不同微胶囊功能化与短碳纤维增强二元、三元环氧复合材料的摩擦学性能外文翻译资料

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不同微胶囊功能化与短碳纤维增强二元、三元环氧复合材料的摩擦学性能

关键词：二元和三元环氧复合微胶囊硬度，摩擦，磨损。

摘要

研究了新开发的二元和三元环氧复合材料的组成变化对轴承钢滑动摩擦磨损的影响。一些新材料包括六亚甲基二异氰酸酯（HDI）填充微胶囊和蜡填充微胶囊，另一些则使用不同比例的HDI填充微胶囊、蜡填充微胶囊和短碳纤维（SCFs）。二元和三元环氧复合材料的硬度随微胶囊含蜡量的增加而降低。蜡填充微胶囊比HDI填充微胶囊大。由于SCFs的刚性，含8wt%SCFs的环氧树脂复合材料的硬度高于不含SCFs的环氧树脂复合材料。在100Cr6钢球上测试了二元和三元环氧树脂复合材料的针-盘滑动摩擦磨损性能，结果表明，随着含蜡微胶囊含量的增加，针-盘滑动摩擦磨损性能有所提高。这是由于它们的有效润滑作用。结果表明，加入8%的SCFs可降低环氧树脂基复合材料的摩擦磨损，通过自由滚动SCFs的固体润滑。

一.介绍

聚合物复合材料仅用少量的填料就成功地开发出具有优异的热、电、机械和摩擦学特性的新材料[1-7]。环氧树脂是一种工程热固性材料，由于其具有良好的机械 性能和热性能，且易于与各种填料加工，因此在许多工程应用中被广泛用作热固性材料，因为它的各种性能可以通过加入不同的填料（如管、纤维、片材、颗粒等）来改善，胶囊等[8,9]。

一般而言，聚合物的低承载能力、耐磨性差和短使用寿命限制了其摩擦学应用[10]。因此，有必要开发适合摩擦学应用的高耐磨聚合物。如今，聚合物复合材料通过各种填料改善其摩擦学性能的能力使其在摩擦学应用中得到广泛应用[11– 16]。虽然聚合物复合材料在润滑条件下的磨损比在干燥条件下的磨损要小得多，但是它们对润滑剂的吸收和渗透会导致其表面的降解，从而外部润滑可能影响其应用[17]。文献[18]报道，与润滑油填充微胶囊相结合的聚合物复合材料通过其自润滑作用显著降低了摩擦磨损。Khun等人[19] 报道称，由于蜡润滑剂的有效润滑作用，微胶囊蜡填充有机硅复合涂层比纯有机硅涂层的摩擦系数小的多。此外，他们[20]还发现，与纯环氧树脂相比，多壁碳纳米管（MWCNTs）和蜡的微胶囊混合物的结合，由于释放的蜡和MWCNTs的复合润滑作用，导致环氧树脂复合材料的摩擦磨损显著降低。此外，他们还[21]发现，由于在滑动过程中蜡润滑剂的释放更多，填充蜡的微胶囊含量越高或加入较大的微胶囊，环氧树脂复合材料的摩擦磨损就越小。

在摩擦学应用中，⻓时间的滑动或滚动接触可导致材料表面损伤，从而导致摩擦学元件的失效⻛险显著[7,22]。因此，在聚合物基质中加入填充了愈合剂的微胶囊，将是一种可以自主修复聚合物复合材料损伤并随后恢复其功能的方法[23–26]。液相二异氰酸酯与环境中的水或水分会发生很强的反应，可形成新的聚脲材料，用于聚合物复合材料的自修复，因此一部分自修复概念将是解决工作在开放环境中的材料磨损问题的一个可能的解决方案[27]。近年来，通过对更具活性的六亚甲基二异氰酸酯（HDI）填充型聚氨酯微胶囊的成功开发和应用，使环氧复合涂层获得了优异的防腐性能[28]。具有单组分异氰酸酯基愈合化学性质的环氧树脂涂层对腐蚀损伤具有成功的自愈合性能[29]。Khun等人[22]还成功地开发了HDI填充微胶囊，通过释放HDI液体瞬间自愈合，有效地降低环氧复合材料的研磨磨损[22]。

结果表明，加入HDI微胶囊后，环氧树脂复合材料的磨损率明显降低，其原因是HDI液体的自修复作用；而加入腊填充微胶囊后，由于蜡润滑剂的润滑作 用，环氧树脂复合材料的磨损率明显降低。因此，HDI填充微胶囊和蜡填充微胶囊的共掺可以有效地改善二元聚合物复合材料的自愈合和自润滑性能，这方面的研究还未⻅报道。但是，微胶囊的加入总是使聚合物复合材料的硬度显著降低[7,19-22]。Khun等人[9,30]报道了短碳纤维（SCFs）的掺入显著改善了聚合物复合材料的力学性能和摩擦学性能，其最佳含量约为8%。因此，进一步开发添加8 wt%SCFs的新型三元复合材料，将是在保持低摩擦磨损性能的同时，改善其力学性能的一种可能途径。然而，当聚合物复合材料中加入两种或三种不同的添加剂时，如何在磨损试验中了解它们对复合材料摩擦学性能的协同作用成为一个难题。比较研究二元和三元聚合物复合材料的摩擦学性能对于摩擦学的成功应用具有重要意义。本实验研究了HDI或蜡填充微胶囊的单一环氧复合材料、HDI填充微胶囊和蜡填充微胶囊的混合物的二元环氧复合材料、HDI填充微胶囊和SCFs以及蜡填充微胶囊和SCFs，以及HDI填充微胶囊和蜡填充微胶囊的混合物的三元环氧复合材料利用微压痕和球-盘微摩擦学试验，对比研究了SCFs的力学性能和摩擦学性能。

