乒乓球攔網用改性尼龍復合材料的性能研究

（西安醫學院，陜西西安 710021）

近代以來，復合材料以其優異的性能被廣泛地應用于汽車工業、航空、航天、醫療、化工、機械制造等領域[1]。此外，復合材料還可以用來制造體育運動器件，如碳纖維自行車材質、尼龍乒乓球網、纖維跳高用橫桿等，并且可以作為建筑材料應用于建筑領域[2]。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

硼酸鎂晶須，尼龍6，二甲基亞砜，丙酮(分析純)，偶氮二異丁腈(AIBN)，硼酸酯偶聯劑BE-1，自制硼酸酯偶聯劑BE-2，自制硼酸酯偶聯劑SPE-1，硼酸酯偶聯劑SB-181，無水乙醇(分析純)，甲苯(分析純)，蒸餾水，自制過氧化苯甲酰(BPO)，無水乙醇(分析純)[3]。

1.2 實驗儀器

JPT-5 托盤天平，FA2104N 電子天平，WQF-520紅外光譜儀，TE-20 型雙螺桿擠出機，JHP-10 型注塑機，XBJJ 計算機控制擺錘沖擊試驗機，SCS200 智能切粒機，JSM-7500F 型掃描電子顯微鏡[4-5]，DHT 攪拌恒溫電熱套，SHB-III(A)型循環水多用真空泵，ZWK1302-2 型熱變形溫度測定儀，DZ-1A 型真空干燥箱，KQ-B 超聲清洗器，WSM-20KN 微機控制電子萬能試驗機。

1.3 復合材料性能的測試

1.3.1 拉伸性能測試

采用GB/T 1040-92 進行拉伸性能測試。樣品總長度(L)是180mm，中間平行段的長度(L1)是（55±0.5）mm，標距(L0)是（50±0.5）mm，夾具間距離(L3)是（115±5）mm，中間平行段的寬度(b)是（10±0.5）mm，端頭厚度(d)是2mm～10mm，寬度(b1)是（20±0.5）mm，所制備的試樣如圖1 所示[6]。

圖1 試樣拉伸圖Fig.1 The tensile sample diagram

1.3.2 沖擊性能測試

圖2 沖擊試樣圖Fig.2 The impact sample diagram

采用GB/T 1043-93，做沖擊性能測試。所用試樣條的尺寸是80mm×10mm×4mm。試樣的寬度(b)是板的厚度，厚度是6mm～10mm，所制備的試樣如圖2 所示[7]。

1.3.3 彎曲性能測試

采用標準GB/T 9341-2000 進行彎曲性能測試。采用三點彎曲法，彎曲規定撓度是3mm，彎曲速度是2mm/min。

1.3.4 熱變形溫度測試

熱變形溫度按GB/T 1634.2-2004 進行測試。變形量為1.00mm，升溫速率為50℃/h，上限溫度＜350℃。

1.3.5 復合材料形貌表征

利用掃描電鏡觀察材料中硼酸鎂晶須和聚合物基體之間的界面結合情況。掃描電鏡型號為日本JEOL 公司的JSM-7500F 型掃描電子顯微鏡[8]，配備EDAX-EDS，工作電壓為10kV，工作距離為7mm，分辨率為1nm。

2 結果與討論

2.1 硼酸鎂晶須含量對硼酸鎂晶須/尼龍6 復合材料拉伸強度的影響

圖3 為硼酸鎂晶須含量對尼龍6 復合材料拉伸強度的影響。由圖3 可見,隨著硼酸鎂晶須含量的增加復合材料拉伸強度出現了先增加后降低的趨勢，當硼酸鎂晶須質量分數約為30% 時,兩種偶聯劑改性晶須的復合材料的拉伸強度都達到最大值[9]，BE-1 改性的硼酸鎂晶須/尼龍6 復合材料拉伸強度比未改性的硼酸鎂晶須/尼龍6 復合材料提高了14.47%；BE-2 改性的硼酸鎂晶須/尼龍6 復合材料拉伸強度比未改性的硼酸鎂晶須/尼龍6復合材料提高了23.37%。

