改性滑石粉對(duì)PA6/BF復(fù)合材料性能的影響

于開鋒，李志超，李俊濤

（1.吉林大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春富維安道拓汽車飾件系統(tǒng)有限公司，吉林長(zhǎng)春 130000）

1 概述

尼龍6（PA6）是一種應(yīng)用廣泛的工程塑料，具有良好的耐熱性、機(jī)械性能與加工性能，廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域[1]。由于PA6存在吸水性大，尺寸穩(wěn)定性差和韌性較低的問題，為滿足使用要求，需要對(duì)PA6進(jìn)行改性處理[2，3]。玄武巖纖維（BF）性能優(yōu)異，并且天然環(huán)保[4]，因此通常采用BF增強(qiáng)PA6來提高材料的強(qiáng)度與韌性。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料基礎(chǔ)上，添加第二項(xiàng)無機(jī)粒子可以進(jìn)一步增強(qiáng)復(fù)合材料的性能[5]。滑石粉（Talc）屬于層狀硅酸鹽礦物，其潤(rùn)滑性能較好且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是一種性價(jià)比較高的填料，經(jīng)常被引入聚合物材料中來提高材料的強(qiáng)度與韌性[6]。本文以滑石粉為填充粒子，對(duì)其表面進(jìn)行改性處理，通過熔融共混制備Talc/PA6/BF三元復(fù)合材料，探究含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能影響，并對(duì)其進(jìn)行表征。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 原料

PA6（BL3280H）切片：中國(guó)石油化工股份有限公司制巴陵分公司提供；長(zhǎng)切玄武巖纖維：長(zhǎng)度6mm，直徑12μm，浙江省海寧安捷復(fù)合材料有限公司；抗氧劑1 098：山東優(yōu)索化工科技有限公司；抗氧劑168：山東優(yōu)索化工科技有限公司；滑石粉：1 250目，桂林桂廣滑石開發(fā)有限公司；偶聯(lián)劑KH550：康錦新材料科技有限公司。

2.2 Talc改性

按照無水乙醇與去離子水為9∶1比例配制乙醇水溶液，加入偶聯(lián)劑KH-550，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的KH-550溶液，常溫機(jī)械攪拌30min以水解偶聯(lián)劑。將一定量的Talc浸入已經(jīng)配好的KH-550水溶液，常溫下磁力攪拌30min，以形成氨基官能化的Talc，記為KH-Talc。最后，將KH-Talc在120℃的烘箱中干燥2h，然后在60℃烘箱中儲(chǔ)存。

2.3 復(fù)合材料的制備

首先使用HL-200型密煉機(jī)將PA6與無機(jī)粒子熔融共混，其中抗氧劑1098和168的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是PA6的0.6%和0.3%。將得到的復(fù)合材料半成品，使用破碎機(jī)造粒備用。然后使用TE-35A型雙螺桿擠出機(jī)制造復(fù)合材料，各區(qū)溫度分別為230℃，240℃，250℃和230℃，其螺桿轉(zhuǎn)速為60r/min。從料斗中加入已經(jīng)造粒的半成品復(fù)合材料，將BF通過側(cè)邊進(jìn)料裝置進(jìn)料到設(shè)備中。將所得的復(fù)合材料依次通過冷水槽、牽引機(jī)、切粒機(jī)造粒。由于PA6的高吸濕能力，所有PA6原料在實(shí)驗(yàn)前需要真空干燥至少10h。實(shí)驗(yàn)過程中PA6為70phr，BF為30phr，無機(jī)粒子的填充量為0phr，2.5phr，5phr，7.5phr，10phr，12.5phr，15phr。用于測(cè)試的樣品是通過TXS-1080型注射成型機(jī)進(jìn)行注射成型的，注塑機(jī)的各區(qū)溫度分別為235℃，245℃，235℃，245℃。注射壓力、保護(hù)壓力及保護(hù)時(shí)間分別為70MPa、45MPa與30s。

