微细硬石膏粉在尼龙6基复合材料中的分散机理与耐磨性能研究

An uneven dispersion in the polymer matrix and poor interface bonding strength with the polymers have become a major bottleneck of anhydrite powder in application. For solving this problem, according to the principle of molecular design, the modified anhydrite powder with organosilicone coupling agents as a modifier is achieved efficiently by the atomization spray. And then the wear-resisting nylon 6 matrix composite with the modified anhydrite powder as filler is prepared using twin-screw extruder. The microstructures and dispersion state of anhydrite powder in nylon 6 matrix composite are observed, and the bonding mechanism between the modifier and anhydrite powder and disperse mechanism of the anhydrite powder in nylon 6 matrix are discussed through infrared spectroscopy, scanning electron microscope, Energy Disperse Spectroscopy, X-ray diffraction and some other means. The method solving anhydrite powder agglomeration and composite phase separation is explored. Further, the mechanical properties are tested, with the help of image analysis and computer simulation, dispersion of anhydrite powder in matrix and evolution laws between interface bonding mechanism and mechanical properties are studied. The simulation model of the relationship between dispersion state, interface bonding mechanism and mechanical properties is established. The results present a theoretical base for expanding the application of anhydrite in polymer matrix composites and wear-resisting polymer matrix composites.

难以分散均匀和与基体界面结合强度差问题已成为制约硬石膏粉在聚合物基体中应用的一个主要瓶颈。为此，本项目利用分子设计原理，以有机硅类偶联剂为改性剂，采用雾化喷入技术对硬石膏粉体表面进行有效修饰，在此基础上，使用双螺杆挤出制备尼龙6基硬石膏粉耐磨复合材料。通过红外光谱、扫描电镜、能谱仪、X射线衍射等手段观察硬石膏粉分散状况，研究改性剂与硬石膏粉之间、改性前后硬石膏粉与尼龙6界面之间的性质及结合机制，探索解决硬石膏粉团聚和相分离关键技术问题的有效途径。利用力学性能试验，借助于图像分析，研究石膏粉在基体中的分散状态、界面结合机制与力学性能之间的演化规律，在改性剂分子与硬石膏粉之间、硬石膏粉尺寸、结构、表面界面性质与体系宏观性质之间建立相互关系，构建分散状态、表面界面性质与体系宏观性质的模拟模型，为拓展石膏粉在聚合物基复合材料及耐磨复合材料中的应用提供理论依据。

我国石膏矿产蕴藏量非常丰富，已探明的含量有1000亿吨，居世界第一位，从国家中长期发展规划和“十二五”矿产资源利用的整体要求，硬石膏的高效利用和深加工是国家的一大资源战略。因硬石膏活性差，过去对硬石膏的开采利用不多，造成了对优质资源的极大浪费。因此，开展硬石膏粉在聚合物（尼龙6，PA6）基复合材料中应用的基础研究，通过基础研究带动科技创新、对有效利用我国硬石膏资源、突破高端应用技术、支撑传统产业提质升级、拓展硬石膏的应用领域，打造产业升级的新亮d点等方面具有十分重要的意义。. 主要研究内容、重要结果、关键数据如下：.(1) 研究了高温煅烧活化和表面改性两种方法对硬石膏（AII型）分散性能影响。发现高温煅烧去除了AII的结晶水，KH560以共价键键接到AII表面。.(2) 研究了硬石膏的含量及活化方法对PA6复合材料性能的影响。发现复合材料的拉伸强度和弯曲强度在硬石膏含量为15份时达到最佳值，表面改性较有利于复合材料综合力学性能的改善；当AIIg含量低于20 份时，AIIg在PA6中分散均匀。 .(3) 研究了800目、1500目、2000目和3000目四种粒径及其含量的硬石膏粉对PA6复合材料性能的影响。发现AII含量为15份和20份时，拉伸强度和弯曲强度分别达到最大值；粒径越小，复合材料综合力学性能越好。.(4) 研究了KH550、KH560和NDZ201三种改性剂及其含量对3000目硬石膏粉改性及其复合材料性能的影响。发现KH560改性效果优于KH550和NDZ201；当KH550用量为1 wt.%-1.5 wt.%时，力学性能达到最佳值；硬石膏粉起到了异相成核的作用。.(5)采用正交实验法研究四种不同粒径硬石膏粉级配对PA6力学性能的影响。当3000目/2000目/1500目/800目=50/10/25/10时，拉伸强度和弯曲强度达到最大值，分别为93.5和114.2MPa；当3000目/2000目/1500目/800目=50/10/25/25时，冲击强度达到最大值，为14.7KJ/m2。.(6) 以混合PA6/GF为基材，AIIg为改性剂，研究了1500目和3000目及复配比例对复合材料热稳定性及摩擦磨损性能的影响。发现当1500目/3000目为12/8时，摩擦系数最小，比例为15/5时，耐磨性能最好，磨损机制以粘着磨损为主。