玻纖含量對玻纖增強尼龍66復合材料性能的影響

黃紹軍 蔣似梅 梁小良 邱宗群

摘? ?要： 采用熔融共混和注塑成型工藝制備玻纖（GF）增強尼龍66（PA66）復合材料，研究GF含量對復合材料力學性能和熱變形性能的影響，優選出最佳的配比方案。研究表明：當GF含量由0%提高至30%時，復合材料的拉伸強度、彎曲強度、彎曲模量和沖擊強度分別提高78%、71%、108%和260%，熱變形溫度提高到220℃;GF含量由30%繼續提高時，復合材料性能提高不明顯，且浮纖現象加劇，影響產品整體外觀。綜合考慮實際應用條件和生產成本，30%的GF含量為GF增強PA66復合材料的最佳配比方案。

關鍵詞： 玻纖;尼龍66;復合材料;力學性能;熱變形

中圖分類號：TQ317.3? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 06-006-04

工業技術創新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.002

引言

尼龍66，又稱PA66，學名聚己二酰己二胺，具有較好的韌性，耐有機溶劑，耐強堿，用途廣泛[1-2]。但是，純PA66的力學性能、抗沖擊性能、耐熱性能較弱，限制了其在汽車零部件等領域的應用。

為拓寬PA66的適用范圍，研究者對純PA66實施了增強改性，其中玻璃纖維（簡稱玻纖，英文GF）是PA66常用的增強改性材料[3-7]。但極少有研究者針對汽車零部件研究出一種低成本、生產步驟少、可連續生產的GF增強PA66復合材料。

本文將GF、PA66樹脂及其他助劑熔融共混，結合注塑成型工藝制備GF增強PA66復合材料，并研究GF含量對復合材料力學性能和耐熱性能的影響，從而選出一種最佳的配比，使其適合于應用在汽車零部件中。

1? 實驗方案設計

1.1? 主要加工設備

（1）雙螺桿擠出機：型號為ZSK65MC，科倍隆公司;

（2）注塑機：型號為PT80，力勁機械廠有限公司。

1.2? 主要檢測設備

（1）陶瓷纖維馬弗爐：TM-0610P，北京盈安美誠科學儀器有限公司;

（2）微機控制電子萬能試驗機：CMT4104，美特斯工業系統（中國）有限公司;

（3）擺錘式沖擊試驗機：ZBC8400-B，美特斯工業系統（中國）有限公司;

（4）微機控制熱變形維卡軟化點試驗機：ZWK1302-B，美特斯工業系統（中國）有限公司。

1.3? 主要原料

（1）玻纖（GF）：牌號T911，泰山玻璃纖維有限公司;

（2）尼龍66（PA66）：牌號8018，杜邦公司;

（3）助劑：熱穩定劑、抗氧化劑、成核劑等。

1.4? 試樣制備

將干燥的PA66與其他助劑在高速混合機中混合5 min后，加入擠出機的料斗，在擠出機的側喂料口加入GF，通過調節擠出機轉速和喂料速度來調節GF含量，從而制備出含量為0%、20%、25%、30%、45%、50%的GF增強PA66復合材料，并分別編號為A0、A1、A2、A3、A4、A5。將制備出的不同GF含量的粒料在105℃的條件下烘4 h，然后注塑，即獲得各種測試樣條。

1.5? 性能測試依據

（1）灰分測試：按照GB/T 9345.1-2008[8]進行測試，在700℃下煅燒2 h;

（2）拉伸性能測試：按照GB/T 1040.2-2006[9]進行測試，選取1A型試樣，在50 mm標距下，測試速度為10 mm/min;

（3）懸臂梁缺口沖擊性能測試：按照GB/T 1843-2008[10]進行測試，A型缺口，擺錘為2.75 J;

（4）熱變形性能測試：按照GB/T 1634.2-2004[11]進行測試，平放，升溫速率為120℃/h，彎曲應力為1.8 MPa。

2? 含量測量對性能影響分析

2.1? GF含量的測定

表1為不同GF含量下GF增強PA66復合材料的灰分結果。從表1可以看出，各試樣灰分含量均接近各對應配比中的GF含量，可以認為灰分的含量即是GF的含量。這是因為樣品在空氣中高溫煅燒后，PA66樹脂和部分助劑燃燒分解，剩下的灰分就代表GF的含量。同時也能說明，通過調節擠出機轉速和喂料速度可以成功制備出特定GF含量的GF增強PA66復合材料。

