铁路货车轴承工程塑料保持架回收料性能研究

唐继兵，田少波，王军平（北京隆轩橡塑有限公司）



铁路货车轴承工程塑料保持架回收料性能研究

唐继兵，田少波，王军平（北京隆轩橡塑有限公司）

利用现代分析设备和技术，对铁路货车轴承大修报废的工程塑料保持架的回收料进行性能分析。用显微镜观察材料内部的增强玻纤的长度；利用红外光谱表征回收料的结构；应用DSC差式扫描量热分析和TGA热失重分析回收料的热性能；运用拉伸、弯曲和冲击实验研究回收料的力学性能，并将结果与原材料进行对比，为以后用其制造新产品提供参考依据。

工程塑料保持架；回收料；力学性能；热性能

目前，在我国铁路货车轴承领域，工程塑料保持架以其性能优、成本低、重量轻和良好的自润滑性能等优势已经基本上替代了金属材料保持架。工程塑料保持架使用的是玻纤增强的聚酰胺树脂材料，是一种热塑性塑料。铁路货车新造轴承使用时间或运行里程多数为8年或80万km［1］，轴承更换或大修时需要换装新的保持架，原保持架将报废。因此铁路上将有大量报废下来的工程塑料保持架。

国家环境保护部门对废弃塑料制品回收再利用给予充分肯定，并呼吁“循环经济”，鼓励走可持续发展之路。再生资源回收利用是我国经济、社会可持续发展的战略选择。目前，世界各国都把数量巨大的多种废弃物经过回收利用，变废为宝，使其得以减量化、无害化和资源化。近20多年来，塑料废弃物回收利用的研究进展表明，塑料废弃物的处理是提高资源利用效率、保护环境、建立资源节约型社会的重要途径之一。如果能够对这些报废的铁路货车工程塑料保持架实现有效地回收和充分的再生利用，不仅可以节省大量的石油资源和能源，更是一个有很大好处和利益的市场［2］。

同样的，轴承大修报废下来的工程塑料保持架经过筛选、清洗、破碎后即可作为原材料再次使用，来制作适合的新产品。当前首先要解决的问题是检测破碎后材料的性能，确定其性能指标。笔者对报废下来的回收工程塑料保持架清洗后的回收料进行了红外谱图分析、DSC、TG分析、对其中的增强玻纤长度进行了显微成像研究，并将碎料重新注塑样条进行拉伸、弯曲、冲击性能检测试验，将检测结果与未加工的原材料性能进行对比，为制定其性能指标提供了大量的试验数据，为可能使用该材料的新产品提供相应理论依据。

1　实验部分

1.1主要样品

工程塑料保持架原材料：25%玻纤增强的尼龙66（下文简称“保持架原材料”），美国杜邦公司。

轴承大修报废下来的工程塑料保持架清洗后的回收料（下文简称“回收料”）。

1.2主要设备、仪器

偏光显微镜：LV100POL型，日本NICON公司；

热失重分析仪：Q500型，美国TA仪器公司；

差示扫描量热仪：Q200型，美国TA仪器公司；

红外光谱仪：Nicolet380型，美国Nicolet公司；

毛细管流变仪：GOETTFERT MI-3，德国高特福公司；

万能试验机：INSTRON 5567型，英国INSTRON公司；

冲击试验机：6957.000，意大利CEAST公司；

马弗炉：DC-B-1，北京独创科技有限公司。

表14所示为不同方法优化结果的比较。其中，序列采样方法的初始采样准则为继承拉丁超立方采样(样本集大小为45)。可以看出，相较于序列采样方法，一次采样方法LHS方法所用样本较多，最优解处精度较低;局部序列采样方法(LAS方法和LMPP方法)和全局序列采样方法(EGRA方法和IBS方法)都能够获得较为准确的最优解，但局部采样方法更加高效准确。所有方法中，本文方法相对误差和样本数最小。

1.3性能测试及表征方法

偏光显微镜观察玻纤长度，分别取保持架原材料和回收料在马弗炉中升温到600℃进行燃烧2h后，取出放在干燥器中冷却1h，将剩余的玻璃纤维在显微镜下观察，比较两种材料的玻纤长度。

热失重分析（TGA），分别对两种样本进行表征，样品质量为9.0～11.0mg，气氛氮气流量60ml/min，以10℃/min速度升温，从室温升至580℃，检测两种样本的开始分解温度，然后转用氧气气氛流量为60ml/min，继续升温至680℃，检测两种材料的各组分的含量。

差示扫描量热分析（DSC），分别取两种样本质量为 5.0～6.0mg，放入铝制坩埚内，纯铟校正，空坩埚作参比，氮气流量50ml/min，以10℃/min速度升温，从室温升至300℃，记录一次升温熔融曲线。按照GB/T19466.3中的分析方法分析其熔融温度。

运用原位全反射傅里叶红外光谱（ATRFTIR）技术对两种样本进行红外光谱分析。

熔体粘度分析，将两种样本进行干燥处理4～6h，温度285℃预熔4min后，用10/1的毛细管对处理后的两种料进行粘度检测。设定剪切速率分别为：2、4、8、16、32、64、128、256、512和1024mm/s，得到每个速率的表观剪切粘度并比较。

