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ABS和PA6以聚合物-金属对磨形式在干摩擦、吸水和电镀条件下的摩擦学行为
1MITHUN V. KULKARNI1,*, K. ELANGOVAN2,
K. HEMACHANDRA REDDY3, BASAPPA, S. J.4
1JNTU工程学院机械工程系，印度安得拉邦，印度
2剑桥理工学院机械工程系，班加罗尔，印度卡纳塔克邦，印度
3JNTU工程学院机械工程系，印度安得拉邦，印度
4Sambhram技术学院机械工程系，班加罗尔，印度卡纳塔克邦，印度
*通讯作者：kulkarni.mithun@hotmail.com
摘要：采用销盘型摩擦计研究了PA6（polyamide6）和ABS（poly-Acrylonitrile Butadiene Styrene）在干摩擦、吸水和电镀(EP)条件下和金属对磨时的摩擦磨损性能，同时还研究了载荷和滑动速度对聚合物-金属滑动组合在干摩擦、吸水和电镀条件下的摩擦学性能的影响。磨损的表面采用扫描电子显微镜（SEM）检测。实验结果表明，ABS样品在吸水条件下与正常样品相比磨损量较高，EP样品与吸水样品相比磨损量较低。与EP-ABS样品相比，EP-PA6样品表现出优异的耐磨性。此外，在干摩擦和吸水条件下，可以观察到由于滑动行为产生的摩擦热对样品的摩擦学行为有显著影响。
关键词：干摩擦；磨损；摩擦；摩擦热；吸水条件；电镀条件；PA6；ABS
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术语表 K 磨损率, mm3/ (N·m) Delta;m 磨损量, g L 滑动距离, m P 施加载荷, N Ra 表面粗糙度, mu;m V 滑动速度, m/s Q 产热量, N·m/s |
希腊字母含义 rho; 聚合物密度, g/cm3 Oslash; 直径, mm |
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缩写 ABS 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 PA6 尼龙6 EP 电镀 SEM 扫描电子显微镜 SAN 丙烯腈共聚物 COW 磨损率 RH 相对湿度 EP-PA6 电镀过的尼龙6 EP-ABS 电镀过的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 |
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术语表：
研究背景
由于近年来生产技术和树脂开发系统的发展，塑料替代金属得到了广泛的应用，每年聚合物消耗量早已超过了金属[1]。根据ASTM D883 80C，聚合物根据化学和工艺性能被分为两种[1,2]：热固性和热塑性[3]。与金属相比，塑料的主要优点在于易于制造，部件一步成型，设计灵活性更高，重量更轻[4,5]。塑料正在用于齿轮、凸轮和轴承的开发，其中许多是通过注塑或压塑或通过挤出生产的。因此，通过观察这些在更短时间内生产的产品的应用来获得更好性能的产品，例如更长的使用寿命，减少的摩擦和磨损，更好的强度等等，可以得知，摩擦学和加工条件都必须检查[6]。有时通过研究不同工况下，比如干摩擦或者润滑工况下，来获得聚合物及聚合物基复合材料的良好机械和摩擦性能组合，将会变得极其重要[7-12]。根据Kalaacute;cska[13]，工程塑料磨损的摩擦方面影响是错综复杂的，是微观和宏观角度，摩擦表面滑动时相互作用的结果。摩擦和由此产生的磨损不是塑料的材料特性，因此，它们不能简化为相关手册中可以找到的有关材料特性的表格化数据。确定摩擦和由此产生的磨损涉及更复杂的研究，因为它们是摩擦接触系统的特征而该接触系统的影响是显然的。对评估摩擦和产生的磨损，有关系统条件的精确知识是至关重要[14]。
