納米二氧化硅VK-SP30F對淀粉紡織漿料耐磨性能有明顯提高

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　　摘要　利用納米二氧化硅改善淀粉漿料,通過試驗(yàn)分析納米二氧化硅提高淀粉漿料漿膜耐磨損性能的原理。將處理后的納米二氧化硅(VK-SP30F)粒子添加到淀粉漿料中制備成膜,并用耐磨試驗(yàn)機(jī)測試了納米二氧化硅(VK-SP30F) 粒子含量對漿膜耐磨性能的影響。同時,通過AFM、SEM、視頻變焦顯微鏡對漿膜表觀形貌結(jié)構(gòu)和磨損機(jī)制進(jìn)行了表征。結(jié)果表明,添加適量納米二氧化硅(VK-SP30F)的混合漿料的漿膜比純淀粉漿料的漿膜具有更好的耐磨損性,而且當(dāng)納米二氧化硅(VK-SP30F)含量為3%時,混合漿料漿膜的耐磨性能好。

　　漿料質(zhì)量是決定經(jīng)紗上漿質(zhì)量的主要因素,而漿膜耐磨損性又是檢測漿料質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。目前市場上以淀粉、PVA 和丙烯酸類漿料為主 ,其中淀粉以其資源豐富,價格低廉,對天然纖維的粘附性較好,環(huán)境污染較小等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于經(jīng)紗上漿,但其性能還不能令人滿意。為了進(jìn)一步提高漿料的質(zhì)量,將納米材料添加到漿料中,生產(chǎn)出“納米漿料”,即用無機(jī)填充物以納米尺寸分散在有機(jī)聚合物漿料中形成有機(jī)和無機(jī)納米復(fù)合漿料 ,但是關(guān)于這方面的報道不多。本文采用納米二氧化硅(VK-SP30F)作為填料,加入到淀粉漿料中制成漿膜,在耐磨試驗(yàn)機(jī)上檢測所得漿膜的耐磨性能,利用SEM等手段觀察漿膜微觀表面形貌,分析納米材料提高漿膜耐磨性的機(jī)理,以期擴(kuò)展納米材料在漿料中的應(yīng)用。

　　1 　試驗(yàn)部分

　　1.1 　原　料

　　納米二氧化硅(VK-SP30F) ,粒徑30nm ,純度99.8 %,六偏磷酸鈉,分析純,TB2225 變性淀粉, 水分小于或等于1.410 % , 灰分小于或等于0.35 % ,蛋白質(zhì)小于或等于0.55 % 。

　　1.2 　儀　器

　　電子分析天平,AB2042N ,梅特勒托利多儀器上海 有限公司超聲波清洗機(jī),SJ1200 ,33 kHz ,上海精潔超聲設(shè)備制造有限公司 Zweigle 耐磨試驗(yàn)機(jī),G552 ,德國掃描電子顯微鏡SEM ,Quanta200 ,荷蘭FEI 公司視頻變焦顯微鏡,DZ3 ,日本 Union 公司原子力顯微鏡AFM ,CSPM3000 ,廣州本原納米儀器公司。

　　1.3 　試樣制備

　　分散過程:為了減少納米粒子的團(tuán)聚,采用六偏磷酸鈉對納米粉體進(jìn)行表面處理?？刂萍{米SiO2在漿膜中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1 %、2 %、3 %、4 %、5 %、6 % ,分別稱取不同質(zhì)量的納米二氧化硅(同VK-SP30F),添加適量的六偏磷酸鈉, 放到去離子水中, 超聲波分散60 min , 以打破團(tuán)聚體, 形成較為穩(wěn)定的納米SiO2 水分散體系,制成懸浮液。調(diào)漿過程:按比例稱取淀粉和納米SiO2 水懸浮液,配制含量為6 %的調(diào)漿溶液,以120 rPmin的速度攪拌,升溫?zé)蟮?95 ℃,并保溫1 h ,以使淀粉充分糊化。

　　制膜過程:將充分糊化后的漿液冷卻至50 ℃左右時,量取400 mL ,澆在玻璃板上,在溫度為20 ℃,濕度為65 %條件下自然干燥成膜。在恒溫恒濕條件下平衡24 h ,以待測試。

