复合材料自润滑罗拉轴承制备与表征

　　罗拉轴承是纺织机械中的关键部件之一，目前，细纱机普遍使用的罗拉轴承有两种，一种为传统尼龙架滚针的油轴承，这种轴承有着加油周期短、费时、费工、容易出现油污纱的缺点，致使织物降等，是长期以来难以解决的一个技术难题。
　　另种为金属基自润滑罗拉轴承，虽然也能实现无油润滑，但具有成本高、耐磨性差、抗冲击性差、基金项目：陕西省教育厅专项科研基金项目（14K1056）易氧化等缺点，不适合纺织企业低负荷、低速度、高湿、重污染等工况环境的要求，也没有在市场上得到大范围的推广。为此我们开发了一种新型细纱机用自润滑轴承，这种轴承是以己内酰胺为基体，通过填加具有增强作用的碳纤维、固体润滑剂石墨和定量的改性剂和催化剂，采用塑料压注成型工艺制备出的具有优良力学性能和纺纱性能的复合材料自润滑罗拉轴承制品，并分析了碳纤维、石墨含量对复合材料自润滑罗拉轴承的强度、摩擦、条干和纱线强度等指标的影响，以期为自润滑罗拉轴承的研究和开发提供依据。
　　政1试样制备1.1材料性能与选用1.1.1己内酰胺己内酰胺结构式为，m和可为5、10、11等，其为白色晶体。在常压下，将己内酰胺晶体熔融后加入一定量的碱性催化剂和活化剂等助剂后发生反应，制成待聚单体，然后迅速注入模具中，最后在模具中聚合成坚韧的固体胚件，也称为尼龙。这种尼龙材料具有质量轻、强度高、自润滑、耐磨、防腐、抗蠕变、耐冲击等特点，成品制作工艺流程简单，常代替铜、铁应用于工业生产。本试验采用南京和聚的己内酰胺晶体。
　　1.1.2碳纤维碳纤维为高性能纤维，具有较高的强力和耐疲劳性。树脂中加入一定量（5%25%）的碳纤维，可以明显改善制品的强度、抗裂性、耐磨性以及尺寸稳定性等，在自润滑罗拉轴承中起增强和承受边缘载荷的作用。
　　石墨为优良的固体润滑剂，具有摩擦因数低、导电导热性好、承载能力好、耐磨性好、耐高温、强度和模量高等特点。其作为自润滑罗拉轴承固体润滑剂的同时又起到偶联剂的作用，提高了碳纤维和己内酰胺晶体的相容性，增加了二者的结合力。此外它还能起到脱模剂的作用，使制品能顺利从模具中脱下来。
　　1.1.4助剂和催化剂本试验以兰州化工的NaOH分析纯为助剂，西安化工的甲苯二异氰酸酯（以下简称TDI）分析纯为催化剂。
　　1.2试样配方试验所使用的试样配方见表1.表1罗拉自润滑轴承材料试样配方表（质量比）试样编号己内酰胺NaOHTDI碳纤维石墨表1中是在己内酰胺量的基础上，加入相应质量比的其他材料分别制备了6种复合材料，作为FA506型细纱机罗拉用自润滑轴承。
　　1.3制作工艺分别将以上试样配方按比例充分混合后加入到单螺杆塑料挤出机中，经100C120C加热至熔融状态，经挤出机的口模和芯模环状间隙挤压成同罗拉轴承规格管材，然后经定径和冷却，使管材的形状和尺寸精度得以确定下来。上述管材最后经过车削、开槽等工序制成符合规格要求的细纱机前、中、后罗拉用自润滑罗拉轴承。