力学性能检测，检测两种样本的拉伸性能、弯曲性能和抗冲击性能，分析回收料比原材料性能下降比。

2　结果与讨论

图1～2分别为保持架原材料和回收料在马弗炉600℃高温燃烧后剩余的玻璃纤维观察的显微镜照片，由图可见保持架原材料玻纤长度（97～792.77μm）明显大于回收料玻纤长度（93～446.25μm）。主要是因为添加玻纤的原材料，经过了一次加工（注塑产品）后，料杆对熔料的搅动会使玻璃纤维变碎变短。而玻璃纤维在材料中主要起到加强力学性能的作用，因此推断回收料的力学性能与原材料相比会有所下降，下面的数据也证实了这一点。

2.2TGA热失重分析

常温条件下，尼龙66比较稳定。图3中可以看出，300℃之前，保持架原材料和回收料失重率非常小，认为失重主要是因为有机溶剂的挥发及失水所致［2］。400℃以上，两种样本的失重率迅速增加，是由于聚合物热分解所致。材料的热稳定性能还是很强的。

图2　回收料玻纤长度显微图

图3中分析可知，回收料的开始分解温度（403.43℃）低于保持架原材料的分解温度（414.20℃），主要是因为聚合物材料经过一次加工后，分子链会发生断裂，热稳定性下降所致。各组分的含量见表1，可以看出原材料和回收料各组分没有很大变化。

图3　保持架原材料和回收料的热失重分析

表1保持架原材料和回收料各组分含量

2.3DSC分析

聚合物在温度升高时会发生熔融。图4为两个样本的DSC曲线，从图4中可以看出，保持架原材料和回收料的开始熔融的温度和峰值基本一致，表明材料熔点基本没有变化。因此回收料加工时的工艺参数可以参考保持架原材料加工工艺参数。

图4　保持架原材料和回收料的DSC分析

2.4红外光谱分析

图5为保持架原材料和回收料的红外光谱图，图5中可以看出两个样本的图型基本完全一致。从检测的基本型谱可以看出，两种材料的主要组分均为尼龙类，PA的红外标准谱图［3］特征查询，特征区和指纹区的任何吸收峰也没有超过5cm-1的偏差，可见回收料与保持架原材料相比没有影响其基本结构的组分混合进去。因为保持架在轴承中仅与内外环和滚珠以及润滑油接触，材料本身并没有发生化学变化。

图5　保持架原材料和回收料红外光谱

2.5剪切粘度分析

图6为保持架原材料和回收料经过毛细管流变检测得到的剪切粘度，可以看出在285℃的熔融温度，剪切速率为2、4、8mm/s慢速区间时两种材料的剪切粘度稍有偏差，剪切速率大于16mm/s后两种材料的剪切粘度就基本一致了，这一特点也可以证明回收料加工时的工艺参数可以参考保持架原材料的工艺参数。

图6　保持架原材料和回收料毛细管剪切粘度比较

2.6力学性能分析

保持架原材料和回收料的力学性能分析见表2。干态和50%湿度处理后的回收料的拉伸强度、断裂伸长率，弯曲强度和缺口冲击强度与原材料相比都有所下降，拉伸强度下降13～14%，断裂伸长率下降并不明显，弯曲强度下降11～12%，缺口冲击强度下降19～20%。主要是原材料经过一次加工 （制造产品）后，聚合物分子链会有断裂，而且材料中有玻璃纤维增强，经加工后也会有破碎和断裂情况，使玻纤长度变短，图1和图2的显微图片也可以明显看出这一点。因此回收料的力学性能必然有所下降。在试制新产品选材时一定要注意这一点，不能简单的参考保持架原材料的力学性能指标。

表2　保持架原材料和回收料的力学性能

3　结论

经过对轴承大修拆卸报废下来的工程塑料保持架，由于工况比较单一，运行过程中仅与油脂接触，回收后经过简单的清洗即可利用。国内铁路货车自2003年大批量装用工程塑料保持架以来，年均安装100多万件，按照8年质量周期计算，2011年开始已经有大批量报废下来的保持架产品，单件重量200g计算，每年产生的废旧保持架重量达到200t以上。经过以上的研究，报废下来的工程塑料保持架回收料与原材料相比在材料基本组成、结构、熔点以及熔体粘度方面相比均没有变化，可见该玻纤增强的尼龙材料使用后内部结构相对比较稳定。只是由于玻纤和高分子材料经过一次加工产生的玻纤碎断和分子链断链的现象，导致了力学性能下降。完全可以用于本身要求力学性能不高的产品。本文中笔者仅对工程塑料保持架回收料的基本性能进行了初步的分析和研究，望能为以后使用该材料制造新产品时提供相应的参考依据。

［1］中华人名共和国铁道部主编.铁路货车轮轴组装检修及管理规则.中国铁道出版社，2007.

［2］马占峰.废旧塑料回收利用的必要性和可行性.塑料工业，2006，4.

［3］杨万泰.聚合物材料表征与测试.中国轻工业出版社，2008.

唐继兵，女，河北廊坊人，中级工程师。

U270.4+2

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2095-2066（2016）09-0189-03

2016-3-12