近些年来，通过改变分子或基体结构来提高材料表面或整体性能的新技术，使得研究者关注于研发表面改性和纳米复合材料[15-17]。塑料常常采用填充物、添加物和粘结剂来强化性能，近年来研究人员阐明了采用电镀的技术来提高材料强度。电镀之前已用于电磁屏蔽、减轻重量、导电、成形性增强、高抗冲击性和耐候性等目的[18]。如今，像ABS、聚碳酸酯、聚亚苯基、聚四氟乙烯等许多塑料，被采用镀膜，以赋予塑料表面高耐热性、耐用性和金属性能[18-20]。Kulkarni等人[18]、Chandrasekhar等人[21]、Kannan和Senthilkumaran [22]、Raju等人[23]，展示了关于电镀是如何提高塑料强度的考虑。ABS和PA是各种工业应用中的两种最重要的热塑性材料，如纺织品、汽车、地毯和运动服[24]。
ABS由天然脆性聚苯乙烯-丙烯腈共聚物（SAN）与聚丁二烯组合而成，后者使ABS更加坚韧。在聚丁二烯结合时产生两种形式：接枝三元共聚物和分散在三元共聚物和SAN基体中的小橡胶球。ABS是一种无定形材料。它坚韧、坚硬、耐磨，被广泛用于装船壳和食品容器[3]。一些塑料材料会吸收一定量的水分，并随吸收水分的量不同而改变其机械性能。此外，这些材料的尺寸随吸收水分的量而变化。但是，对ABS而言，吸收的水分不会影响成品的性能以及尺寸稳定性，因为ABS塑料的吸湿率低于1％[25]。
PA具有晶体结构，有许多常见的型号，如PA6、PA6.6、PA6.10和PA6.11。PA通常是具有刚性、结实和坚韧的特性，并且具有承受更高熔点的能力[3]。一般来说，所有的尼龙都是吸湿的[26]，比如它们会吸收空气和液体中的水分。聚合物的吸湿性能成为选择材料、设计零件、机械性能优化的关键因素。据估计，在23℃且相对湿度为50％时， PA6平衡时含水量约为2.5％；23℃相对湿度为100%时为9%[27]。一般而言，PA中的水分含量是影响聚合、混配和成型的主要因素。当最终用于用户产品时，PA含水量会影响机械性能、尺寸和表面外观[28]。PA部件从“模压成型”状态在50％RH环境下达到平衡可导致0.7％的尺寸变化，这种变化对于0.060英寸（1.5毫米）厚的部件大约需要150天[29]。聚合物层中吸收的水起到增塑剂的作用。由于尼龙为半结晶材料，同时具有结晶相和非晶相，所以实际渗透到非晶区域的水分尽管少，但水分子会占据一定空间并取代尼龙分子。这导致尼龙分子基质膨胀[29]。水分子试图与酰胺基团建立氢键并增强分子链的流动性[28]，这反过来又影响材料性质，如模量、屈服应力和韧性等[30]。塑料吸水也会导致尺寸和质量的变化，这是由于应力和膨胀导致整个结构的严重损坏。保持尺寸稳定对于使用窄公差和复杂形状的部件非常重要[31]。
人们进行了大量有关聚合物摩擦性能的研究，有很多参数表明聚合物及其复合材料的摩擦性能，包括聚合物分子结构、加工与处理、性能、粘弹行为和表面结构等。Watanabe等人[39]、Tanaka [38]、Bahadur和Tabor [39]研究表明，聚酰胺、高密度聚乙烯及其复合材料的摩擦学行为通常受正常载荷、滑动速度和温度的影响。Pihtili和Tosun [40,41]表明施加载荷和滑动速度对聚合物及其复合材料的磨损行为起着重要作用。他们还提到，施加载荷对复合材料磨损的影响比速度更大。Franklin[42]研究表明，在干燥的往复滑动条件下聚合物的磨损行为并不总是遵循“更高的滑动速度，更高的磨损率”的普遍接受的工程规律。通过研究正常载荷对不同聚合物和复合材料的摩擦系数和磨损率的影响[43]，发现不同材料的摩擦系数和磨损率是不同的。
从上述研究工作可以得出结论，不同正常载荷和滑动速度下聚合物材料的磨损系数显着不同。即使现在，正常载荷和滑动速度对高分子材料，如ABS和尼龙，在钢表面滑动的磨损系数和磨损率的影响也不太了解，并且当材料处于不同的工况下时也是如此。在钢表面正常载荷和滑动速度下，为了更好地理解这些材料的磨损系数和磨损率，需要更多的研究工作。因此，本研究通过实验研究了在干（正常）、吸水和EP条件下，正常载荷和滑动速度对ABS和PA6的磨损系数和磨损率的影响，并比较上述材料在这些条件下的摩擦学性能。作者认为，在EP条件下对塑料/聚合物的摩擦学研究并不多，因此该研究对理解电镀对塑料摩擦学行为影响大有裨益，对聚合物的磨损和摩擦研究可能有重要贡献。
实验部分
材料