　　2试验方案与结果2.1轴承物理性能2.1.1摩擦磨损性能在MPX-2000型摩擦磨损试验机上进行，模拟细纱机罗拉轴承运行的实际工况，采用双环端面立式干摩擦磨损方式，在室温下进行，回转的上环为自制的45号低碳钢圆棒，硬度为HRC50，外径为19mm，表面粗糙度只a为0.6卩m；固定的下环为上述方法制得的6种试样，试样尺寸为外径23mm、内径20mm，长14mm.在上环加压量为150N、回转速度为12.5m/s（近似于纺细特纱细纱机轴承运行速度）、运行时间为24h的条件下，对6种试样分别进行摩擦磨损试验，摩擦力矩经数据采集系统记录，并换算成摩擦因数。用读数显微镜测量试样磨痕宽度，并换算成磨损率。
　　2.1.2冲击强度采用XXD22型悬臂梁冲击试验机，冲击强度执行GB/T 1043―93硬质塑料简支梁冲击试验方法标准，在常温下对6种试样分别进行冲击强度测试。
　　2.1.3压缩性能压缩性能用材料的压缩强度Pt（MPa）来表示，计算公式为：在WDW-10型微机控制电子万能试验机上，于常温下对6种试样分别进行压缩性能测试。2.1.4轴承物理性能试验结果对6种轴承试样按照上述方法分别进行摩擦磨损性能、冲击强度和压缩性能试验，结果见表2.表2各轴承试样物理性能试样编号摩擦因数磨损率/%冲击强度/km-2压缩强度由表2可知，纯己内酰胺的摩擦因数最大，磨损率最小，其原因是由于己内酰胺虽具有较好的耐磨性、热稳定性和耐腐蚀性，但其机械性能较差、导热性差和不具有自润滑性能。因此，纯己内酰胺制成的轴承材料不能在细纱机上做为罗拉轴承使用。填加了碳纤维和石墨改性后的己内酰胺制品在干摩擦条件下摩擦磨损性能得到明显的改善，这是因为在干摩擦状态下，碳纤维和石墨的磨屑具有较好的润滑作用，摩擦力得到有效控制，但磨损量有所增加。纯己内酰胺耐冲击强度最大，是因为己内酰胺是一种塑性材料，具有较大的韧性，分子量大，结晶度高，耐冲击性好，当己内酰胺填充一定量的碳纤维、石墨后，冲击强度下降较明显。纯己内酰胺的轴承压缩强度最大，填加碳纤维、石墨后复合材料压缩强度均有所下降，碳纤维含量为20%、石墨含量为20%的试样3压缩强度较理想，其大于前罗拉加压量的若干倍，完全满足细纱机罗拉轴承的需要。
　　2.2纺纱性能选取自制备的6种试样各10个，在FA506型细纱机前、中、后罗拉上，三罗拉双锭加压量为100NX80NX100N，粗纱定量和其他工艺参数相同的情况下，纺制C14.5tex纱，运行时间24h.采用YG136型条干均匀度仪和XT128型单纱强力仪对细纱进行条干和强力测试，结果见表3.表3各轴承试样纺纱质量试样编号条干CV/%断裂强度/cNtex1由表3可知，纯己内酰胺制品的轴承其成纱条干不匀率最大，成纱强力最低，随着纺纱时间延续，断头增多，最后无法纺纱，其原因是纯己内酰胺轴承不具有自润滑功能，长时间运转使轴承发热、打顿、跳动、胶合，产生爬行，罗拉回转不灵活，使纺纱无法进行。填加了一定量的碳纤维和石墨的复合材料轴承其纺纱性能得到了明显的改善，方面成纱条干CV降低、断裂强度增加，成纱质量提高，另一方面由于填加的碳纤维和石墨具有自润滑性能，罗拉轴承完全可以在不加油下运行，避免了因加油而导致的油污纱产生，降低了人工成本，使企业的经济效益得到了提高。
　　3试验结果分析3.1碳纤维含量对复合材料摩擦和力学性能的影响填加碳纤维是为了提高制品的强度、延展性和韧性，克服纯己内酰胺材料弹性模量低、热导率低、溶剂性差等缺点。基于上述试验结果，当石墨含量为20%时，进一步分析不同碳纤维含量对摩擦、磨损、冲击强度和压缩强度的影响趋势图，见。
