高模扁平玻璃纖維增強PA66復合材料的應用研究

周長汶，付培根，劉 敏，王培毅，劉 遷，趙 宇

（泰山玻璃纖維有限公司，泰安 271000）

0 前言

聚己二酰己二胺（PA66） 具有耐磨性好、化學穩定性好、自潤滑性好等特點，作為金屬替代品，可廣泛用于服裝紡織、輪胎制造、汽車結構件、電子、電氣等產業［1-3］。但直接使用PA66制作的產品使用性能較低，在參與應用時，無法較好地承擔高負荷的載力和應對復雜的工作環境［4］。因此，PA66增強改性材料應運而生，經過不同途徑增強改性的PA66材料能有效克服其本身物理、化學結構導致的不足，獲得更高的使用價值［5］。在PA66改性材料領域中，較成熟且兼具優異性能表現和良好成本優勢的改性策略是采用玻璃纖維（GF）進行共混填充制備GF增強PA66復合材料的改性方法。

然而隨著汽車輕量化、激光焊接技術普及化和電子電器輕薄化趨勢的發展，下游產品客戶對相關制品用PA66復合材料的強度、光學性能和尺寸穩定性提出了更高的要求，采用常規圓形GF改性制備的PA66復合材料（GF-PA66）難以滿足終端制品對更高的強度［6-8］、剛性、透光度和更低的翹曲變形量［9］、收縮率的要求。本工作采用泰山玻璃纖維有限公司研制的高模扁平玻璃纖維、圓形玻璃纖維和扁平玻璃纖維作為增強體，制備了不同GF質量分數的PA66復合材料進行對比，研究了高模扁平玻璃纖維增強PA66在加工性能、力學性能、光學性能、抗翹曲性能和材料各向異性方面的優勢，為發展高力學性能和高使用性能的PA66增強復合材料開拓新的道路。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

PA66：EPR27，中國神馬集團有限責任公司；

圓形玻璃纖維：ECS13-3.0-T435N，圓形橫截面直徑13 um，泰山玻璃纖維有限公司；

扁平玻璃纖維：TFG30-3.0-T4355，橫截面尺寸為25.5 μm×8.5 μm，扁平比約為3，泰山玻璃纖維有限公司；

高模扁平玻璃纖維：S-1FG30-3.0-T4355，橫截面尺寸為25.5 μm×8.5 μm，扁平比約為3，泰山玻璃纖維有限公司；

抗氧劑1098：抗氧劑168，天津利安隆新材料股份有限公司；

EBS：P130，印度PT.CMS Chemicals有限公司。

1.2 實驗設備

雙螺桿擠出機：ZE25A-39D型，德國克勞斯瑪菲機械公司；

注塑機：FANUC ROBOSHOT α-S 100 iA型，日本發那科株式會社；

萬能材料試驗機：E44.304型，美特斯工系統（中國）有限公司；

沖擊試驗機：GT-7045-MOH型，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司；

熔體流動速率測試儀：RL-Z1B1型，上海思爾達科學儀器有限公司；

霧度計：TH-100型，杭州彩譜科技有限公司。

1.3 試樣制備

PA66樹脂在80 ℃下連續干燥4 h，與抗氧劑、潤滑劑按照表1比例進行混合，通過失重秤加入到同向嚙合雙螺桿擠出機擠出中與GF混合造粒，擠出機加工溫度分別設置為240，255，270，270，270，270，275，275，275 ℃，螺桿轉速300 r/min；將PA66復合粒子在80 ℃下連續干燥4 h后，按照測試要求使用注塑機制備成相應的測試樣條留待檢測。

表1 試驗樣品編號及其配方

1.4 測試方法

拉伸性能：按照ISO 527.2-2012《塑料-拉伸性能的測定 第2部分：模塑和擠壓塑料的試驗條件》檢測，每種試樣重復5次，取平均值；

彎曲性能：按照ISO 178-2019《塑料-彎曲性能的測定》檢測，每種試樣重復5次，取平均值；

沖擊性能：按照ISO 179.2-2020《塑料-簡支梁沖擊性能的測定 第2部分：儀器化沖擊試驗》檢測，每種試樣重復10次，取平均值；

熔融指數：按照ISO 1133.1-2022《塑料-熱塑性塑料熔體質量流率（MFR）和熔體體積流率（MVR）的測定 第1部分：標準方法》檢測，每種試樣重復5次，取平均值；

