納米二氧化硅VK-SP30F對(duì)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(guò)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(cè)試了納米二氧化硅(VK-SP30F) 粒子含量對(duì)漿膜耐磨性能的影響。同時(shí),通過(guò)AFM、SEM、視頻變焦顯微鏡對(duì)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(shí),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(cè)漿料質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。目前市場(chǎng)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(jià)格低廉,對(duì)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(wú)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(wú)機(jī)納米復(fù)合漿料 ,但是關(guān)于這方面的報(bào)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(cè)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(guó)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(guò)程:為了減少納米粒子的團(tuán)聚,采用六偏磷酸鈉對(duì)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(guò)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(guò)程:將充分糊化后的漿液冷卻至50 ℃左右時(shí),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(cè)試。

　　1.4 　性能測(cè)試

　　將制成的漿膜裁成長(zhǎng)220 mm ,寬10 mm長(zhǎng)條,在G552 耐磨試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試。試驗(yàn)時(shí),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(cè)試10 次。后利用公式計(jì)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(shì)。當(dāng)納米二氧化硅含量低于3 %時(shí),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(shí),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(shuō)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(huì)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(shí)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(guò)多的納米二氧化硅會(huì)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(shí), 納米二氧化硅在摩擦過(guò)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(guò)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(rùn)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(duì)摩擦性能影響不大。

　　2.2 　表征分析

　　2.21 　用AFM對(duì)磨損前漿膜表面形貌分析采用AFM的接觸模式,對(duì)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(duì)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(shí)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(wú)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(shí),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(guò)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(guò)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(jí),而且磨損脫落的含納米粒子的磨屑在摩擦過(guò)程中向表面轉(zhuǎn)移并積聚,對(duì)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(shí),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(duì)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(gè)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(duì)淀粉漿膜耐磨損性能的影響，因?yàn)?純淀粉漿膜強(qiáng)度相對(duì)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(guò)量6 % 時(shí),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(shí)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(shí),主要是針對(duì)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(shí),相應(yīng)漿膜的耐磨性能好,這是由于此時(shí)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(duì)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。