　　1.4 　性能測試

　　將制成的漿膜裁成長220 mm ,寬10 mm長條,在G552 耐磨試驗(yàn)機(jī)上測試。試驗(yàn)時,選用800 目砂紙,加壓質(zhì)量為250 g ,摩擦次數(shù)為1 000次。每種漿膜測試10 次。后利用公式計算每種試樣的磨耗:G m0 - m1 PS

　　式中, G 為磨耗 m0 為試樣磨前的質(zhì)量 m1 為試樣磨后的質(zhì)量 S 為磨損面積。磨耗數(shù)值越小則表示耐磨性越好。

　　2 　結(jié)果與討論

　　2.1 　磨損性能

　　隨著納米二氧化硅(VK-SP30F)含量的增加,漿膜的磨耗呈先降低后增加的趨勢。當(dāng)納米二氧化硅含量低于3 %時,磨耗隨著納米二氧化硅增加而降低當(dāng)納米二氧化硅的含量為3 %時,磨耗達(dá)到低,為0.511 mgPcm2 當(dāng)納米二氧化硅含量大于3 %以后,磨耗反而逐漸增大。這就說明適當(dāng)比例的納米SiO2 可以有效地提高漿膜的耐磨損性能。

　　納米二氧化硅(VK-SP30F)含量會影響漿膜的耐磨損性能,可能是由于納米SiO2 具有絮狀和網(wǎng)狀的準(zhǔn)顆粒結(jié)構(gòu),粒子的尺寸小,比表面積大,表面能高,表面嚴(yán)重的配位不足易同淀粉大分子上的羥基起鍵合作用,提高分子間的鍵力同時由于納米二氧化硅(VK-SP30F) 的小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng),使其產(chǎn)生淤滲作用,可以深入到高分子鏈的不飽和鍵附近,并和不飽和鍵的電子云發(fā)生作用,從而提高漿膜的耐磨性能。但是過多的納米二氧化硅會削弱淀粉大分子鏈間的相互作用,使淀粉分子同納米SiO2 之間的界面作用減弱,這些都使得漿膜的耐磨性能下降。同時, 納米二氧化硅在摩擦過程中易于磨損表面產(chǎn)生富集。在漿膜的磨損試驗(yàn)中,其所含的部分納米SiO2 粒子直接脫落或伴隨著磨屑脫落,但是由于遷移過程中的物理吸附作用,使其積聚于摩擦試樣與磨件之間,可起到潤滑作用。當(dāng)表面富集的納米二氧化硅未達(dá)飽和之前,減磨作用隨SiO2 含量的增加而提高,當(dāng)漿膜表面富集的納米二氧化硅達(dá)到飽和值后對摩擦性能影響不大。

　　2.2 　表征分析

　　2.21 　用AFM對磨損前漿膜表面形貌分析采用AFM的接觸模式,對磨損前漿膜的表面進(jìn)行掃描。含3 %納米二氧化硅(VK-SP30F) 的淀粉漿膜表面呈現(xiàn)出均勻不規(guī)則凸起。這是因?yàn)榧兊矸蹪{膜是由結(jié)構(gòu)單一的淀粉鏈狀大分子相互纏結(jié)而成,所以成膜的結(jié)構(gòu)較為均勻,表面較為平整。而含3 %納米二氧化硅(VK-SP30F) 的淀粉漿膜中含有納米粒子,并且被淀粉大分子包覆著均勻地分散在漿膜中,進(jìn)而與淀粉大分子鏈相互結(jié)合成為立體網(wǎng)狀,大幅度提高了漿膜的強(qiáng)度,并使其耐磨性也有所提高。