透明度測量：注塑制備90 mm×60 mm×3 mm的方板，自然放置冷卻，將測試樣板平整放置在霧度計的光源檢測口處，測試其對光線的透明度；

翹曲度測量：注塑制備60 mm×80 mm×1 mm的方板，自然放置冷卻，在平整光滑的平臺上用重物壓住方板的一角，然后測試其余3個角的翹曲高度，取翹曲高度最大值h，每次測試5塊方板取平均值ha，將ha除以測試樣板對角線長度L的2倍得到翹曲度α，翹曲度的數值越大則表示翹曲程度越嚴重；

各向異性值測量：使用80 mm×80 mm×2 mm的方板，分別沿熔體注塑方向（縱向）、垂直熔體注塑方向（橫向）裁取寬為10 mm的樣條，測試彎曲性能，將縱向彎曲強度與橫向彎曲強度的比值作為材料各向異性值，各向異性值越大則材料的各向異性程度越高。

2 實驗結果和討論

2.1 熔融指數測試

由圖1知，在30%~60%的GF質量分數范圍內，SF-PA66和扁平玻璃纖維增強的PA66復合材料（FPA66）的熔體流動性均優于GF-PA66，在GF質量分數達到60%時，B-60的熔融指數為21.5 g/10 min，C-60的熔融指數為17.4 g/10 min，而A-60的熔融指數僅為12.1 g/10 min。在各GF質量分數的PA66增強體系中，SF-PA66和F-PA66的熔體流動性均較好，有利于材料加工時的流動成型，減少制品缺陷產生的風險。

圖1 不同GF增強PA66的熔融指數曲線

2.2 力學性能測試

2.2.1 拉伸性能測試

由圖2可知，在30%GF質量分數時，F-PA66的拉伸性能低于常規的GF-PA66，GF質量分數升高至40%時，B-40的拉伸強度達到與A-40相接近的水平。隨著纖維含量的繼續增高，F-PA66的拉伸強度迅速超過了GF-PA66。SF-PA66在所有GF質量分數體系中的拉伸強度均為最高，C-60的拉伸強度比A-60高13.3%，比B-60高5.1%。由圖2可知，在30%~60%的GF質量分數范圍內，SF-PA66在所有GF質量分數體系中均表現為最高的拉伸模量。高模扁平玻璃纖維在不同GF質量分數的體系中均表現出了最優的拉伸性能，體現出了SF-PA66對PA66拉伸性能增強的優勢。

圖2 不同GF增強PA66的的拉伸性能

2.2.2 彎曲性能

由圖3a可知，在30%含量時，F-PA66的彎曲強度低于GF-PA66，但隨著GF質量分數在復合材料中所占比例逐漸升高，F-PA66的彎曲強度提高速度超過了GF-PA66的提高速度，B-40的拉伸強度達到與A-40相接近的水平。在GF質量分數達到50%時，B-50的彎曲強度超過了A-50，隨著GF質量分數的進一步提高，B-60與A-60的彎曲強度差距進一步擴大。由圖3b可知，在30%~60%的GF質量分數范圍內，由于高模扁平玻璃纖維本體的模量較高，故SF-PA66在所有GF質量分數體系中均表現為較高的彎曲模量。高模扁平玻璃纖維在不同GF質量分數的體系中均表現出了最優的彎曲性能，體現出了SF-PA66對PA66彎曲性能增強的優勢。

圖3 不同GF增強PA66的的彎曲性能

2.2.3 缺口沖擊性能

由圖4可知，在所有GF質量分數下，SF-PA66的缺口沖擊強度均表現最好。隨著GF質量分數的提高，SF-PA66和F-PA66缺口沖擊強度的提升速度沒有明顯的減緩趨勢。而GF-PA66在GF質量分數提升至50%時，隨著GF質量分數的進一步提高，其缺口沖擊強度的提高速度明顯降低。高模扁平玻璃纖維在各GF質量分數增強PA66復合材料體系中均具有沖擊性能優勢，且隨著纖維含量的提高，這種優勢也隨之增大。

