黃紹軍 蔣似梅 梁小良 邱宗群

摘? ?要： 采用熔融共混和注塑成型工藝制備玻纖（GF）增強(qiáng)尼龍66（PA66）復(fù)合材料，研究GF含量對復(fù)合材料力學(xué)性能和熱變形性能的影響，優(yōu)選出最佳的配比方案。研究表明：當(dāng)GF含量由0%提高至30%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和沖擊強(qiáng)度分別提高78%、71%、108%和260%，熱變形溫度提高到220℃;GF含量由30%繼續(xù)提高時(shí)，復(fù)合材料性能提高不明顯，且浮纖現(xiàn)象加劇，影響產(chǎn)品整體外觀。綜合考慮實(shí)際應(yīng)用條件和生產(chǎn)成本，30%的GF含量為GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料的最佳配比方案。

關(guān)鍵詞： 玻纖;尼龍66;復(fù)合材料;力學(xué)性能;熱變形

中圖分類號：TQ317.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 06-006-04

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.002

引言

尼龍66，又稱PA66，學(xué)名聚己二酰己二胺，具有較好的韌性，耐有機(jī)溶劑，耐強(qiáng)堿，用途廣泛[1-2]。但是，純PA66的力學(xué)性能、抗沖擊性能、耐熱性能較弱，限制了其在汽車零部件等領(lǐng)域的應(yīng)用。

為拓寬PA66的適用范圍，研究者對純PA66實(shí)施了增強(qiáng)改性，其中玻璃纖維（簡稱玻纖，英文GF）是PA66常用的增強(qiáng)改性材料[3-7]。但極少有研究者針對汽車零部件研究出一種低成本、生產(chǎn)步驟少、可連續(xù)生產(chǎn)的GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料。

本文將GF、PA66樹脂及其他助劑熔融共混，結(jié)合注塑成型工藝制備GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料，并研究GF含量對復(fù)合材料力學(xué)性能和耐熱性能的影響，從而選出一種最佳的配比，使其適合于應(yīng)用在汽車零部件中。

1? 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1? 主要加工設(shè)備

（1）雙螺桿擠出機(jī)：型號為ZSK65MC，科倍隆公司;

（2）注塑機(jī)：型號為PT80，力勁機(jī)械廠有限公司。

1.2? 主要檢測設(shè)備

（1）陶瓷纖維馬弗爐：TM-0610P，北京盈安美誠科學(xué)儀器有限公司;

（2）微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)：CMT4104，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司;

（3）擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)：ZBC8400-B，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司;

（4）微機(jī)控制熱變形維卡軟化點(diǎn)試驗(yàn)機(jī)：ZWK1302-B，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司。

1.3? 主要原料

（1）玻纖（GF）：牌號T911，泰山玻璃纖維有限公司;

（2）尼龍66（PA66）：牌號8018，杜邦公司;

（3）助劑：熱穩(wěn)定劑、抗氧化劑、成核劑等。

1.4? 試樣制備

將干燥的PA66與其他助劑在高速混合機(jī)中混合5 min后，加入擠出機(jī)的料斗，在擠出機(jī)的側(cè)喂料口加入GF，通過調(diào)節(jié)擠出機(jī)轉(zhuǎn)速和喂料速度來調(diào)節(jié)GF含量，從而制備出含量為0%、20%、25%、30%、45%、50%的GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料，并分別編號為A0、A1、A2、A3、A4、A5。將制備出的不同GF含量的粒料在105℃的條件下烘4 h，然后注塑，即獲得各種測試樣條。

1.5? 性能測試依據(jù)

（1）灰分測試：按照GB/T 9345.1-2008[8]進(jìn)行測試，在700℃下煅燒2 h;

（2）拉伸性能測試：按照GB/T 1040.2-2006[9]進(jìn)行測試，選取1A型試樣，在50 mm標(biāo)距下，測試速度為10 mm/min;

（3）懸臂梁缺口沖擊性能測試：按照GB/T 1843-2008[10]進(jìn)行測試，A型缺口，擺錘為2.75 J;

（4）熱變形性能測試：按照GB/T 1634.2-2004[11]進(jìn)行測試，平放，升溫速率為120℃/h，彎曲應(yīng)力為1.8 MPa。

2? 含量測量對性能影響分析

2.1? GF含量的測定

表1為不同GF含量下GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料的灰分結(jié)果。從表1可以看出，各試樣灰分含量均接近各對應(yīng)配比中的GF含量，可以認(rèn)為灰分的含量即是GF的含量。這是因?yàn)闃悠吩诳諝庵懈邷仂褵?，PA66樹脂和部分助劑燃燒分解，剩下的灰分就代表GF的含量。同時(shí)也能說明，通過調(diào)節(jié)擠出機(jī)轉(zhuǎn)速和喂料速度可以成功制備出特定GF含量的GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料。

