白碳黑与三氧化铝填料对聚氨酯弹性体耐磨性的影响

白碳黑与三氧化铝填料对聚氨酯弹性体耐磨性的影响

黎清宁,卢德宏,蒋业华,周 荣

(昆明理工大学国土资源工程学院,云南昆明650093)

收稿日期:2005 04 14 修回日期:2005 04 19

基金项目:云南省自然科学基金资助项目(20010008Q)

作者简介:黎清宁(1978~),男,在读博士生,主要研究方向矿业耐磨材料。

导师简介:周荣(1962~),男,汉族,现任昆明理工大学校长,材料加工工程专业教授,博士生导师。

摘 要: 研究了不同质量分数的白碳黑与A l 2O 3填料对聚氨酯弹性体耐冲蚀磨损性能的影响。结果表明,白碳黑填料降低了聚氨酯弹性体的耐磨性,而聚氨酯弹性体耐磨性随着A l 2O 3颗粒加入量的增加先升高而后下降,在质量分数为34%时达到峰值;讨论了填料对聚氨酯复合材料磨损行为与机理的影响。

关键词: 聚氨酯;白碳黑;A l 2O 3;冲蚀磨损

中图分类号: TQ334 文献标识码: A 文章编号: 1004 275X (2005)03 0008 03

Effect of Silicon D iox i d e and A lu m i n a Particles on the W ear R esist ance of Polyurethane Elasto m er

LI Q i ng -ning ,LU D e -hong ,J I ANG Y e -hua ,ZHOU R ong

(School of Land Res ou rce Eng i neeri ng ,Kunm i ng Un i versit y of Science and T echnology ,Kun m i ng 650093,Ch i na)Abstract :

E ff ect of silicon d i ox i de and al um i na fill er w i th d ifferent conten ts on the w ear-resistance prop erties of

pol yurethane el ast om er w as s t ud i ed.The w ear resist ance w as f ound to be d ecreased w it h sili con d i ox i de fill er ,and firstl y i n creased w ith i n creasi ng con t en t of a l um i na un til reach i ng am ax i m u m w ith t h ew eight con tent of 34%,and t h en d ecreased .The w ear beh avi or and m echanis m of fill ers on po l yu ret han e el asto m er w ere d is cu ss ed .

K ey w ords : polyurethane ;silicon d i ox i de ;al um i na ;erosion

前言

聚氨酯弹性体(P U )是一种具有优异耐磨性、高弹性等性能的新型高分子材料,但目前聚氨酯作为耐磨材料推广有成本高、耐高温性能差等缺点。在聚氨酯中加入各种增强性的填料制造复合材料,一方面可以降低成本,另一方面还可能提高聚氨酯的耐温性能、耐磨性。本文研究了不同质量分数的白碳黑与A l 2O 3填料对聚氨酯弹性体耐冲蚀磨损性能的影响,探讨了填料对聚氨酯磨损行为及机理的影响。

1 试验方法

1.1 原材料

2710型聚氨酯预聚体(-NCO 的质量分数为

4~4.2%,日本武田药业株式会社);固化剂MO C A (3,3' 二氯 4,4' 二苯基甲烷二胺)(化学纯,苏州吴县市特种精细化工厂);KH 550硅烷偶联剂(工业纯,南京曙光化工总厂);沉淀法白碳黑(工业纯,粒度:5~15 m );棕色A l 2O 3颗粒(工业纯,粒度:0.09mm,昆明砂轮厂);石英砂(工业纯,0.441~0.251mm,昆明可司)。1.2 试验方法

用预聚法制备聚氨酯及其复合材料试样,A l 2O 3颗粒经过偶联剂KH 550处理,具备过程见文献[1]

。磨损试验是在自制的喷射式冲蚀磨损试验机上进行的,其示意图见图1。配制水和石英砂浆料,其中石英砂的质量分数为10%。试样尺寸为60 30 5mm,每冲蚀完一个试样重新配制更换浆料,保证试样在相同的试验条件下进行

实验。实验参数:冲蚀角度为45 、冲蚀速度为24.8m /s 、冲蚀时间为1.5h 。

冲蚀磨损试验前后对聚氨酯弹性体及其复合材料试样均进行80!、2h 的烘干,放在干燥器中降到室温,以尽量减小试样吸水造成的试验误差。然后用感量为1/10000g 的分析天平对试样称重及计算磨损失重,将各种组分复合材料的磨损失重转换为体积磨损率(单位时间的磨损体积)来衡量其耐磨性,并以C r15M o3高铬铸铁作为标样计算相对耐磨性。为保证试验数据可靠,每个试验重复三次,取三次的平均值作为最后数据。对冲蚀磨损试验后的试样磨损表面进行了磨损形貌观察和磨损机理探讨,所用仪器为Ph ili p s XL60ESE M

