關(guān)鍵詞：玻纖增強尼龍6 ；增韌劑；吸水；性能

中圖分類號：TQ317 文獻標識碼：A

0引言

在汽車領(lǐng)域，作為結(jié)晶性的尼龍材料（PA），特別是PA6材料，由于優(yōu)異的剛性、耐熱性能、耐疲勞性能以及耐熱性能而被廣泛使用[1]。但是PA6 常溫和低溫下的缺口敏感性強，缺口沖擊強度低[2]，特別是在冬天寒冷季節(jié)，低溫脆性使其在裝配和使用過程中發(fā)生斷裂情況。雖然加入玻纖改性后的尼龍缺口敏感性有所改善[3-4]，但是在汽車零件多元化的應(yīng)用場景下，需要對玻纖增強的尼龍（PA-GF）材料進行進一步改性處理（增韌），以滿足更多場景下的需求[5]。

目前對PA-GF 材料常規(guī)的增韌方式主要有2 類：一類是通過在配方中額外加入增韌劑，比如聚烯烴（ PP）[6] 、三元乙丙橡膠（ EPDM）、熱塑性聚辛烯塑料（ POE） 以及馬來酸酐接枝的POE 增韌劑（POE-MAH）等，以提高材料的韌性，改善產(chǎn)品的開裂問題；另一類是通過對零件進行煮水吸水處理，增加產(chǎn)品的含水率，提高其柔韌性，改善開裂的問題。但是，對于某個特定的產(chǎn)品，選用哪種方式更加合理，往往取決于產(chǎn)品工程師的個人經(jīng)驗。一旦經(jīng)驗犯錯，往往導致產(chǎn)品設(shè)計變更而耽誤項目進度。因此，材料的性能研究為產(chǎn)品工程師選擇材料方案提供了理論依據(jù)。

1PA改性方案選擇

為了盡量降低材料本身對于韌性的影響，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對不同含量的同類玻纖增韌PA6材料，PA6-GF15 的韌性最好[7]。為研究這種材料在汽車常見的工作范圍內(nèi)的性能變化，以最常用的PA6材料作為研究對象，分別制備普通PA6-GF15材料、增韌PA6-GF15材料和吸水PA6-GF15材料這3 種材料， 并分別按ISO527 測試、ISO178測試和ISO179測試考察這3種材料的拉伸性能、彎曲性能和沖擊性能。所有的測試利用低溫箱（BDF-60V158型，濟南鑫貝西生物技術(shù)有限公司）實現(xiàn)-30 ℃、0 ℃和23 ℃這3 個溫度的多次數(shù)據(jù)測試并取平均值。

2 試樣制備及測試方法

試模的所有材料都來源于市售：其中PA6為改性級，相對粘度2.75；短切玻璃纖維（435）選擇山東泰山玻纖；增韌劑為POE-MAH ；抗氧劑選擇抗氧劑1098和抗氧劑168；潤滑劑選擇克萊恩OP蠟。在所有的實驗過程中，買來的所有材料并沒有進行任何提純處理。

2.1 普通PA6-GF15粒子制備

將PA6 原料在110℃鼓風干燥箱中干燥4 h 除去水分，將干燥好的PA6、抗氧劑和潤滑劑按比例混合，玻璃纖維比例為15%?；旌虾煤蟮幕旌衔镌陔p螺桿擠出機（CPM-TSE-35 型，南京瑞亞擠出機械制造有限公司）中擠出造粒，擠出機加料段到口模的溫度依次為：100 ℃、230 ℃、230 ℃、235 ℃、235 ℃、240 ℃、240 ℃、245 ℃、245 ℃和250℃，轉(zhuǎn)速為480r/min。

