨性和吸水性进行研究。
1、实验部分
1.1 实验原料
己内酰胺，优级品，岳阳石化；
氢氧化钠（NaOH），分析纯，天津试剂厂；
甲苯二异氰酸脂（TDI），活化剂，烟台万华化学集团股份有限公司；
PTFE微粉，固体润滑剂，广东松柏化工有限公司；
二硫化钼（MoS2）,固体润滑剂，上海惠港实业有限公司；
油脂（Oil），工业润滑油；
固体润滑剂（PR），自制；
1.2 实验设备及仪器
反应釜：5L,株洲汇尚科技有限公司；
真空泵:XL-8，上海真空泵厂；
微机控制电子万能试验机：CMT-4503，美特斯工业系统（中国）有限公司；
微机控制摩擦磨损试验机：MMS-2A，济南益华科技有限公司；
摆锤式冲击试验机：GJC，承德精密试验机有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 MC尼龙制备方法
1）将己内酰胺单体、润滑剂加入反应容器中，加热至130±5℃；
2）抽真空脱水，真空度-0.9—-1.0MPa，前脱水10min；
3）按比例加入催化剂NaOH，后脱水15min；
4）按比例加入活化剂TDI，浇入模具中，模具温度155±5℃；
5）聚合10min后拆模，取出成型后的毛坯；
6）产品后处理；
7）机械加工本体取样进行测试，或机械加工成产品。
1.4 检测方法
拉伸强度、断裂拉伸应变，按GB/T1040-2008测试，室温，拉伸速率50mm/min;
弯曲强度，按GB/T9341-2008测试,速率2mm/min;
冲击强度，按GB/T1043.1-2006测试；
压缩强度（25%应变），按GB/T1041-2008测试；
摩擦系数、磨痕宽带、磨损量，按GB/T3960-1983测试，加载力196N，转速200r/min。
2. 结果与讨论
2.1 固体润滑剂对MC尼龙耐磨性的影响
MC尼龙成型前，在反应料中添加具有良好润滑性的润滑剂，可以有效改善其耐磨性，分别选用PTFE微粉、二硫化钼、油脂（Oil）、固体润滑剂PR对MC尼龙进行改性，并对其摩擦性能进行测试，摩擦性能测试结果如表1和图1所示，其中1号为空白样，6号为Quadrant提供的NSM（固体润滑MC尼龙），2-5号分别添加质量分数2%的不同种类润滑剂。
表1.固体润滑MC尼龙材料摩擦系数
Tab1.The friction coefficient of solid lubricating MC nylon
如图1所示，1号空白样摩擦系数较大，0.952，且摩擦系数在测试过程中波动较大，呈逐渐增大的趋势。在添加润滑剂后，摩擦系数有所降低，但效果差别较大。其中MC-PR材料摩擦系数降低80%以上，耐磨性能改善效果明显，由图1可以看出摩擦系数稳定，随着摩擦时间的延长，摩擦系数变化很小。
1：MC-空白样； 2：MC-MoS2； 3：MC-Oil； 4：MC-PTFE； 5：MC-PR；6：NSM；
图1 固体润滑MC尼龙材料摩擦性能曲线
Fig1.The friction performance curve of solid lubricating MC nylon
分析MC-PR具有良好耐磨性的原因，是由于PR能够均匀分散在反应体系中，且本身具有良好的润滑作用，因此使MC尼龙摩擦系数显著下降，摩擦性能稳定。此外，PR的加入在改善材料吸水性方面，起到一定的作用。
2.2 固体润滑剂用量对MC尼龙性能的影响
2.2.1固体润滑剂用量对MC尼龙耐磨性的影响
选择PR为润滑剂，对其最佳用量进行研究，分别添加不同质量分数的润滑剂PR，本体取样进行摩擦性能的测试配方如表2所示。
表2.MC-PR材料配方单
Tab2. The formulations of MC-PR
摩擦性能测试结果如表3和图3所示，PR添加量不同，对材料的摩擦性能影响较大。随着PR用量的增加，摩擦系数呈现先减小再增加的趋势(如图3所示)。
表3.MC-PR材料的摩擦系数
Tab1.The friction coefficient ofMC-PR
图2.MC-PR材料的摩擦曲线
Fig1.The friction curve of MC-PR
从材料耐磨性方面分析，当PR用量在4%以下，MC-PR材料的摩擦系数随着PR用量的增加而下降，摩擦曲线平稳，摩擦系数随着摩擦时间的延长变化较小；PR用量在4%以上时，摩擦系数增大，摩擦曲线波动较大，随着摩擦时间的延长，摩擦系数逐渐增大。
2.2.1固体润滑剂用量对MC尼龙力学性能的影响
对不同PR用量时，MC-PR材料的力学性能进行测试，测试结果如表4所示。
表4.MC-PR材料力学性能
Tab4. Mechanical properties of MC-PR
从力学性能方面来看，PR用量4%以下，对力学性能影响很小，拉伸强度和冲击强度还有所增加，力学性能稳定；PR用量为6%时，材料力学性能明显下降。
传统的润滑剂普遍为无机润滑剂，作为分散相的无机润滑剂被分割在基体树脂的连续相中，在受力截面上基体树脂的面积小于纯的基体树脂材料，因此，填充体系的拉伸强度普遍下降；当分散相填料为刚性粒子时，由于不能在受力时变形、也不能终止裂纹或产生银纹吸收冲击能，往往会导致填充体系的韧性下降。润滑剂加入量越大，对材料整体机械强度和韧性的影响越大。而PR作为有机润滑剂，在加入量适当时，可有效避免无机润滑剂对力学性能的影响，但是有机润滑剂PR与反应单体相容性有限，因此当PR不能与反应单体相容时，造成材料内部出现分相，导致力学性能的下降。
