玻璃纖維改性PA 66沖擊強(qiáng)度的影響因素分析

沈澄英，宋功品

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)紡織工程系，江蘇江陰214433)

聚己二酰己二胺(PA 66)具有優(yōu)良的力學(xué)性能和電氣性能，在工程塑料中產(chǎn)量大、用途廣。但在實(shí)際應(yīng)用中純PA 66的強(qiáng)度有限，需對(duì)PA 66進(jìn)行改性。采用玻璃纖維改性PA 66是一種比較常用的方式［1－4］。

玻璃纖維改性PA 66可以大幅度提升其力學(xué)性能，可長(zhǎng)期在高溫高濕的環(huán)境下工作，被廣泛地應(yīng)用于交通、建材、電動(dòng)工具等領(lǐng)域。這些領(lǐng)域不僅要求材料具有優(yōu)異的強(qiáng)度，而且對(duì)材料的沖擊強(qiáng)度有特別要求。相對(duì)于缺口沖擊強(qiáng)度，無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度更能表征材料在實(shí)際使用中的抗沖擊性能。例如在鐵路軌枕套管應(yīng)用中，要求玻璃纖維改性PA 66的無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度要大于等于80 kJ/m2［5］。因此，研究玻璃纖維改性PA 66的沖擊強(qiáng)度的影響因素具有重大意義。

作者采用玻璃纖維改性PA 66為基料，分析了基料黏度、玻璃纖維粗細(xì)、增韌劑、擠出工藝等對(duì)改性PA 66的沖擊性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

PA 66:牌號(hào)EPR27，EPR32，相對(duì)黏度分別為2.67，3.20，神馬化工有限公司產(chǎn);馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯(PE-g-MAH):牌號(hào)ST-7，南京塑泰高分子科技有限公司產(chǎn);馬來(lái)酸酐接枝茂金屬乙烯-辛烯共聚物(POE-g-MAH):牌號(hào)LYIM1826，上海朗裕實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn);馬來(lái)酸酐接枝三元乙丙橡膠(EPDM-g-MAH):牌號(hào)ST-4，南京塑泰高分子科技有限公司產(chǎn);玻璃纖維:牌號(hào) ERS200-13-T635B，ECS10-3.0-T435N，EDR240-T835 直徑分別為 13，11，17 μm，泰山玻璃纖維有限公司產(chǎn);抗氧劑168、抗氧劑1010:汽巴化學(xué)有限公司產(chǎn)。

1.2 設(shè)備

SHR-5高速混合機(jī):張家港創(chuàng)新機(jī)械有限公司制;SJSH-30型同向雙螺桿擠出機(jī):長(zhǎng)徑比為36，河北石家莊星碩機(jī)械有限公司制;SZ-800型注塑機(jī):張家港神舟機(jī)械有限公司制;WDT-11萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī):河北金建檢測(cè)設(shè)備有限公司制;XJU-5.5懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī):河北金建檢測(cè)設(shè)備有限公司制;XJ-52BD型數(shù)字顯微鏡:2×106像素，上海蒲柘光電儀器有限公司制。

1.3 試樣制備

PA 66切片于105℃干燥6 h，將烘干的PA 66、增韌劑、抗氧劑、其他加工助劑按照一定配比在高混機(jī)中混合均勻后，從主喂料口加入雙螺桿擠出機(jī)，長(zhǎng)玻璃纖維從側(cè)喂料口加入，經(jīng)熔融擠出，冷卻，風(fēng)干切料制得玻纖改性PA 66切片。玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%，擠出工藝條件:1#為溫度260℃，螺桿轉(zhuǎn)速400 r/min;2#為溫度280℃，螺桿轉(zhuǎn)速280 r/min。

玻璃纖維改性PA 66切片于105℃干燥6 h后，采用注塑機(jī)制樣。注塑溫度250～275℃，注塑壓力80～110 MPa。

1.4 性能測(cè)試

玻璃纖維分布:將試樣于650℃焚燒后，灰分用異丙醇分散置于載玻片上，采用數(shù)字顯微鏡觀察。

懸臂梁沖擊強(qiáng)度:按ISO 180:2000塑料懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 基料黏度

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)PA 66黏度較小，材料機(jī)械性能較低，加工流動(dòng)性好，當(dāng)PA 66黏度較大時(shí)，材料機(jī)械性能較高，加工流動(dòng)性稍差。實(shí)際應(yīng)用中，可以將中、高黏度的PA 66按不同配比匹配使用。從圖1可以看出，隨高黏度PA 66含量增加，即基體樹(shù)脂黏度的增加，PA 66復(fù)合材料的沖擊性能也增加，其中無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度增加幅度較大?；橡ざ葘?duì)PA 66復(fù)合材料的無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度有較大的影響，考慮實(shí)際應(yīng)用中的性價(jià)比，實(shí)驗(yàn)選擇復(fù)合材料高黏度EPR32型PA 66質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%為宜，下同。

圖1 高黏度PA 66含量對(duì)PA 66復(fù)合材料沖擊性能的影響Fig.1 Effect of high-viscosity PA 66 percentage on impact strength of PA 66 composite

