高性能無捻玻璃纖維粗紗增強尼龍回料的研究

章建忠，詹英韜，王 堃，樊家澍，陸建明，陸沈奇，張志堅

（巨石集團有限公司，桐鄉(xiāng) 314500）

0 前言

聚酰胺（PA，俗稱尼龍）是分子主鏈上含有重復酰胺基團的熱塑性樹脂總稱，其命名是以二胺和二元酸的碳原子數(shù)來命名的，如PA66是己二胺和己二酸的共聚物。PA66具有良好的機械性能、耐磨損性、耐熱性、耐化學品性和自潤滑性，但熱變形溫度低、吸濕性大，吸濕后的PA66制品電絕緣性差、剛性明顯下降且尺寸變化大［1］。工業(yè)生產(chǎn)上，一般采用玻璃纖維增強尼龍（GF/PA）。GF/PA制品的性能受到多方面因素的影響，主要因素有玻纖強度、玻纖的質量分數(shù)、基體樹脂、界面狀態(tài)以及注塑加工過程中的玻纖長度保持率和纖維分布狀態(tài)等［2］。在GF/PA生產(chǎn)過程中難免會產(chǎn)生一些廢料，而隨著環(huán)保意識的提高，人們愈發(fā)重視廢棄物的回收再利用。廢料的回收利用，不僅有利于生態(tài)環(huán)境，且其經(jīng)濟價值十分可觀［3］。對這些廢料進行回收再利用，可應用于對力學要求不高的電子電器領域。尼龍回料中含有2%～4%的水分及少量無機雜質，在雙螺桿擠出機的高溫環(huán)境下，水分會影響玻纖與樹脂的結合［4］；無機雜質會破壞玻纖的完整性。需要對尼龍回料進行熱風干燥處理，再用玻璃纖維進行增強，才能達到應用要求。因此，尼龍回料的生產(chǎn)效率較低，生產(chǎn)成本較高，難以推廣應用。

本文在988A基礎上，通過優(yōu)化浸潤劑，在浸潤劑配方中引入保護劑，在高溫條件下有效保護玻璃纖維不被水分侵蝕，保證玻璃纖維在樹脂內的完整性，從而促進樹脂與玻纖的結合。開發(fā)了一款新型無捻粗紗960A，不僅改善了玻纖增強尼龍回料的力學性能，同時有效提高了玻纖增強尼龍回料的生產(chǎn)效率，大大降低了生產(chǎn)成本。

GF/PA復合材料由于應用前景廣闊而備受青睞，針對其性能的研究很多［5］。本文研究尼龍回料中的水分及無機雜質對玻纖增強尼龍性能的影響，并用光學顯微鏡觀察其微觀結構，分析復合界面的結構形態(tài)和失效機理［6］。

1 實驗部分

1.1 原料

PA回料：PA66，美國杜邦，生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢棄料或使用后的陳舊料。

玻璃纖維無捻粗紗：EDR14-2000-988A，EDR14-2000-960A，巨石集團有限公司。

1.2 設備與儀器

雙螺桿擠出機：Φ=25，貝爾斯托夫擠出機；

注塑機：S-2000il00A型，日本FANUC；

萬能材料試驗機：Z050型，德國Zwick公司；

沖擊試驗機：6956.000型，意大利CEAST公司；

精密程控干燥箱：DHG-9440Q，上海翌鳴科貿有限公司；

熱臺偏光顯微鏡：DYE-400E，上海點應光學儀器有限公司。

1.3 GF/PA回料復合材料的制備

設計GF/PA回料的質量分數(shù)；利用雙螺桿擠出機進行擠出、造粒，經(jīng)過注塑機注射為測試樣品。本文中設計GF占設計GF/PA回料復合材料質量分數(shù)的30%，余量為PA回料。

表1 GF/PP復合材料制備工藝參數(shù)

1.4 性能測試

（1）拉伸強度按照ISO527《纖維增強塑料拉伸性能測試標準》；

（2）彎曲強度按照ISO178《纖維增強塑料彎曲性能測試標準》；

（3）簡支梁沖擊強度按照ISO179《纖維增強塑料沖擊性能測試標準》；

利用偏光顯微鏡分別觀察4個試樣的沖擊斷面形貌。

2 結果與討論

2.1 干態(tài)條件GF/PA回料性能對比

實驗前，將PA回料在干燥箱105 ℃的條件下，烘制5 h，將尼龍回料里面的水分烘干，并測得實際水分占復合材料的質量分數(shù)為2.64%。再經(jīng)雙螺桿擠出機擠出，設計GF占GF/PP復合材料質量分數(shù)的30%，對比測試EDR14-2000-960A/PA回料、EDR14-2000-988A/PA回料的復合材料的力學性能。

從表2可以明顯看出，PA回料烘干后，960A增強PA回料試樣的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度都高于988A增強。PA回料中含有少量的無機雜質，在雙螺桿擠出機中，會對玻纖造成破壞。從圖1可以看出，由于960A玻纖表面經(jīng)過特殊表面處理，提高了玻纖的單絲韌性，經(jīng)過擠出機混煉剪切后，不易被破壞，960A殘留長度明顯長于988A。因此960A單絲完整性要明顯好于988A，使得960A/PA回料復合材料的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度均具有明顯優(yōu)勢。

表2 干態(tài)下30%GF/PA回料的力學性能

圖1 沖擊斷面的偏光顯微鏡照片

2.2 GF/PA回料性能對比

PA回料使用前不經(jīng)烘干，直接經(jīng)雙螺桿擠出機擠出，設計GF占GF/PP復合材料質量分數(shù)的30%，對比測試EDR14-2000-960A/PA回料、EDR14-2000-988A/PA回料的復合材料的力學性能。

從表2及表3可以明顯看出，PA回料中的水分對988A增強PA回料力學性能影響較大，力學性能衰減20%左右；對960A增強PA回料力學性能影響較小。從圖2a可以看出，988A玻纖及回料經(jīng)過擠出機混煉剪切后，由于水分沒有及時排出，影響了玻纖表面處理劑的界面性能，導致玻纖與尼龍樹脂的結合較差，并且布滿了致密的孔隙［7］，從而導致力學性能下降。從圖2b可以看出，覆蓋960A玻纖周圍的尼龍樹脂較為緊實，由于960A玻纖表面經(jīng)過特殊的涂敷處理，沒有被水分侵蝕，與尼龍樹脂結合較好，經(jīng)擠出機高溫混煉剪切，及時將熔體內部的水分排出，所以力學性能衰減較小。結果表明：960A的疏水性明顯優(yōu)于988A。

表3 30%GF/PA回料的力學性能

圖2 沖擊斷面的偏光顯微鏡照片

3 結論

（1）960A同尼龍回料經(jīng)過雙螺桿擠出機混煉、剪切，單絲完整性要明顯好于988A，使得960A/PA回料復合材料的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度均具有明顯優(yōu)勢。

（2）PA回料中的水分對988A增強PA回料力學性能影響較大，力學性能衰減20%左右；而對960A增強PA回料力學性能影響較小。由于960A玻纖表面經(jīng)過特殊的涂敷處理，沒有被水分侵蝕，與尼龍樹脂結合較好，經(jīng)擠出機高溫混煉剪切，可及時將熔體內部的水分排出，不易在復合材料內部形成孔隙，所以力學性能衰減較小，能夠滿足產(chǎn)品應用的設計使用要求。