玻璃纖維改性PA 66沖擊強度的影響因素分析

沈澄英，宋功品

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)紡織工程系，江蘇江陰214433)

聚己二酰己二胺(PA 66)具有優(yōu)良的力學(xué)性能和電氣性能，在工程塑料中產(chǎn)量大、用途廣。但在實際應(yīng)用中純PA 66的強度有限，需對PA 66進行改性。采用玻璃纖維改性PA 66是一種比較常用的方式［1－4］。

玻璃纖維改性PA 66可以大幅度提升其力學(xué)性能，可長期在高溫高濕的環(huán)境下工作，被廣泛地應(yīng)用于交通、建材、電動工具等領(lǐng)域。這些領(lǐng)域不僅要求材料具有優(yōu)異的強度，而且對材料的沖擊強度有特別要求。相對于缺口沖擊強度，無缺口沖擊強度更能表征材料在實際使用中的抗沖擊性能。例如在鐵路軌枕套管應(yīng)用中，要求玻璃纖維改性PA 66的無缺口沖擊強度要大于等于80 kJ/m2［5］。因此，研究玻璃纖維改性PA 66的沖擊強度的影響因素具有重大意義。

作者采用玻璃纖維改性PA 66為基料，分析了基料黏度、玻璃纖維粗細、增韌劑、擠出工藝等對改性PA 66的沖擊性能的影響。

1 試驗

1.1 原料

PA 66:牌號EPR27，EPR32，相對黏度分別為2.67，3.20，神馬化工有限公司產(chǎn);馬來酸酐接枝聚乙烯(PE-g-MAH):牌號ST-7，南京塑泰高分子科技有限公司產(chǎn);馬來酸酐接枝茂金屬乙烯-辛烯共聚物(POE-g-MAH):牌號LYIM1826，上海朗裕實業(yè)有限公司產(chǎn);馬來酸酐接枝三元乙丙橡膠(EPDM-g-MAH):牌號ST-4，南京塑泰高分子科技有限公司產(chǎn);玻璃纖維:牌號 ERS200-13-T635B，ECS10-3.0-T435N，EDR240-T835 直徑分別為 13，11，17 μm，泰山玻璃纖維有限公司產(chǎn);抗氧劑168、抗氧劑1010:汽巴化學(xué)有限公司產(chǎn)。

1.2 設(shè)備

SHR-5高速混合機:張家港創(chuàng)新機械有限公司制;SJSH-30型同向雙螺桿擠出機:長徑比為36，河北石家莊星碩機械有限公司制;SZ-800型注塑機:張家港神舟機械有限公司制;WDT-11萬能拉伸試驗機:河北金建檢測設(shè)備有限公司制;XJU-5.5懸臂梁沖擊試驗機:河北金建檢測設(shè)備有限公司制;XJ-52BD型數(shù)字顯微鏡:2×106像素，上海蒲柘光電儀器有限公司制。

1.3 試樣制備

PA 66切片于105℃干燥6 h，將烘干的PA 66、增韌劑、抗氧劑、其他加工助劑按照一定配比在高混機中混合均勻后，從主喂料口加入雙螺桿擠出機，長玻璃纖維從側(cè)喂料口加入，經(jīng)熔融擠出，冷卻，風(fēng)干切料制得玻纖改性PA 66切片。玻璃纖維質(zhì)量分數(shù)為33%，擠出工藝條件:1#為溫度260℃，螺桿轉(zhuǎn)速400 r/min;2#為溫度280℃，螺桿轉(zhuǎn)速280 r/min。

玻璃纖維改性PA 66切片于105℃干燥6 h后，采用注塑機制樣。注塑溫度250～275℃，注塑壓力80～110 MPa。

1.4 性能測試

玻璃纖維分布:將試樣于650℃焚燒后，灰分用異丙醇分散置于載玻片上，采用數(shù)字顯微鏡觀察。

懸臂梁沖擊強度:按ISO 180:2000塑料懸臂梁沖擊強度的測定標(biāo)準(zhǔn)測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 基料黏度

一般來說，當(dāng)PA 66黏度較小，材料機械性能較低，加工流動性好，當(dāng)PA 66黏度較大時，材料機械性能較高，加工流動性稍差。實際應(yīng)用中，可以將中、高黏度的PA 66按不同配比匹配使用。從圖1可以看出，隨高黏度PA 66含量增加，即基體樹脂黏度的增加，PA 66復(fù)合材料的沖擊性能也增加，其中無缺口沖擊強度增加幅度較大。基料黏度對PA 66復(fù)合材料的無缺口沖擊強度有較大的影響，考慮實際應(yīng)用中的性價比，實驗選擇復(fù)合材料高黏度EPR32型PA 66質(zhì)量分數(shù)60%為宜，下同。

圖1 高黏度PA 66含量對PA 66復(fù)合材料沖擊性能的影響Fig.1 Effect of high-viscosity PA 66 percentage on impact strength of PA 66 composite

