玻纖增強(qiáng)聚酰胺6／蒙脫土復(fù)合材料的制備及其力學(xué)性能研究

姜 勇，胡朝暉，丁燕懷

（湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭411105）

0 前言

聚酰胺6具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，在汽車、電子電器和工業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但其在干態(tài)和低溫下沖擊強(qiáng)度偏低，吸水率大，影響其制品尺寸的穩(wěn)定性和電性能，一定程度上限制了聚酰胺6的應(yīng)用。自1987年日本豐田中央研究所［1］首次報(bào)道采用原位插層聚合法成功制備聚酰胺6／黏土納米復(fù)合材料以來，有機(jī)／無機(jī)納米復(fù)合材料已經(jīng)成為材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一，聚酰胺6／蒙脫土納米復(fù)合材料是最早出現(xiàn)也是最引人注目的聚合物基納米復(fù)合材料［2－5］。

玻璃纖維具有原料易得、拉伸強(qiáng)度高、斷裂伸長低、彈性模量高、防火、防霉、耐熱、耐腐蝕和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種常用的性能優(yōu)良的增強(qiáng)材料。

本文采用短切玻璃纖維作為增強(qiáng)相，將玻璃纖維與聚酰胺6／蒙脫土母粒直接混合后，通過雙螺桿擠出機(jī)擠出成型，得到了玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺6／蒙脫土復(fù)合材料，并對其力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 主要原料

聚酰胺6／蒙脫土切片，工業(yè)級，蒙脫土的含量為2%，中國石油化工股份有限公司巴陵分公司；

高強(qiáng)度短切玻璃纖維，HS4，直徑4μm，長度分別為6、9、12mm，出廠時(shí)已做表面處理，可直接混合，南京玻璃纖維設(shè)計(jì)研究院。

1．2 主要設(shè)備及儀器

雙螺桿擠出機(jī)，SHJ－30A，南京橡塑機(jī)械廠；

高速混合機(jī)，SHR－10A，張家港藍(lán)鯨機(jī)械廠；

注塑機(jī)，HTB80B，海天公司廣州分公司；

電子萬能試驗(yàn)機(jī)，CSS－44020，機(jī)械工業(yè)部長春試驗(yàn)機(jī)研究所；

電熱鼓風(fēng)干燥箱，101A－2，上海實(shí)驗(yàn)儀器總廠。

1．3 樣品制備

分別將一定量的玻璃纖維與聚酰胺6／蒙脫土切片經(jīng)高速混合機(jī)混合均勻，然后倒入雙螺桿擠出機(jī)的加料斗中，升溫至230～250℃，將熔體擠出、拉條、水冷、切粒，干燥后即得到玻璃纖維含量分別為0、0．5%、1%、3%、5%和10%的聚酰胺6／蒙脫土／玻璃纖維復(fù)合材料（玻璃纖維長度分別為6、9、12mm共3組）。

1．4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

將聚酰胺6／蒙脫土／玻璃纖維復(fù)合材料的粒料經(jīng)80℃干燥24h后，再通過注塑機(jī)熔融后注射成標(biāo)準(zhǔn)性能測試樣條；樣條外形尺寸如圖1所示，厚度為4mm；

按照 GB／T 1040—1992和 GB／T 1043—1993分別進(jìn)行拉伸和沖擊性能的測試，拉伸速率為5mm／min，沖擊能為7．5J，U形缺口。

圖1 試樣外形尺寸（mm）Fig．1 Size of the samples（mm）

2 結(jié)果與討論

2．1 玻璃纖維含量和長度對拉伸強(qiáng)度的影響

從表1和圖2可以看出，隨著玻璃纖維含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度相應(yīng)增大。而在同一含量時(shí)，12mm玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度比6mm玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料略高。當(dāng)玻璃纖維含量為10%時(shí)，12mm玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度比聚酰胺6／蒙脫土復(fù)合材料提高了17．4%。

表1 聚酰胺6／蒙脫土／玻璃纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度 MPaTab．1 Tensile strength of polyamide 6／montmorillonite／glass fiber composites MPa

圖2 玻璃纖維含量和長度對聚酰胺6／蒙脫土／玻璃纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響Fig．2 Effects of glass fiber contents and length on tensile strength of polyamide 6／montmorillonite／glass fiber composites

2．2 玻璃纖維含量和長度對沖擊強(qiáng)度的影響

從表2和圖3可以看出，隨著玻璃纖維含量的增加，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度相應(yīng)增大。而在同一含量時(shí)，12mm玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度比6mm玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料高。當(dāng)玻璃纖維含量為10%時(shí)，12mm玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度比聚酰胺6／蒙脫土復(fù)合材料提高了84．1%。

表2 聚酰胺6／蒙脫土／玻璃纖維復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度 kJ／m2Tab．2 Impact strength of polyamide 6／montmorillonite／glass fiber composites kJ／m2

3 結(jié)論

圖3 玻璃纖維含量和長度對聚酰胺6／蒙脫土／玻璃纖維復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響Fig．3 Effects of glass fiber contents and length on impact strength of polyamide 6／montmorillonite／glass fiber composites

（1）隨著玻璃纖維含量的增加，聚酰胺6／蒙脫土／玻璃纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度也相應(yīng)增大；而在同一玻璃纖維含量時(shí)，隨著玻璃纖維長度的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度也相應(yīng)增大；

（2）當(dāng)玻璃纖維含量為10%時(shí)，12mm玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度比聚酰胺6／蒙脫土復(fù)合材料分別提高了17．4%和84．1%。

［1］ Okada A，Kawasumi M，Kurauchi T，et al．Synthesis and Characterization of A Nylon6－clay Hybrid ［J］．PolymPrepr，1987，28：447－448．

［2］ 趙西坡，彭少賢，寇志敏，等．原位插層聚合尼龍6／超分散有機(jī)蒙脫土剝離型納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能［J］．高分子材料科學(xué)與工程，2010，26（4）：100－103．Zhao Xipo，Peng Shaoxian，Kou Zhimin，et al．The Structure and Properties of Nylon6／Super－dispersed Montmorillonite Exfoliated Nanocomposites Prepared by In－stu Intercalated Polymerization［J］．Polymer Materials Science and Engineering，2010，26（4）：100－103．

［3］ 程 超，王玉花，顏世娜．尼龍6／粘土納米復(fù)合材料的研究［J］．山東化工，2006，35（5）：11－15．Cheng Chao，Wang Yuhua，Yan Shina．The Study of the Nylon 6／Montmorillonite Nanocomposites［J］．Shandong Chemical Industry，2006，35（5）：11－15．

［4］ 李躍文，蘇勝培，劉 燕．尼龍6／蒙脫土納米復(fù)合材料的研究及應(yīng)用［J］．現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2006，18（4）：58－60．Li Yuewen，Su Shengpei，Liu Yan．Study and Application of Nylon 6／Montmorillonite Nano－composites［J］．Modern Plastic Processing and Applications，2006，18（4）：58－60．

［5］ 蔡梓林，黃漢雄．PA6／MMT／SGF復(fù)合材料的流變性能［J］．工程塑料應(yīng)用，2010，38（8）：39－41．Cai Zilin，Huang Hanxiong．Rheological Properties of Polyamide 6／Montmorillonite／Short Glass Fiber Composites［J］．Engineering Plastics Application，2010，38（8）：39－41．