2.4 復(fù)合材料的測(cè)試與表征

本文采用TENSOR-27傅立葉紅外光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行定性分析。通過溴化鉀壓片法制備測(cè)試樣品，波數(shù)范圍在400~4000cm-1，掃描次數(shù)是64。本文采用JSM-6700掃描電子顯微鏡對(duì)無機(jī)粒子以及復(fù)合材料沖擊斷裂面進(jìn)行微觀表征。將沖擊斷裂樣品在液氮中冷凍5h，然后將樣品距離斷裂面2~3mm處的部分切下，所有樣品測(cè)試前噴金200s，所有樣品均以5kV的加速電壓進(jìn)行掃描。采用WSM-5KN電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的拉伸性能，按照GB/T 1040—2006進(jìn)行測(cè)試，拉伸速度為20mm/min。采用JJ-2記憶式?jīng)_擊強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 1843—1996測(cè)試，擺錘大小為5.5J。采用WSM-5KN電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的彎曲性能，按照GB/T 9341—2000進(jìn)行測(cè)試，彎曲速度為20mm/min。

3 結(jié)果與討論

Talc與KH-Talc的FT-IR圖譜如圖1所示；改性前Talc主要存在1 015cm-1和710cm-1處的Si—O—Si不對(duì)稱與對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，在460cm-1處存在Si—O—Si彎曲振動(dòng)峰，并且在3 433cm-1處存在O—H的伸縮振動(dòng)峰。改性后的KH-Talc出現(xiàn)新的基團(tuán)特征峰，2 920cm-1和2 850cm-1處分別為C—H的不對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，在3 354cm-1和1 574cm-1處出現(xiàn)N—H的伸縮與彎曲振動(dòng)峰，表明將含有氨基的偶聯(lián)劑成功引入粒子表面。

圖1 Talc和KH-Talc的FT-IR圖譜

復(fù)合材料的力學(xué)性能如圖2所示，隨著填料填充量的增加，復(fù)合材料的拉伸、彎曲以及沖擊強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)，且KH-Talc/PA6/BF體系的力學(xué)性能均高于Talc/PA6/BF體系，是因?yàn)榻?jīng)過偶聯(lián)劑改性后，KH-Talc與基體PA6的界面結(jié)合力較強(qiáng)。當(dāng)KH-Talc的填充量為10phr時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度最大值達(dá)到130.45MPa、185.42MPa和17.55kJ/m2。

圖2 填料對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能影響

Talc與KH-Talc的掃描電鏡照片如圖3（a）和（b）所示，改性前后的Talc均保持不規(guī)則的塊狀結(jié)構(gòu)，粒徑約在10μm左右。如圖3（a）所示，改性前的Talc表面較為光滑，無明顯的凹凸結(jié)構(gòu)。經(jīng)過偶聯(lián)劑改性后，KH-Talc表面較為粗糙（如圖3（b）），可以觀察到明顯的附著物，這是偶聯(lián)劑水解后在粒子結(jié)合后導(dǎo)致。懸臂梁試樣的斷口界面的SEM圖如圖3（c）和（d）所示。從圖3（c）可以看出，在PA6/BF試樣中，BF排列不規(guī)則，基體沒有明顯的分散相，斷裂面為相對(duì)平坦，并且在斷裂過程中基體沒有撕裂，表現(xiàn)出脆性。如圖3（d）所示，加入KH-Talc后，材料斷面產(chǎn)生片層結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到外力作用時(shí)，片層之間的基體可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力疊加，并不斷產(chǎn)生新的表面來吸收大量能量。

圖3 復(fù)合材料SEM

4 結(jié)論

對(duì)無機(jī)粒子Talc進(jìn)行表面改性，對(duì)PA6/BF復(fù)合材料進(jìn)行填充改性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：改性后的KH-Talc的增強(qiáng)效果優(yōu)于Talc，當(dāng)KH-Talc的填充量為10phr時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳，拉伸強(qiáng)度為130.45MPa，彎曲強(qiáng)度為185.42MPa，沖擊強(qiáng)度為17.55kJ/m2。