2.2 玻璃纖維直徑

從圖2看出，PA 66復(fù)合材料的沖擊強度隨玻璃纖維直徑的減小而增加。玻璃纖維改性PA 66復(fù)合材料中，玻璃纖維強度遠遠大于PA 66本身強度，決定復(fù)合材料的強度應(yīng)該是玻璃纖維與PA 66樹脂結(jié)合的程度，隨著玻璃纖維直徑的減小，玻璃纖維與PA 66接觸的面積增大，因而形成了更大的結(jié)合力。另一方面，隨玻璃纖維直徑的減小，“尺寸效應(yīng)”明顯，玻璃纖維缺陷占比越少，玻璃纖維本身拉伸強度就越高。但實際生產(chǎn)中鑒于玻璃纖維的性價比，大多選直徑為13～15μm的無堿玻璃纖維。因此，本實驗選擇ERS200-13-T635B型玻璃纖維進行研究。

圖2 玻璃纖維直徑對PA 66復(fù)合材料沖擊性能的影響Fig.2 Effect of glass fiber diameter on impact strength of PA 66 composite

2.3 增韌劑種類和用量

從表1可知，增韌劑對玻璃纖維改性PA 66復(fù)合材料的增韌效果由強到弱依次為EPDM-g-MAH，POE-g-MAH，PE-g-MAH，其中 EPDM 分子鏈有一定的微交聯(lián);POE結(jié)晶性小，材料柔性大;PE分子結(jié)晶大，材料柔性小。一般增韌劑本體強度小、分子鏈間有約束時，對復(fù)合材料的增韌效果好。相對于 EPDM-g-MAH增韌劑，POE-g-MAH的性價比較高，因此，選擇POE-g-MAH增韌劑作為玻璃纖維改性PA 66。

表1 不同增韌劑對PA 66復(fù)合材料沖擊性能的影響Tab.1 Effect of toughening agent on impact strength of PA 66 composite

從圖3可以看出，復(fù)合材料的缺口沖擊強度隨增韌劑用量增加而增加，無缺口沖擊強度不是簡單的隨增韌劑用量增大而增大，而是呈先增大后減小再增大的現(xiàn)象，在增韌劑質(zhì)量分數(shù)為2.5%時有一個高點。這個現(xiàn)象進一步驗證了復(fù)合材料無缺口沖擊強度較缺口沖擊強度對材料強度更有依賴性。因此，在低增韌劑含量區(qū)域，復(fù)合材料可以有一個比較好的剛韌平衡。

圖3 POE-g-MAH含量對PA 66復(fù)合材料沖擊性能的影響Fig.3 Effect of POE-g-MAH content on impact strength of PA 66composite

圖4 不同擠出工藝的試樣中玻璃纖維分布Fig.4 Glass fiber distribution of samples prepared by different extrusion process

2.4 擠出工藝

玻璃纖維改性PA 66復(fù)合材料生產(chǎn)中，螺桿元件排布對復(fù)合材料性能影響較大［6－7］，但同種螺桿排布情況下，擠出工藝也會影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。

從表2可以看出，在1#擠出工藝條件時，溫度低、轉(zhuǎn)速高，復(fù)合材料受到的剪切速率大，復(fù)合材料的沖擊性能偏弱，粒子表面光亮、白透;在2#擠出工藝條件下，溫度高、轉(zhuǎn)速低，復(fù)合材料受到的剪切速率小，復(fù)合材料粒子中玻璃纖維殘留長度大，復(fù)合材料的沖擊性能較好，粒子外觀糙、黃、不透。從圖4可以看出，不同加工條件下擠出粒子注塑樣條焚燒后的玻璃纖維分布情況不同。1#加工條件，玻璃纖維被剪切的較碎，復(fù)合材料粒子中玻璃纖維殘留長度短，復(fù)合材料中玻璃纖維受到的剪切強度大;2#加工條件，玻璃纖維交織一起，玻璃纖維殘留長度大，復(fù)合材料中玻璃纖維受到的剪切強度小。因此為了保證復(fù)合材料的沖擊性能的穩(wěn)定，復(fù)合材料的加工中盡量采用高溫低轉(zhuǎn)速的擠出加工條件。

表2 不同加工條件對復(fù)合材料性能的影響Tab.2 Effect of processing conditions on properties of composite

3 結(jié)論

a.隨著基料樹脂黏度的增大，玻璃纖維改性PA 66復(fù)合材料的沖擊性能增加，其中無缺口沖擊強度增加幅度較大。綜合考慮，復(fù)合材料中選擇高黏度PA 66質(zhì)量分數(shù)60%為宜。

b.隨玻璃纖維直徑的減小，玻璃纖維改性PA 66切片復(fù)合材料的沖擊強度增加，玻璃纖維直徑選擇13～15 μm為宜。

c.玻璃纖維改性PA 66復(fù)合材料中，增韌劑EPDM-g-MAH增韌效果最好，增韌劑POE-g-MAH的性價比最高。玻璃纖維改性PA 66復(fù)合材料無缺口沖擊強度較缺口沖擊強度對材料強度更有一定的依賴性，隨增韌劑用量增加，玻璃纖維改性PA 66復(fù)合材料缺口沖擊強度增加，無缺口沖擊強度在增韌劑質(zhì)量分數(shù)為2.5%時有一個高點。

d.采用高溫低轉(zhuǎn)速的擠出工藝，PA 66復(fù)合材料的沖擊強度性能更好。

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