2.2增韌PA6-GF15粒子制備

在2.1 節(jié)所述配方中額外加入10% 增韌劑，得到增強增韌PA6-GF15 材料。再按照2.1節(jié)所述工序制作出造粒。

2.3樣條制備

將粒料于110℃鼓風干燥箱干燥4 h 后，注塑成測試樣條，注塑機為臺灣震雄注塑機有限公司的CH-50 型；加料段至噴嘴的溫度依次設(shè)定為240 ℃、240 ℃、250℃、250℃和255℃，注塑壓力為90 MPa。得到普通PA6-GF15和增韌PA6-GF15樣條。

2.4吸水PA6-GF15樣條制備

將2.1 節(jié)所述的普通PA6-GF15 樣條放入加濕器中，吸水到水分含量基本穩(wěn)定為止，測得的水含量為2.6%。水分含量直接采用稱重的方式來測試[8]，記錄初始重量W， 記錄加濕后的重量W，則含水率計算如下：

含水率＝ [（W-W）/W] ×100% （1）

3結(jié)果與討論

為了方便直觀看出溫度對不同材料某性能影響的強弱（增長或下降趨勢），本研究使用性能變化率來表示。其定義為：以-30 ℃初始某性能為基準X，溫度T 時測得的該性能為X，那么性能變化率為X/X，通過不同材料在同一時間某性能變化率的大小，就可以了解溫度影響的強弱。本文-30℃的初始性能變化率為100%。

3.1不同溫度下拉伸強度的對比

將三種狀態(tài)的樣條分別在-30℃、0℃和23℃下進行拉伸強度測試，結(jié)果如圖1所示。可以看出，在同一溫度下，普通PA6-GF15材料的拉伸強度最大，增韌PA6-GF15材料次之，吸水PA6-GF15材料最差[9]。相對于普通PA6-GF15，增韌劑的加入會導致材料的拉伸強度下降，這是因為增韌劑為熱塑性彈性體，這些低強度的彈性體作為分散相分散在體系中，分子鏈開始運動所需的外力降低而導致強度的下降[10]。而吸水PA6-GF15強度下降更大，這是因為水分子的存在會產(chǎn)生增塑劑的作用，可能會破壞PA與玻纖之間的相互作用，宏觀體現(xiàn)為拉伸強度的更大下降。

對于每種材料在-30～23℃的拉伸強度變化率，普通PA6-GF15為92%，下降趨勢最小；增韌PA6-GF15為87.29%略大于吸水PA6-GF15的87%。說明水分的存在會在溫度變化時損失更多的拉伸性能。

小結(jié)：在-30～23℃，3種材料的拉伸強度變化趨勢為：普通PA6-GF15＞增韌PA6-GF15＞吸水PA6-GF15。拉伸強度變化率下降趨勢為：普通PA6-GF15＜增韌PA6-GF15＜吸水PA6-GF15。

3.2不同溫度下斷裂伸長率的對比

將3種狀態(tài)的樣條在-30℃、0℃和23℃下分別測試斷裂伸長率，結(jié)果如圖2所示。可以看出，在-30～23℃，3種材料的斷裂伸長率變化率不一致：其中增韌PA6-GF15的斷裂伸長率隨著溫度的升高而逐漸變大趨勢，普通PA6-GF15和吸水PA6-GF15的斷裂伸長率呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢。這可能與增韌劑和水分子結(jié)構(gòu)不同起到的效果不同有關(guān)：水分子作為小分子存在于PA6分子之間，起到增塑劑作用，而0℃后水分子狀態(tài)改變，運動能力的急速提升，導致斷裂伸長率急劇變化（1.5倍）。而增韌劑作為分散劑分散在PA6-GF15體系中，其與PA6-GF15的相互作用易受到溫度影響而逐漸破壞，斷裂伸長率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

小結(jié)：在-30～23℃，3種材料的斷裂伸長率變化整體趨勢為：增韌PA6-GF15＞普通PA6-GF15＞吸水PA6-GF15。但是超過23℃后，斷裂伸長率變化整體趨勢為：吸水PA6-GF15＞增韌PA6-GF15＞普通PA6-GF15。