2.2 玻璃纖維直徑

從圖2看出，PA 66復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨玻璃纖維直徑的減小而增加。玻璃纖維改性PA 66復(fù)合材料中，玻璃纖維強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PA 66本身強(qiáng)度，決定復(fù)合材料的強(qiáng)度應(yīng)該是玻璃纖維與PA 66樹(shù)脂結(jié)合的程度，隨著玻璃纖維直徑的減小，玻璃纖維與PA 66接觸的面積增大，因而形成了更大的結(jié)合力。另一方面，隨玻璃纖維直徑的減小，“尺寸效應(yīng)”明顯，玻璃纖維缺陷占比越少，玻璃纖維本身拉伸強(qiáng)度就越高。但實(shí)際生產(chǎn)中鑒于玻璃纖維的性價(jià)比，大多選直徑為13～15μm的無(wú)堿玻璃纖維。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇ERS200-13-T635B型玻璃纖維進(jìn)行研究。

圖2 玻璃纖維直徑對(duì)PA 66復(fù)合材料沖擊性能的影響Fig.2 Effect of glass fiber diameter on impact strength of PA 66 composite

2.3 增韌劑種類(lèi)和用量

從表1可知，增韌劑對(duì)玻璃纖維改性PA 66復(fù)合材料的增韌效果由強(qiáng)到弱依次為EPDM-g-MAH，POE-g-MAH，PE-g-MAH，其中 EPDM 分子鏈有一定的微交聯(lián);POE結(jié)晶性小，材料柔性大;PE分子結(jié)晶大，材料柔性小。一般增韌劑本體強(qiáng)度小、分子鏈間有約束時(shí)，對(duì)復(fù)合材料的增韌效果好。相對(duì)于 EPDM-g-MAH增韌劑，POE-g-MAH的性價(jià)比較高，因此，選擇POE-g-MAH增韌劑作為玻璃纖維改性PA 66。

表1 不同增韌劑對(duì)PA 66復(fù)合材料沖擊性能的影響Tab.1 Effect of toughening agent on impact strength of PA 66 composite

從圖3可以看出，復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度隨增韌劑用量增加而增加，無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度不是簡(jiǎn)單的隨增韌劑用量增大而增大，而是呈先增大后減小再增大的現(xiàn)象，在增韌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)有一個(gè)高點(diǎn)。這個(gè)現(xiàn)象進(jìn)一步驗(yàn)證了復(fù)合材料無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度較缺口沖擊強(qiáng)度對(duì)材料強(qiáng)度更有依賴性。因此，在低增韌劑含量區(qū)域，復(fù)合材料可以有一個(gè)比較好的剛韌平衡。

圖3 POE-g-MAH含量對(duì)PA 66復(fù)合材料沖擊性能的影響Fig.3 Effect of POE-g-MAH content on impact strength of PA 66composite

圖4 不同擠出工藝的試樣中玻璃纖維分布Fig.4 Glass fiber distribution of samples prepared by different extrusion process

2.4 擠出工藝

玻璃纖維改性PA 66復(fù)合材料生產(chǎn)中，螺桿元件排布對(duì)復(fù)合材料性能影響較大［6－7］，但同種螺桿排布情況下，擠出工藝也會(huì)影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。

從表2可以看出，在1#擠出工藝條件時(shí)，溫度低、轉(zhuǎn)速高，復(fù)合材料受到的剪切速率大，復(fù)合材料的沖擊性能偏弱，粒子表面光亮、白透;在2#擠出工藝條件下，溫度高、轉(zhuǎn)速低，復(fù)合材料受到的剪切速率小，復(fù)合材料粒子中玻璃纖維殘留長(zhǎng)度大，復(fù)合材料的沖擊性能較好，粒子外觀糙、黃、不透。從圖4可以看出，不同加工條件下擠出粒子注塑樣條焚燒后的玻璃纖維分布情況不同。1#加工條件，玻璃纖維被剪切的較碎，復(fù)合材料粒子中玻璃纖維殘留長(zhǎng)度短，復(fù)合材料中玻璃纖維受到的剪切強(qiáng)度大;2#加工條件，玻璃纖維交織一起，玻璃纖維殘留長(zhǎng)度大，復(fù)合材料中玻璃纖維受到的剪切強(qiáng)度小。因此為了保證復(fù)合材料的沖擊性能的穩(wěn)定，復(fù)合材料的加工中盡量采用高溫低轉(zhuǎn)速的擠出加工條件。

表2 不同加工條件對(duì)復(fù)合材料性能的影響Tab.2 Effect of processing conditions on properties of composite

3 結(jié)論

a.隨著基料樹(shù)脂黏度的增大，玻璃纖維改性PA 66復(fù)合材料的沖擊性能增加，其中無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度增加幅度較大。綜合考慮，復(fù)合材料中選擇高黏度PA 66質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%為宜。

b.隨玻璃纖維直徑的減小，玻璃纖維改性PA 66切片復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度增加，玻璃纖維直徑選擇13～15 μm為宜。

c.玻璃纖維改性PA 66復(fù)合材料中，增韌劑EPDM-g-MAH增韌效果最好，增韌劑POE-g-MAH的性價(jià)比最高。玻璃纖維改性PA 66復(fù)合材料無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度較缺口沖擊強(qiáng)度對(duì)材料強(qiáng)度更有一定的依賴性，隨增韌劑用量增加，玻璃纖維改性PA 66復(fù)合材料缺口沖擊強(qiáng)度增加，無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度在增韌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)有一個(gè)高點(diǎn)。

d.采用高溫低轉(zhuǎn)速的擠出工藝，PA 66復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度性能更好。

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