圖4 不同GF增強PA66的的缺口沖擊性能

2.3 透明度

由圖5可知，隨著GF質量分數的提高，所有樣品的透明度均呈降低趨勢，但B-30和C-30的初始透明度值較高，分別為44%和45.2%，且透明度降低速度SF-PA66＜F-PA66＜GF-PA66，故SF-PA66在所有GF質量分數體系中的透明度表現均最好。高模扁平玻璃纖維具有的扁平結構有利于光線的透過，減輕了光通過玻璃纖維時發生的折射程度，因此SF-PA66的光透過性能較好，圖6展示了扁平玻璃纖維具有優異透光性的原理。

圖5 不同GF增強PA66的的透明度曲線

圖6 光線透過圓形玻璃纖維和扁平玻璃纖維時的折射示意圖

2.4 各向異性及翹曲度

由圖7a可知，GF-PA66在所有樣品中的翹曲是最嚴重的，而SF-PA66和F-PA66的翹曲度相接近且處于較低水平。隨著GF質量分數的提高，SFPA66和F-PA66的翹曲度變化不明顯，而GF-PA66的翹曲度則在30%~50%的GF質量分數區間內不斷降低。在GF質量分數達到50%時，GF-PA66的翹曲度基本穩定，即便提高GF質量分數至60%，A-60的翹曲度相比于A-50的翹曲度也不再降低。高模扁平玻璃纖維在所有GF質量分數的PA66增強體系中均表現出最優的抗翹曲能力。由圖7b可知，隨著GF質量分數的提高，所有樣品的各向異性值均呈現升高趨勢，對比同纖維含量PA66復合材料樣品的各向異性可知，GF-PA66的各向異性值最高，在30%、40%、50%和60%的GF質量分數時分別為1.88、2.31、2.36和2.44。而SF-PA66和F-PA66的各向異性值相近且較低，這表明GF-PA66材料在不同方向上表現出的性能差異更大，而SF-PA66和F-PA66則能提供多方向上的更穩定和更均衡的使用性能。

圖7 不同GF增強PA66的的翹曲度和各向異性值曲線

2.5 斷面SEM

圖8展示了不同玻璃纖維增強PA66各向異性測試樣條斷面中的纖維分布和斷裂情況。由圖8a和圖8b可看出，圓形玻璃纖維在GF-PA66基體內的取向分布程度高，大部分纖維排布方向都平行于注塑熔體流動方向，A-60的縱向各向異性彎曲樣條在發生斷裂時的大部分負荷被GF分擔，而橫向各向異性彎曲樣條在發生斷裂時則主要以PA66樹脂為負荷承載主體，這導致了GF-PA66材料在垂直于注塑方向上的性能嚴重降低，橫向和縱向性能差異大。由圖8c、圖8d、圖8e和圖8f可看出，SFPA66和F-PA66基體內扁平玻璃纖維的取向程度更輕，SF-PA66和F-PA66有更多分布方向與注塑熔體流動方向不一致的纖維，從而保證了SF-PA66和F-PA66的橫向和縱向的性能差異相對較小（各向異性值小）。

圖8 不同玻璃纖維增強PA66各向異性測試樣條斷面的SEM圖像

3 結論

在本工作中，探討了SF-PA66在加工性能、機械性能、光學性能、抗翹曲性能和材料各向異性方面的優勢，并與F-PA66和GF-PA66進行了對比。得出以下結論：

（1）SF-PA66具有優良的加工流動性，在30%~60%的GF質量分數范圍內的熔體流動速度均優于GF-PA66，與F-PA66相近，有利于避免因流動差導致的制品缺陷。

（2）SF-PA66在拉伸性能、彎曲性能和沖擊性能方面均明顯優于GF-PA66和F-PA66，表現出了極佳的力學性能，且復合材料的拉伸模量和彎曲模量顯著高于GF-PA66和F-PA66，具有更加優秀的抗變形能力。

（3）SF-PA66具有與F-PA66相一致的抗翹曲能力和低各向異性，且具有更好的透光性。

綜上所述，SF-PA66的綜合性能優異，對薄壁制品、汽車制品、激光焊接等領域具有重要的應用意義。