2.2? GF含量對GF增強PA66復合材料力學性能的影響

圖1為不同GF含量對GF增強PA66復合材料拉伸性能的影響。由圖1可以看出，GF的加入可顯著提高復合材料的拉伸強度。隨著GF含量的增加，復合材料的拉伸強度逐漸提高。當GF含量達到30%時，拉伸強度累積增加了78%，這是因為GF通過擠出機的熔融共混擠出后分散在PA66樹脂基體中，形成了“骨架”，起到了增強復合材料的作用，當試樣受到拉力時，具有高強度的GF承載了部分外力，有效提高了復合材料的拉伸強度。但當GF含量超過30%時，拉伸強度提高不明顯，試樣表面出現明顯的浮纖現象，光潔度差，影響制品外觀[12]。

圖2為不同GF含量對GF增強PA66復合材料彎曲性能的影響。由圖2可以看出，GF的加入可顯著提高彎曲性能，隨著GF含量的增加，GF增強PA66復合材料的彎曲強度和彎曲模量逐漸提高且趨勢明顯。當GF含量增加到30%時，彎曲強度和彎曲模量分別累積提高了71%和108%。其原因是高強度的GF纖維，經熔融共混擠出后，分散在PA66樹脂基體中，當復合材料受到外力作用時，所受到的負荷會轉移到具有高強度和高模量的GF上，從而使得負荷材料的彎曲性能整體提高。GF含量從30%繼續增加后，彎曲強度和彎曲模量提高效果不明顯。

圖3為不同GF含量對GF增強PA66復合材料懸臂梁缺口沖擊性能的影響。由圖3可以看出，隨著GF含量的增加，復合材料的沖擊性能逐漸提高，直至GF含量達到30%時，沖擊強度累積增加了260%，隨后增加趨勢放緩。分析認為，當復合材料受到沖擊力時，GF的剝離和拔出可承受部分沖擊能量，從而使得復合材料的沖擊性能提高。但當GF含量超過30%時，其在樹脂中分散性差且含量過多，復合材料中的缺陷增多，缺陷的增加抵消了GF帶來的增強作用。

2.3? GF含量對GF增強PA66復合材料熱變形性能的影響

圖4為不同GF含量對GF增強PA66復合材料熱變形性能的影響。由圖4可以看出，GF的加入可顯著提高復合材料的熱變形性能，隨著GF含量的增加，復合材料的熱變形性能逐漸提高。當GF含量達到30%時，復合材料的熱變形溫度高達220℃。其原因是：微觀上，GF限制了分子鏈段的運動，從而提高了復合材料的熔點;宏觀上，具有高模量和耐高溫性能的GF沿平行于樣條受力表面取向，GF的加入有助于促進PA66基體內部的結晶，整體提高了復合材料的抗變形能力。綜上所述，GF的加入可以有效提高GF增強PA66復合材料的熱變形性能。

3? 討論與結語

（1）在擠出機的側喂料口加入GF，并調節擠出機轉速和喂料速度，可以連續生產出不同GF含量的GF增強PA66復合材料。但當GF含量超過30%時，復合材料的浮纖現象嚴重，影響產品整體外觀。

（2）相比于純PA66樹脂材料，GF的加入可以有效提高GF增強PA66復合材料的力學性能，并且隨著GF含量的增加，復合材料的拉伸性能、彎曲性能、沖擊性能、熱變形性能都逐漸提高。但當GF含量超過30%時，復合材料力學性能提高不明顯。

根據以上結論，再結合實際應用條件和生產成本，認為30%的GF含量為GF增強PA66復合材料的最佳配比。

參考文獻

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[8] 塑料 灰分的測定 第1部分： 通用方法： GB/T 9345.1-2008[S].

[9] 塑料 拉伸性能的測定 第2部分： 模塑和擠塑塑料的試驗條件： GB/T 1040.2-2006[S].

[10] 塑料 懸臂梁沖擊強度的測定： GB/T 1843-2008[S].

[11] 塑料 負荷變形溫度的測定 第2部分： 塑料、硬橡膠和長纖維增強復合材料： GB/T 1634.2-2004[S].

[12] 江翼， 譚麟， 梁慧強， 等. 玻纖增強尼龍66流動性及表面光潔度的研究[J]. 塑料工業， 2012， 40（10）： 80-83.

作者簡介：

黃紹軍（1986—），通信作者，男，漢族，廣西欽州人，碩士，工程師。研究方向：高分子材料加工及檢測。

E-mail： jerryjun415@126.com

（收稿日期：2020-09-25）