　　碳纤维含量/°/碳纤维含1/%摩擦因数碳纤维含量/%碳纤维含量/%（c）冲击强度（d）压缩强度碳纤维含碳纤维含量/%（e）条干CV（f）断裂强度碳纤维含量对测试指标影响趋势图由（a）和（b）可知，随着碳纤维含量的增加，复合材料的摩擦因数和磨损率的变化趋势基政未020石墨含量/%（b）磨损率ddw/趔锯田本上是一致的，都是先降低而后逐渐升高，当碳纤维含量接近20%时，复合材料的摩擦因数和磨损量最低。当碳纤维含量低时，基体与碳纤维黏结得较好，此时主要发生基体与碳纤维的滑动磨损，磨损均匀，磨屑量少，形成层均匀致密的转移膜，此转移膜有助于降低摩擦阻力和摩擦升温，摩擦因数和磨损率都减少到定的数值；但随着碳纤维含量的增多，基体不能很好地“浸润”碳纤维，两者的黏结性较差，磨损时易发生纤维断裂及纤维与基体脱黏，形成三体磨损，从而加剧了材料的磨粒磨损和剥离磨损，导致摩擦因数和磨损率增加。
　　由（c）可知，随着碳纤维含量的增加，冲击强度先增加然后降低，在碳纤维含量不超过20%时，与基体结合较好，复合材料表现出较好的塑性和延展性，但随着碳纤维含量的增加，基体不能很好地与碳纤维结合，材料的脆性增加，导致了复合材料冲击强度的明显下降。
　　由（d）可知，随着碳纤维含量的增加，复合材料的压缩强度先增加然后降低，这是由于纯己内酰胺的韧性很好，而加入碳纤维、石墨后，会阻碍己内酰胺大分子链的链间滑移，过多的碳纤维、石墨使复合材料的应力更加集中，容易萌发微裂纹，从而导致压缩强度的降低。因此，在填加碳纤维和石墨改进尼龙材料的摩擦磨损性能时，碳纤维填料比例不宜过大，否则压缩强度就会变得很低，材料易发生脆性断裂而影响轴承的使用寿命。
　　由（e）和（f）可知，随着碳纤维含量的增加，纱线的条干CV值为先减小然后增大，纱线的断裂强度为先增大然后减小，即纱线的质量表现为先较好然后较差的趋势，该趋势与摩擦因数的变化趋势一样，当碳纤维含量为20%时最优。
　　分析其原因是由于当纯己内酰胺中填加碳纤维和石墨后，使纯己内酰胺的摩擦性能大大改变，在轴承运行过程中，避免了打顿、爬行和胶着状态，纺纱性能得到了很大提高。试验中还发现，当碳纤维含量增大到30%左右时，成纱条干较差，成纱断裂强度有所下降，其原因同。
　　3.2石墨含量对复合材料摩擦和力学性能的影响填加石墨是为改善制品耐磨性、导热性和导电性，降低制品摩擦因数，但与此同时其力学性能会有较大下降，需填加纤维材料来增强力学性能。基于上述试验结果，当碳纤维含量为20%时，进一步分析不同石墨含量对摩擦、磨损、冲击强度和压缩强度的影响趋势图，见5.4.3.2.10.0.0.0.0.石墨含量/%摩擦因数石墨含量/%石墨含童（c）冲击强度（d）压缩强度石墨含量/%石墨含量（e）条干CV（f）断裂强度石墨含量对测试指标影响趋势图。2.0.B.6.4.2c3.3.2.2.2.2.C由（a）和（b）可知，在己内酰胺中再填加一定量的石墨可进一步降低材料的摩擦因数和磨损量，其作用较填加碳纤维更明显，在石墨含量20%时，摩擦因数和磨损率都达到较好水平。