型环境扫描电镜。

图1 喷射式冲蚀磨损试验机结构原理示意图

2 试验结果和分析

2.1 试验结果

冲蚀磨损试验结果如图2

所示。

图2 真料含量对聚氨酯耐性的影响

从图2中看出,聚氨酯耐磨性随着白碳黑填料质量分数的增加而呈下降趋势;加入A l 2O 3颗粒

的复合材料相对耐磨性随着加入量的增加先呈升高趋势,在质量分数为34%时达到最高,而后随着加入量的增加而下降,在质量分数达到%时与纯聚氨酯的耐磨性相当。总体上来说加入A l 2O 3颗粒提高了聚氨酯的耐冲蚀磨损性能,而白碳黑的加入降低了其耐磨性。因此加入填料可以提高聚氨酯的耐磨性具有可行性,关键在于颗粒的选择及其界面的结合强度。2.2

磨损机理分析

图3 纯聚氨酯弹性体的磨损形貌

由图3可见,纯聚氨酯基体表面有明显的擦伤及撕裂痕迹,这是由于石英砂磨料的硬度远高于聚氨酯基体,磨料尖角对聚氨酯基体产生微切削及微犁耕作用导致的。聚氨酯的撕裂强度不高,颗粒尖角造成的裂纹逐渐生长会造成聚氨酯的疲劳破坏。所以聚氨酯的磨损机理主要是划伤和疲劳磨损,但是纯聚氨酯弹性体具有较高的弹

性和承载能力,通过弹性变形可以有效吸收磨料的冲击能,因而其耐冲蚀磨损性能较好,是Cr15M o3高铬铸铁的2

倍多。

图4 白炭黑聚氨酯复合材料的表面磨损形貌

从图4(a)中可见,聚氨酯基体与上述的纯聚氨酯弹性体有类似的磨损机理,聚氨酯基体白碳

黑虽然与聚氨酯基体的界面结合较好,但由于其硬度及粒度与石英砂磨料有一定的差距,不能有效的抵抗磨料的冲蚀磨损作用;如图4(b)所示,在更大的放大倍数下可以看出白碳黑有明显脆

∀

9∀ 2005年第3期 黎清宁等:白碳黑与三氧化铝填料对聚氨酯弹性体耐磨性的影响

断,而且白碳黑的部分团聚现象也是导致磨损失重增大原因;另外颗粒的加入使基体的弹性变形能力减弱,抵抗磨料冲击的能力变弱,导致其冲蚀磨损性能下降,因而其冲蚀磨损性能随添加量的

增大而降低。

图5 A l 2O 3颗粒聚氨酯复合材料表面磨损形貌

图5为A l 2O 3颗粒聚氨酯复合材料磨损表面形貌,填料质量分数为15%,从图5(a)中可以看出在石英砂磨料的冲击作用下,聚氨酯基体被选择性磨损而使A l 2O 3颗粒逐渐凸现,沿冲蚀方向的后端凸起于基

体表面之上,与白碳黑的下凹形成鲜明对比;A l 2O 3颗粒表面有明显的划痕,在磨料冲蚀作用下变的较为平整,跟白碳黑的脆断有显著的区别;这是由于A l 2O 3颗粒硬度高于石英砂磨料,可以有效抵抗石英砂磨料尖角的切削及犁沟作用;图5(b)是A l 2O 3颗粒脱落后形成的凹坑,凹坑表面较粗糙。说明裂纹是在聚氨酯基体内产生,而不是在A l 2O 3颗粒与聚氨酯基体界面上,表明界面结合强度较好,但是随着冲蚀的继续,裂纹逐渐长大,最后导致A l 2O 3颗粒的整体脱落。 如果加入A l 2O 3颗粒过多,会造成聚氨酯基体的弹性变形受阻,内应力增加而使得耐磨性下降,所以A l 2O 3颗粒聚氨酯复合材料耐磨性先升高而后下降。

3 结论及建议

(1)聚氨酯耐磨性随着白碳黑填料质量分数的增加而呈下降趋势;加入A l 2O 3颗粒的复合材料相对耐磨性随着加入量的增加先呈升高趋势,在质量分数为34%时达到最高,而后随着加入量的增大而下降。

(2)白碳黑由于硬度及粒度的原因,不能有

效抵抗磨料冲蚀的作用,因而导致聚氨酯耐磨性

降低。而A l 2O 3颗粒由于硬度高,能够较好的抵抗磨料的微切削作用,从而保护基体,起到增强聚氨酯耐磨性的作用。

(3)进行了填料增强聚氨酯弹性体耐磨性的初步研究,表明加入填料增强耐磨性及降低成本的方法具有可行性,颗粒种类、粒度的选择以及颗粒表面的处理有待于进一步的研究。参考文献:

[1] 李国忠,郑少华.聚氨酯复合材料衬板在振动磨中的应用

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(上接第7页)

[2] 高尚愚,左宋林,等.几种活性炭的常规性质及孔隙性质的

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[3] 周建斌.气相吸附用活性炭成型物的研究[D].南京:南京

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[9] 中国林业科学研究院林业化学工业研究所编制.木质活性

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致歉:

匆忙中,不慎在第二期的目录页将作者#刘东辉∃误为#刘东浑∃、作者#陈雨珍∃误为#陈丽珍∃。谨向这二位作者道歉,也请广大读者和作者对我们的工作给予关心、帮助和监督。

%云南化工&编辑部

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