　　2.22 　用視頻變焦顯微鏡對漿膜磨損表面形貌分析用視頻變焦顯微鏡觀察樣品,采用同軸照明的方式,獲取漿膜磨痕表面照片。純淀粉漿膜有明顯的劃痕和犁溝,同時還有大量的片狀粘著剝落跡象,呈現(xiàn)典型的粘著磨損特征。含6 %納米二氧化硅(VK-SP30F)淀粉漿膜表面的劃痕和犁溝更為明顯,但是只有少量的小顆粒狀的粘附剝落,表現(xiàn)出典型的磨料磨損特征,相比而言,在含3%納米二氧化硅(VK-SP30F) 淀粉漿膜的表面,無論是劃痕、犁溝還是粘著磨損。根據(jù)以上現(xiàn)象分析認(rèn)為,純淀粉漿膜與磨料接觸時,在法向應(yīng)力和切向應(yīng)力作用下,表層材料率先發(fā)生塑性變形和微斷裂,在摩擦過程中從基體分離,形成磨損顆粒,主要表現(xiàn)出粘附磨損特征。 含6 %納米SiO2 的漿膜由于納米粒子含量過高,產(chǎn)生團(tuán)聚,使SiO2 顆粒的體積增大,甚至尺寸不再是納米級,而且磨損脫落的含納米粒子的磨屑在摩擦過程中向表面轉(zhuǎn)移并積聚,對摩擦面的刮削亦增大,使磨損體積增大,主要表現(xiàn)出磨粒磨損特征當(dāng)。納米SiO2 含量適當(dāng)3 % 時,其在淀粉基體中均勻分散,并同基體形成較強(qiáng)的界面結(jié)合,加上納米二氧化硅(VK-SP30F) 本身硬度非常大,填入淀粉后,使?jié){膜的表面硬度增加,抗粘附磨損和磨料磨損的能力得到提高。

　　2.23 　用SEM對漿膜磨損表面形貌分析將磨損后的試樣放入真空鍍膜機(jī)中鍍金,再用掃描電鏡觀察試樣磨痕表面的微觀結(jié)構(gòu),磨損后的3 個漿膜表面都成類似層狀或鱗片狀排列,方向與磨料摩擦方向平行,表現(xiàn)出接觸表面疲勞磨損特征。納米二氧化硅(VK-SP30F) 對淀粉漿膜耐磨損性能的影響，因?yàn)?純淀粉漿膜強(qiáng)度相對較低,在磨料的反復(fù)作用下,易產(chǎn)生疲勞,所以在SEM照片上可以看到大量的鱗片剝落和點(diǎn)蝕痕跡,當(dāng)納米材料粒子加入過量6 % 時,部分粒子產(chǎn)生團(tuán)聚,使?jié){膜結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中源,即結(jié)構(gòu)缺陷處,成為了疲勞磨損裂紋的發(fā)源處,也就是磨屑剝落處,但是并不是所有的納米粒子都團(tuán)聚,所以比純淀粉漿膜疲勞磨損程度較輕,加入適量3 % 的納米粒子,能使?jié){膜的結(jié)構(gòu)更致密,強(qiáng)度提高,即使在磨料變化應(yīng)力的反復(fù)作用下,漿膜也不易產(chǎn)生微裂紋,只是將漿膜表面材料擠壓到兩邊,產(chǎn)生溝槽,并不容易產(chǎn)生磨屑,所以在SEM照片上反應(yīng)出較大的塑性變形。

　　應(yīng)當(dāng)指出,在實(shí)際的磨損現(xiàn)象中,通常是幾種形式的磨損同時存在,而且一種磨損發(fā)生后往往誘發(fā)其它形式的磨損,但是不同的條件變化,造成磨損的主次不同,所以在結(jié)合照片分析時,主要是針對表現(xiàn)出的主要磨損特征展開分析。

　　3 　結(jié)　論

　　1 納米二氧化硅(VK-SP30F) 作為填料可以有效地改善淀粉漿膜的耐磨性能。

　　2 當(dāng)納米二氧化硅(VK-SP30F)含量為3 %時,相應(yīng)漿膜的耐磨性能好,這是由于此時納米填料同淀粉基體之間可以形成較強(qiáng)的界面結(jié)合。

　　3 用AFM、視頻變焦顯微鏡、SEM 分別對復(fù)合漿料漿膜進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)和摩擦表面的研究,耐磨性能數(shù)據(jù)與照片結(jié)果分析相一致。