论文摘要
聚甲醛（POM）是一种常见的热塑性工程塑料。由于其综合性能优异,尤其具有良好的力学性能和理想的自润滑性,所以被广泛应用于传动部件和机械制造等领域。但与国外相比,我国POM生产规模小,工业化品种单一,且用于汽车、电子电气、军工以及尖端科学技术的产品少,因此提高POM的综合性能也是我国国民经济发展的迫切需要。考虑到上述所有因素,对于POM的改性显得尤为重要。本文研究内容主要包括以下两大部分：首先,国产POM的增韧改性研究。由于POM具有特殊的分子结构,在加工过程中容易结晶形成较大的球晶,这些球晶在受到外界作用力的时候很可能成为应力集中点,引起材料的破坏。这使得聚甲醛的缺口冲击强度很差,以至于不能够满足其再很多领域的应用,所以要对国产POM进行增韧改性研究。本文采用两大类增韧改性方法对国产POM进行增韧改性。一是弹性体增韧改性、二是纤维弹性体协同增韧改性。对于弹性体增韧,本文选用热塑性弹性体TPU及其增容剂Novolak、热塑性弹性体PEO、热塑性弹性体POE以及其相应的增容剂MAH-POE等几种典型的改性剂对国产POM进行增韧,并建立了POM/TPU/Novolak、POM/PEO POM/POE/POE-MAH几种增韧改性体系；对于纤维弹性体协同增韧,本文选用PTFE纤维和PEO弹性体作为改性剂,并建立了POM/PEO/PTFE纤维改性体系。对上述几种改性体系分别深入研究了各POM复合物的冲击韧性、力学性能、结晶情况、热稳定性以及亚微相态形貌等。发现以上几种增韧改性体系使得纯POM的冲击韧性得到了不同程度的提升。对于POM/TPU/Novolak复合物,其冲击韧性可达到145J/m,相对于纯POM树脂本身的缺口冲击强度79J/m而言,其冲击韧性提升了81.2%。对于POM/PEO体系,其其冲击韧性可达到95.11J/m,相对于纯POM树脂本身的缺口冲击强度79J/m而言,其冲击韧性提升了20%,对于POM/PEO/PTFE纤维体系,其冲击韧性可达到139.87J/m,相对于纯POM树脂本身的缺口冲击强度79J/m而言,其冲击韧性提升了77%,而对于POM/POE/POE-MAH体系,由于其增韧效果不及其他几种体系明显,本文中未作过多研究。此外,本文还发现了增容剂在增韧改性过程中的重要作用,加入Novolak后,POM/TPU复合物得冲击性能大约能够提高25%。事实上,Novolak很好的起到了增容剂的作用,由于Novolak的加入,提高了POM和TPU的界面粘结性,减小了表面张力,促进了弹性体的分散性。因此促使弹性体增韧剂TPU能够更均匀的分散在基体树脂中,充当应力集中点耗散冲击能。本文中,我们消除了由弹性体颗粒的低刚性而引起的复合材料刚性、模量和屈服强度的损失,获得了POM复合材料综合性能的全面提升。因为刚性和断裂韧性是两个相反的行为参数,并且为了开发出综合性能优异的材料,我们需要在这两者之间寻找一个适当的平衡点。为了解决这个问题,增强相填料如PTFE纤维被引入到了复合体系中。PTFE纤维能够同时改善材料的缺口冲击强度和机械力学性能。因为PTFE纤维在受到外力作用的时候,会发生脱粘和抽出作用,这使得它能够吸收大量的外界冲击能,并且在短时间内将能量耗散出去,这样就弥补了力学性能上的缺失,阻止了材料的严重破坏。纤维增韧增强的机理是：在聚四氟乙烯纤维与POM基体之间存在某种机械嵌合作用,当材料受到外界作用力时,纤维产生脱粘和拔出,引起纤维周围基体产生较大的变形和基体开裂,耗散了大量的冲击能量,导致POM复合物断裂功增加,提高了POM复合物的韧性。在该复合物中,聚四氟乙烯纤维增韧不以降低拉伸强度、弯曲强度等力学性能为代价。在材料断裂时,由于纤维的拔出和与基体脱粘过程中发生了延性断裂,说明聚四氟乙烯纤维对于POM复合物的拉伸强度等力学性能的提高起到了主导作用,从而使得拉伸强度、弯曲强度等力学性能得到相应的补偿。其次,国产POM的耐摩擦改性研究。聚甲醛在许多传动设备中的应用要求其具有良好的耐摩擦性能和自润滑性能。虽然聚甲醛本身的自润滑性优异,但还不足以满足其在许多机械制造领域中的使用要求,因此对POM进行耐摩擦改性显得十分必要。本文研究了一种新型的包括PTFE纤维和PEO弹性体的POM基复合材料,此POM复合材料是通过熔融挤出而制备的,从而提高了POM的摩擦系数和耐磨性。由摩擦实验表明,POM的摩擦系数和磨损率都随着PTFE纤维的加入而降低,并且,PTFE纤维的含量越高,摩擦性能越好。摩擦机理是源于PTFE在滑动过程中相对于对偶面上的成膜作用。当PEO加入到POM/PTFE纤维复合材料中时,能够加强对偶面的转移膜的形成,从而进一步改善了材料的摩擦和磨损行为。磨损行为还与载荷和滑动时间相关,在特定的滑动时间和载荷下,能够形成相应的转移膜。尤其应该注意的是,作为耐摩擦改性剂的PTFE纤维能够改善POM的缺口冲击强度,并且PEO的引入导致了POM增韧效果的更进一步提升。亚微相态形貌学研究表明增韧效果可归因于PTFE纤维的抽出作用和POM基体的塑性变形作用带来的冲击能的耗散。偏光显微镜观察表明PEO的加入能够干扰POM的结晶并减小球晶,进而降低缺口敏感度。尽管POM复合材料与纯POM在热降解模式上有些不同,即降解速率最快的温度略有差异,但是其热稳定性仍然能够很好的被保持来满足其应用。