这是因为石墨是自润滑性很强的润滑剂，它可明显改善材料的摩擦磨损性能，石墨的加入进步降低了表面转移膜的剪切强度，这样不仅有利于降低复合材料的摩擦因数，而且防止了表面微凸体与对偶件表面的直接接触，增大承载面积，使垂直于滑动方向压应力的接触点处应力降低。但当石墨的含量接近30%时摩擦因数和磨损率有所增加，这是由于当石墨含量高时材料的硬度降低、强度下降。综合上述分析，在填加碳纤维和石墨改进尼龙材料的摩擦磨损性能时，石墨的含量最好不要超过20%.由（c）可知，随着石墨含量的增加，复合材料的冲击强度呈连续下降，当石墨含量超过20%时，冲击强度下降更加剧烈，这是由于石墨本身脆性较大，而且与基体结合力较差，石墨含量越大，复合材料的脆性越大，使得己内酰胺材料由塑性材料转化为脆性材料。因而，在填加碳纤维、石墨提高复合材料摩擦磨损性能时，要同时考虑所加填充改性材料对复合材料强度冲击性能的影响，以免材料韧性下降太多，导致复合材料的综合性能下降。
　　由（d）可知，随着石墨含量的增加，复合材料的压缩强度明显降低，当石墨含量超过20%时，压缩强度下降幅度明显增大，这说明填充石墨比填充碳纤维对复合材料的压缩强度影响要大。因此，在填加碳纤维和石墨改进复合材料的摩擦磨损性能时，石墨填料比例不宜过大，否则压缩强度就会变得很低。
　　由（e）和（f）可知，石墨的加入，使纱线的条干CV值和断裂强度的变化值较加入碳纤维明显，在石墨含量20%时，成纱条干CV值和断裂强度都达到较优值。其原因是石墨作为一种固体润滑剂，具有优越的润滑性能，石墨含量越高，摩擦因数越低，但该试验发现，当石墨的含量达到30%左右时，成纱的质量却有所下降，这进―步验证了在己内酰胺基体中填加碳纤维和石墨时，当填加的含量超过定值时，由于分子之间的内应力和能否完全“浸润”两个方面的作用，导致了复合材料的综合性能下降，从而影响纺纱效果。
　　综合考虑碳纤维和石墨两项含量对复合材料轴承各项性能的影响，碳纤维含量在20%时，各项性能均处于较优状态；而石墨含量在20%时，摩擦因数、磨损率、冲击强度、条干CV、断裂强度均处于较优状态，压缩强度虽有所下降，但幅度较小，故可以认为碳纤维和石墨含量均为20%时，复合材料轴承的摩擦、磨损、力学性能和纺纱性能处于较优状态，根据这配方，可制作出物理和纺纱性能良好、自润滑程度高、寿命长的细纱机自润滑轴承。
　　4结论纯己内酰胺制成的轴承材料不能在细纱机上作为罗拉轴承使用，纺纱无法进行。通过填加碳纤维和石墨改性的己内酰胺复合材料制成的细纱机罗拉轴承具有良好的自润滑性能，轴承运行平稳，性能可靠，成纱质量稳定，无论在免油还是在摩擦磨损及力学方面完全可以替代传统的油润滑轴承使用，且不产生油污纱。
　　填加适量的碳纤维和石墨可明显地降低复合材料的摩擦因数和磨损量，碳纤维含量超过20%其增强降低；石墨的填加在降低复合材料的摩擦因数和磨损量方面作用较碳纤维明显，但使复合材料的耐冲击强度、压缩强度下降，填加的含量越大下降得越严重，所以在填加碳纤维和石墨改进复合材料的摩擦磨损性能时，填料的比例不宜过大。
　　试验表明：用成分质量比为20%的碳纤维和20%的石墨协同填充增强的复合材料，具有较好的摩擦磨损和力学性能，且可加工性能好，自润滑程度高，轴承寿命长。