3.3不同溫度下彎曲強度的對比

將三種狀態(tài)的樣條在-30℃、0℃和23℃下分別測試彎曲強度，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，彎曲強度的變化趨勢與拉伸強度保持一致。同一溫度，3種材料中，普通PA6-GF15的彎曲強度最大（＞180MPa），增韌PA6-GF15次之（＞144MPa），吸水PA6-GF15最低（＞93MPa）。在-30～23℃，彎曲強度也是隨著溫度的增加而下降。說明增韌劑和水分子的存在，導致PA6運動所需的外力降低，彎曲強度下降。但與拉伸強度變化略有不同，普通PA6-GF15的彎曲強度基本上保持不變（98.6%），而增韌PA6-GF15的彎曲強度略有下降（94.9%），吸水PA6-GF15的彎曲強度下降最多（90.9%）。說明在彎曲作用下，水分子導致PA6運動所需的外力比增韌劑下降更多。

小結(jié)：在-30～23℃，3種材料的彎曲強度變化趨勢為：普通PA6-GF15＞增韌PA6-GF15＞吸水PA6-GF15。彎曲強度變化率下降趨勢為：普通PA6-GF15＜增韌PA6-GF15＜吸水PA6-GF15。

3.4不同溫度下缺口沖擊強度

將3種狀態(tài)的樣條在-30℃、0℃和23℃下分別測試缺口沖擊強，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，在同一溫度，普通PAtu5TLJB9QMu04VcKOljSeg==6-GF15的韌性最差，增韌PA6-GF15次之，吸水PA6-GF15最好。這可能是因為增韌劑和水分子，相當于分散相分散在PA中，并與PA有良好的黏合力，當受到?jīng)_擊時，可以吸收較多能量來防止裂紋擴展。

在-30～223℃，普通PA6-GF15的韌性基本沒有變化（提升1.09倍），這可能與PA6分子間高相互作用氫鍵有關(guān)。而增韌PA6-GF15（提升2.02倍）和吸水PA6-GF15的韌性隨著溫度的上升而逐漸變大，特別是吸水PA6-GF15具有更高的上升趨勢（提升超2.5倍）。這可能與增韌劑的運動能力隨溫度逐漸變強及水分子結(jié)構(gòu)在0℃前后急劇變化導致運動能力增加有關(guān)，使得在受到?jīng)_擊時，可以吸收更多的能量。

小結(jié)：在-30～23℃，3種材料的缺口沖擊強度變化趨勢為：吸水PA6-GF15＞增韌PA6-GF15＞普通PA6-GF15。拉伸強度變化率增加整體趨勢為：吸水PA6-GF15＞增韌PA6-GF15＞普通PA6-GF15。

4結(jié)束語

尼龍材料制成的汽車零件，在實際使用中或多或少會接觸各種濕潤環(huán)境而吸水。通過上述實現(xiàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于尼龍材料吸水，其拉伸強度和彎曲強度與傳統(tǒng)觀點保持一致，即材料的性能都會下降。但韌性的實驗結(jié)果與傳統(tǒng)認知并不相同，甚至相反，飽和吸水后的材料韌性大大增強，甚至高于增韌體系改性的尼龍。具體表現(xiàn)如下。

（1）相比于純PA6-GF15，吸水短期可以明顯提高材料的缺口沖擊強度，改善產(chǎn)品的開裂問題，但是吸水后材料強度也會明顯下降，且隨著含水量的減少材料韌性會下降。

（2）加入增韌劑后，也能提高材料的缺口沖擊強度，但是短期效果弱于吸水，且增韌后材料的強度下降趨勢明顯小于吸水，增韌劑改性是較為均衡的一種改性策略。

因此，在產(chǎn)品在開發(fā)過程中，如果產(chǎn)品僅僅在裝配過程中涉及到大變形（臨時韌性），可以通過吸水的方式來加以處理；如果產(chǎn)品在長期使用環(huán)境下涉及到韌性和強度（長期韌性），就需要通過加入增韌劑來徹底改善材料的韌性。

作者簡介：

陳云霞，碩士，高級工程師，研究方向為汽車用材料及成型工藝。