二.实验细节

2.1.微囊化

用聚脲醛（PUF）壳[19,21,30]对蜡润滑剂Episol B2538进行微胶囊化，制备了包蜡微胶囊。在制备过程中，使用1000毫升烧杯，烧杯中的液体混合物包括100毫升去离子水和25毫升水溶液，水溶液中含有2.5 wt%乙烯顺丁烯二酸酐共聚物(EMA），2.5克尿素，将0.25 g间苯二酚(C6H6O2)和0.25 g氯化铵(NH4Cl) (Sigma-Aldrich Singapore)置于水浴中，温度由可编程热板（热板数字铝230）控制，并用机械搅拌器（Caframo，型号：BDC6015）以400 rpm的速度向其充入30 g蜡[19,21,30]。使用1 M氢氧化钠（NaOH）溶液将混合物的pH调节至3.5。当混合物以400转/分的搅拌速度乳化10分钟时，将含有37wt%甲醛的6.3g水溶液滴入乳液中[19,21,30]。将最终混合物以35℃/h的加热速率加热至55℃并搅拌4h后，进行微胶囊化工艺。在真空条件下，用粗熔块过滤器分离得到的微胶囊。然后用去离子水冲洗过滤后的微胶囊，并在室温（室温22-24°C）下⻛干24小时[19,21,30]。

采 用 MDI 预 聚 物 Suprasec 2644 和 三 乙 烯 四 胺 （TETA）（Sigma- Aldrich（Singapore））[22]在油-水乳液体系中通过界面聚合制备HDI填充微胶囊。首先，将2.25 g阿拉伯树胶表面活性剂溶解在1000 ml烧杯中的90 ml去离子水中，烧杯悬浮在可编程热板上的温控水浴中，然后用机械搅拌器以550 rpm的速度搅拌溶液并加热至50℃[22]。将水溶液加热至目标温度后，缓慢添加含有3.5 g HDI和3 g Suprasec 2644的制备油溶液，以形成稳定的乳液[22]。将10g 稀释的TETA水溶液缓慢地添加到乳液中，并在2小时后结束反应。将获得的微胶囊冷却至室温，过滤，然后通过去离子水漂洗和⻛干12小时。

2.2.样品制备

摩擦学试验用环氧树脂试样制备过程如下。首先将环氧树脂、EPOLAM 5015（Axon Technologies）和固化剂5015（Axon Technologies）以推荐的比例100:30手工混合约10分钟。混合后，将混合物抽真空约15分钟，以除去气泡。对于含有HDI填充微胶囊或/和蜡填充微胶囊的环氧复合材料试样，HDI填充微胶囊或/和蜡填充微胶囊的加权量均匀地分散到混合物中[19–22]。对于含有HDI填充微 胶囊和SCF、蜡填充微胶囊和SCF以及HDI填充微胶囊、蜡填充微胶囊和SCF混合物的环氧复合材料试样，将混合物与8 wt%SCF（M-2007S，Kreca，平均直径约14.5mm，平均⻓度90mm[30]）混合在玻璃烧杯中，置于60°C的水浴中，以1500rpm机械搅拌30分钟，然后手工混合HDI填充微胶囊或/蜡填充微胶囊如上 [ 9，30]。然后，将最后的混合物再次抽真空约15分钟，以去除被困住的气泡。最后，将混合物倒入聚四氟乙烯模具中进行成型。模压样品在室温下固化24小时，然后在60°C的烘箱（粘合剂，型号V53）中固化3小时[19–22,30]。一元、二元和三元环氧复合材料及其指定名称列表如表1所示。

2.3.特征

采用扫描电子显微镜（SEM，JEOL-JSM-5600LV）对样品和微胶囊的形貌进行了研究。在扫描电镜观察之前，在样品上涂上一层金以避免充电。

使用直径为4 mm的金刚石触控笔，使用表面轮廓术（Tlyscan 150，Taylor Hobson）测量样品的表面形貌，并通过对每种材料的三次测量获得其平均均方根表面粗糙度（Rq）[30]。

使用直径为20 mm的球形金刚石尖端的微型压头（micro-CSM）在3 N的总法向载荷下测量试样的硬度。所用的加载速率和卸载速率以及峰值载荷下的停留时间分别为6 N/min、6 N/min和5 s[30]。样品的硬度是用Oliveramp;Pharr的方法（31）得出的，样品的平均硬度是从每种材料的16次压痕测量中得出的。

采用圆盘微型摩擦仪（CSM）对试样的摩擦系数和比磨损率进行了测定。在6

N[30]的正常载荷下，每个样品在直径为6 mm的100Cr6钢球上以4 cm/s的滑动速

度在半径为2 mm的圆形路径上旋转60000圈。相对湿度为60-65%RH。在文献[21,22,30]的基础上，对试验参数进行了优化，系统地评价了环氧复合材料在不同法向载荷和滑动速度下的耐磨性。

表1一元，二元和三元环氧复合材料列表。

本研究选择钢球作为反作用球，以了解环氧复合材料与金属反作用材料摩擦接触时的摩擦学行为，并与文献[21,22,30]中的研究结果进行系统比较。在摩擦学试验之前，使用1200粗砂纸对样品进行预抛光。对每

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