2.2? GF含量對GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖1為不同GF含量對GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料拉伸性能的影響。由圖1可以看出，GF的加入可顯著提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。隨著GF含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度逐漸提高。當(dāng)GF含量達(dá)到30%時(shí)，拉伸強(qiáng)度累積增加了78%，這是因?yàn)镚F通過擠出機(jī)的熔融共混擠出后分散在PA66樹脂基體中，形成了“骨架”，起到了增強(qiáng)復(fù)合材料的作用，當(dāng)試樣受到拉力時(shí)，具有高強(qiáng)度的GF承載了部分外力，有效提高了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。但當(dāng)GF含量超過30%時(shí)，拉伸強(qiáng)度提高不明顯，試樣表面出現(xiàn)明顯的浮纖現(xiàn)象，光潔度差，影響制品外觀[12]。

圖2為不同GF含量對GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料彎曲性能的影響。由圖2可以看出，GF的加入可顯著提高彎曲性能，隨著GF含量的增加，GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量逐漸提高且趨勢明顯。當(dāng)GF含量增加到30%時(shí)，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別累積提高了71%和108%。其原因是高強(qiáng)度的GF纖維，經(jīng)熔融共混擠出后，分散在PA66樹脂基體中，當(dāng)復(fù)合材料受到外力作用時(shí)，所受到的負(fù)荷會(huì)轉(zhuǎn)移到具有高強(qiáng)度和高模量的GF上，從而使得負(fù)荷材料的彎曲性能整體提高。GF含量從30%繼續(xù)增加后，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量提高效果不明顯。

圖3為不同GF含量對GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料懸臂梁缺口沖擊性能的影響。由圖3可以看出，隨著GF含量的增加，復(fù)合材料的沖擊性能逐漸提高，直至GF含量達(dá)到30%時(shí)，沖擊強(qiáng)度累積增加了260%，隨后增加趨勢放緩。分析認(rèn)為，當(dāng)復(fù)合材料受到?jīng)_擊力時(shí)，GF的剝離和拔出可承受部分沖擊能量，從而使得復(fù)合材料的沖擊性能提高。但當(dāng)GF含量超過30%時(shí)，其在樹脂中分散性差且含量過多，復(fù)合材料中的缺陷增多，缺陷的增加抵消了GF帶來的增強(qiáng)作用。

2.3? GF含量對GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料熱變形性能的影響

圖4為不同GF含量對GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料熱變形性能的影響。由圖4可以看出，GF的加入可顯著提高復(fù)合材料的熱變形性能，隨著GF含量的增加，復(fù)合材料的熱變形性能逐漸提高。當(dāng)GF含量達(dá)到30%時(shí)，復(fù)合材料的熱變形溫度高達(dá)220℃。其原因是：微觀上，GF限制了分子鏈段的運(yùn)動(dòng)，從而提高了復(fù)合材料的熔點(diǎn);宏觀上，具有高模量和耐高溫性能的GF沿平行于樣條受力表面取向，GF的加入有助于促進(jìn)PA66基體內(nèi)部的結(jié)晶，整體提高了復(fù)合材料的抗變形能力。綜上所述，GF的加入可以有效提高GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料的熱變形性能。

3? 討論與結(jié)語

（1）在擠出機(jī)的側(cè)喂料口加入GF，并調(diào)節(jié)擠出機(jī)轉(zhuǎn)速和喂料速度，可以連續(xù)生產(chǎn)出不同GF含量的GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料。但當(dāng)GF含量超過30%時(shí)，復(fù)合材料的浮纖現(xiàn)象嚴(yán)重，影響產(chǎn)品整體外觀。

（2）相比于純PA66樹脂材料，GF的加入可以有效提高GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料的力學(xué)性能，并且隨著GF含量的增加，復(fù)合材料的拉伸性能、彎曲性能、沖擊性能、熱變形性能都逐漸提高。但當(dāng)GF含量超過30%時(shí)，復(fù)合材料力學(xué)性能提高不明顯。

根據(jù)以上結(jié)論，再結(jié)合實(shí)際應(yīng)用條件和生產(chǎn)成本，認(rèn)為30%的GF含量為GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料的最佳配比。

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作者簡介：

黃紹軍（1986—），通信作者，男，漢族，廣西欽州人，碩士，工程師。研究方向：高分子材料加工及檢測。

E-mail： jerryjun415@126.com

（收稿日期：2020-09-25）