本研究中使用的PA6和ABS样品，使用的螺杆型注塑机（ARBURG 170/90/200，位于班加罗尔的Shrinidhi塑料公司的20T 容量机器），由采购自Jayalakshmi Polymers，Bengaluru的粒状材料注塑而成。
摩擦磨损测试
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( 2-1) |
摩擦磨损采用销盘摩擦机测试，图1、图2分别展示了试验样品和摩擦机原理图。以选定速度旋转的圆盘（Oslash;160mmtimes;11.5mm）对磨销试样（10毫米times;10毫米times;4毫米）。在每次测试之前，将聚合物销子固定在摩擦机上，与放置在旋转盘上的金相600号砂纸砂纸对磨。这种预处理过程确保了销和盘表面的完全接触。金属盘用丙酮清洗并干燥。聚合物试样的表面粗糙度Ra为1.815-2.12mu;m， 所有的试样都彻底清洁。摩擦磨损试验在室温（23plusmn;5℃）下在大气中（相对湿度（RH）：50plusmn;10％）进行。施加的载荷范围为10N至70N，盘的转速范围为2.5m / s至7.5m / s，滑动距离为1000m。使用分析天平（精确度：0.001mg）通过针和盘的重量损失来测量磨损。根据以下公式计算本研究报告的磨损率（K, mm3 / N·m）：
其中Delta;m为质量损失（g），L为滑动距离（m），P为施加载荷（N），rho;为聚合物密度（g /cm3）。按照ASTM D792标准测量密度，该标准主要基于阿基米德原理。为了最大限度地减少数据散布，本研究进行了三次重复滑动测试，磨损系数和磨损率是三次重复测试结果的平均值。
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图1 摩擦样品的尺寸 |
图2 销盘式摩擦机 |
磨损表面分析
彻底清洁ABS和PA6的磨损表面，表面涂覆10nm厚的金-钯涂层。由于样品不导电时不能直接进行SEM研究，因此样品已经涂覆了金-钯涂层，为SEM研究提供了所需的导电性，然后将这些含涂层的样品进行SEM（Jeol 6390LV, SAIF, STIC, Kochi, India）研究，以显现磨损机制。
结果与讨论
摩擦磨损性能
在干摩擦（正常）、24小时吸水和EP条件下，PA6-金属和ABS-金属摩擦组合的磨损系数如图3所示。聚合物试样的热性能和机械性能列于表1中。干摩擦条件下，PA6的磨损系数较高，记录值比ABS高约23.8％。吸水条件下ABS-金属组合的磨损系数较高，比PA6高约92.3％。ABS和PA6样品在EP条件下显示相同的磨损系数，并且该值低于干摩擦和吸水条件。
在干摩擦，24小时吸水和EP条件下，PA6和ABS样品的比磨损率如图4所示。有趣的是，与PA6样品相比较下，ABS样品的磨损率在干摩擦和24小时吸水条件下较高。但是在EP条件下，ABS和PA6的磨损率都是相同的。在图4中没有观察到PA6正常样品的磨损率，因为其磨损率小于10-5 mm3 / N·m。此外，从表1中可以看出，吸水样品的硬度和表面粗糙度值没有明显的增加，并且从文献调查可以理解，处于吸水状态的聚合物样品失去其机械强度，这导致吸水样品的磨损系数（COW）和磨损率上升。在3.2节对这些样品进行的SEM研究提供了相同的证据。EP样品表现出增强的硬度并且Ra值表示光滑表面，即与干燥和吸水样品相比粗糙度降低。EP样品的光滑表面使它们滑过金属表面。因此EP样品观察到COW和磨损率降低。
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图3 聚合物样品在干摩擦、吸水24小时、EP条件下的磨损系数（负载：10N，滑动速度：2.5m/s，滑动距离：1000m） |
图4 聚合物样品在干摩擦、吸水24小时、EP条件下的磨损率（负载：10N，滑动速度：2.5m/s， 全文共17688字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[15471]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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