综上所述，当PR用量为4%时，MC-PR材料的耐磨性最优，且对材料力学性能影响较小，因此确定PR的最佳用量为4wt%。
2.3 固体润滑剂对MC尼龙吸水性的影响
以MC-PR4的配方制备样条，进行吸水率的测试，结果如图4所示，分别在空气中（23±2℃，相对湿度50%）和水中的吸水率，测试170天，在水中的吸水率达到3.29%，空气中的吸水率为0.59%。而普通MC尼龙在空气中吸水率为1.24%，结果如图4所示。
图4. MC-PR与MC尼龙在空气中的吸水率
1：MC-PR；2：MC尼龙
Fig.4 Water absorption of MC-PR and MC nylon in the air
1:MC-PR; 2:MCnylon
由图4可以看出，MC-PR材料在23±2℃，相对湿度50%的条件下，吸湿170天，吸水率明显低于未改性MC尼龙。这是由于在聚合体系中，加入疏水性的润滑剂，在改善耐磨性的同时，使材料吸水率显著下降。
2.4后处理工艺对MC-PR材料的影响
尼龙材料常用的后处理工艺主要有两种：水煮和油煮，热处理的效果是消除内应力，增加尺寸稳定性。而这两种后处理工艺发挥的作用却完全不同。在油介质中进行热处理，可以提高材料的机械强度、硬度和耐磨性，降低摩擦系数和吸水率。这是因为制件在160~180℃油中处理后，在缓慢冷却过程中晶体发生重新排列而趋于规整化，因而结晶度有所提高，分子量增大。而在沸水进行热处理，并不影响材料的晶体结构状态，因而对结晶度和分子量没有影响，除了冲击韧性因为吸水的原因而提高外，其它物理机械性能并没有提高，相反由于吸水量的增加而使材料的弹性模量和机械性能有所下降[5]。
2.4.１后处理工艺对MC-PR材料力学性能的影响
分别用水煮和油煮对MC-PR材料进行热处理后，测试其性能，结果如表5.所示。
表5.后处理工艺对MC-PR材料力学性能的影响
Tab5.Effect of treatmentprocess on mechanical propertiesof MC-PR
由表5可以看出，水煮后，除冲击韧性外，材料的硬度、拉伸强度等性能明显下降，对耐磨性没有改善；油煮后，材料的关键力学性能基本不变，摩擦系数、磨损量和磨痕宽度都减小，摩擦性能改善明显。根据MC-PR材料机械强度和耐磨性的要求，最终选择160-180℃油煮处理。
2.4.２ 后处理工艺对MC-PR材料耐磨性的影响
以MC-PR4制备成样板材料，在160-180℃的油中，处理6h，本体取样测试其摩擦性能。测试结果如图5和表6所示。
表6.油煮后处理对材料摩擦性能的影响
Tab6.Effect of boiled oil processing on friction performanceof MC-PR
图5.油煮后处理对材料摩擦性能的影响
1：未油煮；2：油煮
Fig5.Effect of boiled oil processing on friction performanceof MC-PR
1：No boiled oil processing；2：Boiled oil processing
由图5可以看出，油煮后材料的摩擦系数明显下降，摩擦系数下降12.33%，摩擦曲线平稳。
2.4.3后处理工艺对MC-PR材料吸水性的影响
以MC配方制备成样板材料，在160-180℃油中处理6h，本体取样测试其吸水率。测试72h内放置于水中的吸水率，如图6所示。
图6油煮后处理对材料吸水率的影响
1：未油煮；2：油煮
Fig6.Effect of boiled oil processing on water absorptionof MC-PR
1：No boiled oil processing；2：Boiled oil processing
由图6可以看出，油煮后材料的吸水率明显下降，油煮后，材料增加了憎水性，降低了吸湿性，72h吸水率降低30%，改善效果明显。可以看出，油煮后处理可以显著降低MC尼龙材料的摩擦系数和吸水率。
3. 结论
本文选取四种固体润滑剂对MC尼龙材料进行改性，对其摩擦性能进行研究，其中固体润滑剂PR具有良好的润滑性，当PR添加量为4wt%时，摩擦性能和力学性能体现最佳，摩擦系数为0.147。PR的加入使MC尼龙吸水率显著降低，仅为0.59%。后处理工艺对材料的力学性能、摩擦性能和吸水性影响显著，比较其综合性能，通过160-180℃油煮后处理，材料的力学性能和摩擦性能表现最佳，摩擦系数为0.129。
综上所述，当添加4wt%PR时，MC-PR材料摩擦性能、吸水性和力学性能最佳；通过160-180℃油煮后处理工艺，可显著改善其摩擦性和吸水性。
参考文献：
[1] 黄虹文. MC尼龙及改性复合材料的研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2008.
[2] 孙向东. MC尼龙的合成改性研究[D]. 沈阳: 东北大学材料与冶金学院, 2006.
[3] 葛世荣，张德坤，刘金龙，等.纳米SiO2填充尼龙PA1010的摩擦磨损性能实验研究[ J] .中国矿业大学学报， 2003， 32(3):218 -222.
[4] 郑梯和，刘爱学，黄安民等.固体润滑阴离子聚合尼龙的合成与性能研究[J].塑料工业，2015，43（9）：24-27.
[5] 王有槐，王新华，朱培.铸型尼龙实用技术[M].北京：中国石化出版社，1994:1-10
文章发表于《塑料工业》2016年第44卷第6期
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