圖3 硼酸鎂晶須含量對尼龍6 復合材料拉伸強度的影響Fig.3 The effect of magnesium borate whisker content on tensile strength of nylon 6 composites

2.2 硼酸鎂晶須含量對硼酸鎂晶須/尼龍6 復合材料缺口沖擊強度的影響

由圖4 可見，隨著硼酸鎂晶須含量的提高，硼酸鎂晶須/尼龍6 復合材料的沖擊強度呈下降趨勢。這是因為作為分散相的硼酸鎂晶須是剛性的，在受到沖擊力時無法發生形變，也無法產生銀紋來吸收沖擊能。由于尼龍6 的韌性效應小于硼酸鎂晶須的剛性效應，會導致硼酸鎂晶須/尼龍6 復合材料的脆性提高，沖擊強度下降[10]。

圖4 硼酸鎂晶須含量對尼龍6 復合材料沖擊強度的影響Fig.4 The effect of magnesium borate whisker content on impact strength of nylon 6 composites

2.3 硼酸鎂晶須含量對硼酸鎂晶須/尼龍6 復合材料彎曲強度的影響

由圖5 可以看出，隨著硼酸鎂晶須含量的增加復合材料彎曲強度出現了先增加后降低的趨勢[11]，當硼酸鎂晶須含量為30% 時，BE-1 改性的硼酸鎂晶須/尼龍6復合材料彎曲強度比未改性的硼酸鎂晶須/尼龍6 復合材料提高了13.72%；BE-2 改性的硼酸鎂晶須/尼龍6復合材料彎曲強度比未改性的硼酸鎂晶須/尼龍6 復合材料提高了22.54%。

圖5 硼酸鎂晶須含量對尼龍6 復合材料彎曲強度的影響Fig.5 The effect of magnesium borate whisker content on bending strength of nylon 6 composites

2.4 硼酸鎂晶須/尼龍6 復合材料的微觀結構分析

由圖6 可以看出，在SEM下觀察硼酸鎂晶須呈棒狀結晶，晶體直徑50nm～300nm，晶體長度1000nm～7000nm。

圖6 硼酸鎂晶須的SEM 圖Fig.6 The SEM diagram of magnesium borate whisker

圖7 硼酸鎂晶須的/尼龍6 復合材料的SEM 圖(BE-2 改性)Fig.7 The SEM of magnesium borate whisker/nylon 6 composite (BE -2 modified).

圖7 為BE-2 改性的硼酸鎂晶須/尼龍6 復合材料的SEM 照片(晶須含量為30%)。從圖7 中可以看出，硼酸鎂晶須在尼龍6 基體中有良好的分散，硼酸鎂晶須與尼龍6 界面結合緊密。說明硼酸鎂晶須經硼酸酯偶聯劑BE-2 處理后能夠被尼龍6 基體浸潤，使得硼酸鎂晶須與尼龍6 基體間有良好的界面層，可以充分發揮硼酸鎂晶須的作用，有助于改善硼酸鎂晶須/尼龍6 復合材料的性能。

3 結論

隨著硼酸鎂晶須含量的增加,復合材料的拉伸強度、彎曲強度、熱變形溫度出現了先增加后降低的趨勢，當硼酸鎂晶須含量為30% 時，復合材料的綜合性能最佳，BE-1 及BE-2 改性的硼酸鎂晶須/尼龍6 復合材料彎曲強度、拉伸強度、沖擊強度比未改性的硼酸鎂晶須/尼龍6 復合材料性能均有大幅度提高。SEM 照片表明經硼酸酯偶聯劑BE-2 改性的硼酸鎂晶須與尼龍6 基體之間的結合緊密，界面接觸較好，分散均勻，硼酸鎂晶須/尼龍6 復合材料性能得到了較大的改善。結果表明：硼酸鎂晶須的加入使復合材料的物理機械性能得到了顯著改善，可以明顯提高復合材料的力學性能如彎曲強度等，對聚合物具有較好的增強效果，可大幅度提高乒乓球用尼龍攔網材料的性能。