基于塑料凸轮用尼龙66老化研究及使用寿命预测

2020-03-16张海松

合成材料老化与应用 2020年1期

张海松，成鹏

（1中广核高新核材科技（苏州）有限公司，江苏苏州 215400；2国家能源核电非金属材料寿命评价与管理技术实验室，江苏苏州 215400）

塑料凸轮是万能转换开关中重要结构件之一，含有凸轮结构的开关一般属于大型的控制电器，主要用于控制设备中小型绕线转子异步电动机的启动、停止、调速、换向和制动，也适用于有相同要求的其它电力拖动场合。作为万能转换开关中重要结构件，一旦出现卡滞，不能及时起到有效的保护作用，可能会导致触电、漏电、火灾等事故，造成财产损失和人员伤亡，所以评估塑料凸轮的使用寿命至关重要，对于使用安全提供重要的理论依据，具有相当重要的应用价值[1-3]。

市场上使用的塑料凸轮多半是聚酰胺材料所制，简称尼龙66（PA66），是五大工程塑料类之一，由于塑料凸轮结构和使用特性，需要材料具备高强度的机械性能、良好的韧性、较高的抗拉、抗压强度、较好的耐疲劳性能、较优越的自润滑性以及卓越的耐腐蚀性[4]。PA66材料兼顾了凸轮所需的性能要求，同时，它的拉伸强度要高于金属，抗压强度和金属相当，密度低，质量轻，可以加工成各种制品来代替金属。因此，PA66应用的领域较为广泛，可用在仪表、机械、汽车、电子电气、电动工具等[5-6]。

但PA66又存在一定的缺点，材料本身不耐老化，在热处理过程中易发生氧化降解，相对分子质量会降低，分子链中的羧基含量会增加，材料会发生氧化现象，颜色发生改变，并且在高温作用下，分子链易断裂，材料的性能易受到损伤，直接导致材料的使用寿命缩短[7-8]。因此，PA66的老化机理和寿命预测引起了重点关注。结合相关的一些文献报道[9-11]，目前尼龙PA66的老化研究是通过性能参数变化规律来表征，结合温度和环境因素等方面的影响，进行分析探讨，获取一些有用的价值结果，对于老化寿命评估可以起到重要的指导作用[12-13]。

关于塑料凸轮PA66的使用寿命的研究报道较少。因此，将采用理化分析法的快速评定法研究材料的老化机理和寿命评估，通过对塑料凸轮PA66进行热老化试验，研究老化后的性能变化，同时采用热重分析（TGA）测定方法，获取材料的热失重曲线，通过阿伦尼乌茨方程计算出塑料凸轮PA66在特定失重比例下的活化能，研究塑料凸轮PA66的失重率随升温速率的变化规律，获取材料数学关系式，建立热寿命方程[14-15]，推算塑料凸轮PA66的预测使用寿命，给塑料凸轮PA66提供安全、可靠的评估依据。

1 实验部分

1.1 主要原材料及仪器设备

塑料凸轮用PA66， DK4D，魏德米勒Klippon公司；热失重分析仪（TGA），Q2000型，美国TA公司；邵氏硬度计，HD型，北京时代锐达科技有限公司；红外光谱分析仪（FTIR），Tensor II，德国布鲁克公司；热老化箱，RL100，常熟市环境试验设备有限公司。

1.2 试验过程

（1）样品制备：将塑料凸轮打磨成2 mm厚的片材，按照测试需求，进行测试。

（2）加速热老化：按照GB/T 2951.12-2008硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化试验方法将试样置于热老化烘箱内，在160 ℃（48 h、80 h、120 h、140 h、168 h）、180 ℃（24 h、48 h、80 h、100 h、120 h）温度下进行不同时间的热老化试验。

1.3 测试与表征

（1）邵氏硬度测试：按照GB/T 2411-2008塑料邵氏硬度试验方法，对每个老化阶段的塑料凸轮进行硬度测试。片材叠加三层，厚度6 mm。

（2）热失重分析：称取PA66样品约5 mg，置于TGA坩埚中，在氮气氛围下进行测试，升温速率分别为5 ℃/min、10 ℃/min、15 ℃/min和20 ℃/min，温度范围为室温～800 ℃。

（3）红外光谱测试：测试不同老化阶段试样的红外光谱，分辨率4cm-1，扫描范围4000cm-1～600cm-1，扫描次数为32次。

2 结果与讨论

2.1 硬度分析

图1是试样在160 ℃和180 ℃下不同老化时间硬度的变化曲线。从图1中可以看出，塑料凸轮PA66硬度值随老化时间的增加逐渐变大，在相同老化时间下，温度越高，硬度值越大。原因是热的作用下分子链的交联和降解同时发生，温度越高，分子链发生交联程度越高，老化程度也越严重，硬度越大。

图1 不同温度下硬度与老化时间关系Fig.1 The relationship between hardness and aging time at different temperatures

2.2 热失重分析

图2和图3分别是160 ℃和180 ℃不同老化时间下测得的热重曲线，图4是不同老化温度下最大分解温度随老化时间的变化曲线，图5是不同老化温度下样品失重5 %时的温度随老化时间的变化曲线。从图4和图5可以看出，随着老化时间的增加，材料的最大分解温度和失重5 %时温度呈下降趋势，在相同的老化时间下，热老化温度越高，材料的最大分解温度和失重5 %时温度越低。原因是在热作用下，分子链发生断裂，材料发生了降解，老化时间越长，降解的越快，老化程度也就越严重，最大分解温度和热失重的下降趋势也就越快。

图2 160 ℃下不同老化时间样品的TGA曲线Fig.2 Aging TGA curve at 160℃

图3 180 ℃下不同老化时间样品的TGA曲线Fig.3 Aging TGA curve at 180℃

图4 不同老化时间下样品的最大分解温度(Tmax)变化曲线图Fig.4 Maximum decomposition temperature curve of samples at different aging time

图5 不同老化时间下样品失重5 %时温度的变化曲线图Fig. 5 Curves of temperature changes when samples lose 5% weight at different aging time

2.3 红外光谱分析

图6和图7分别是160 ℃和180 ℃不同老化时间样品的红外光谱图。从图6和图7可以看出，随着老化时间的增加，在3698 cm-1和3613 cm-1处出现了波峰，分别是羧基（-COOH）和羟基（-OH）伸缩振动吸收引起的，相同老化温度下，老化时间越长，吸收峰越强；相同老化时间下，老化温度越高，吸收峰越强。在1740 cm-1处羰基（C=O）吸收峰强度也随着老化时间的增加而增加[16]。说明塑料凸轮PA66经过热老化后，出现了氧化现象，随着温度的升高，氧化现象越明显，峰值会升高。