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提高玻纤增强尼龙6的力学性能方法

上海神马尼龙 发布日期:2023/8/29 19:04:08 访问次数:5216

提高玻纤增强尼龙6的力学性能方法

GF玻纤增强尼龙6具有优异的性能,在汽车、机械、电器、军工等领域有巨大的应用潜力。随着科学技术的不断进步,各种应用领域对PA6材料的要求越来越高。因此,进一步研究PA6的GF填充改性,使其具有更加优异的力学性能是近年来研究者广泛关注的热点。

材料结构与组分对力学性能的影响

GF玻纤增强尼龙6是一种典型的纤维增强树脂材料,也有着这一类材料许多共同的特点。GF种类、含量、长度及界面状态等显著影响GF增强PA6复合材料的力学性能。


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GF玻纤含量的影响

在影响GF玻纤增强尼龙6的力学性能的几大因素中,玻纤含量的影响最大。从材料内部结构分析,玻纤量增大后,材料单位面积截面上的玻纤数目增多,玻纤间的尼龙6基体变薄,这一结构变化决定了力学性能发生改变。

在冲击性能方面,GF的大量加入会改变PA6缺口冲击的过程,随着单位面积截面中的GF量增多,PA6的裂纹扩展越来越明显地受到GF阻碍,这使得材料受冲击而被完全破坏的过程变得困难;同时,纤维抽出与纤维断裂的发生率也因GF量的增多、PA6树脂层的变薄而提高,这对复合材料整体吸收冲击能量帮助很大。但是,GF的存在也限制了PA6基体树脂的变形能力,弱化了复合材料通过基体树脂变形来吸收冲击能量的作用,因此,在GF大量存在的情况下,进一步增加GF量也会对复合材料的冲击性能造成负面影响。

PA6复合材料受到拉伸应力时,GF与PA6基体存在形变差异,GF承载大部分应力,而PA6受到GF的约束,这导致GF的两端出现应力集中区,同时在纤维径向范围内出现一个小于平均应力的椭圆形区域,这减小了PA6基体中的平均应力。GF用量提高后,GF之间的PA6层变薄,GF承载了更高的应力,而PA6基体的承载应力下降,因此,GF用量增大使得PA6复合材料的弹性模量、屈服应力均会有较大幅度的提高。

在弯曲强度方面,随着PA6基体中GF用量增大,GF间的树脂层变薄,作用在复合材料上的弯曲应力很容易通过树脂层在GF之间传递,树脂的形变也受到GF的约束,因而复合材料的弯曲弹性模量也随之增大;同时,GF填充量的增多使材料中有更多的GF来承载施加的弯曲负荷,这些GF从树脂中抽出或断裂,均能吸收大量的能量,因而提高了复合材料的弯曲强度。


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GF与PA6界面作用的影响

GF与PA6之间的界面结合作用强弱对复合材料的整体性能也有重要影响。

根据纤维增强树脂基复合材料的基础理论,GF填充PA6材料中,PA6树脂基体起到粘接作用,把分散的GF绑定成整体,而GF主要起到应力承载作用,GF与PA6树脂间的界面起到了传递应力的作用,界面结合作用的强弱直接决定了应力传递的效果。如果界面结合强度足够大,则应力的传递效率很高,复合材料内部各组分的承载均匀性足够好,因此PA6复合材料的力学性能就会更大程度受到GF这一增强相的影响,呈现出优异的综合力学性能。

但GF是一种典型的无机材料,而PA6是有机材料,二者极性差异大,相容性不佳,这导致共混过程中未经改性的GF难以被PA6有效浸润,进而使GF与PA6界面结合作用较弱,最终导致复合材料性能不佳。

在共混前或共混过程中对GF进行表面接枝改性是改善GF与PA6界面结合作用的重要方式,所使用的GF表面接枝物一般为有机–无机两亲性化合物,这类化合物能够接枝在GF表面,也与树脂基体发生物理缠结或化学接枝,进而在GF与树脂之间构建一种强界面结合作用。硅烷偶联剂、马来酸酐接枝的聚烯烃等都具有上述机制,因此被广泛用作改善GF与PA6界面结合作用的助剂。


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GF保留长度的影响

GF在PA6中的保留长度也对材料力学性能有明显影响。纤维增强树脂基复合材料的基础理论有着临界纤维长度的概念,也就是复合材料中刚能使材料具有原纤维抗张强度时的纤维长度。

理论上,GF长度小于临近长度时,随着GF长度增加,GF与树脂的界面结合面积增大,复合材料断裂时,GF从树脂中抽出的阻力加大,从而提高了承受拉伸载荷的能力;同时,GF长度的增加,可能使部分GF的长度达到临界长度,当复合材料断裂时伴随着更多GF的断裂,同样使承受拉伸载荷的能力提高。

在承受弯曲载荷的情况下,复合材料承载面受压,背面受拉,弯曲性能对GF长度的依赖关系与拉伸性能的情形基本一致。

在冲击载荷作用下,较长GF的抽出或断裂可吸收大量冲击能,从而使复合材料的冲击强度明显提高。另外,GF的端部是裂纹增长的引发点,较长GF端头数量相对较少,也使冲击强度提高。

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GF种类的影响

作为材料的主要受力相,GF本身的种类与强度必然会对材料的整体强度带来显著影响。

不同牌号的GF化学组分会有所不同,加工方法亦会有差异,导致GF的长径比与表面结构都会有一定差异,以此衍生出了包括无碱GF、高强GF、抗碱GF等GF品种。

显而易见的是,单丝强度较高的GF承载能力更强,因此,具有单丝强度高的高强GF在增强PA6时,效果更加明显。

综上,选择高强GF、保持GF长度、增加GF填充量、在GF与树脂间构建刚性的化学界面有助于提高GF增强PA6复合材料的拉伸强度与弯曲强度。同时,GF填充量的增多还有助于PA6复合材料韧性的提高,除此之外,使用具有物理缠结作用的界面助剂,对复合材料韧性的提高也有重要帮助。

加工过程对力学性能的影响


GF增强PA6复合材料体系中的残余GF长度、GF在基体中的分散、取向等必然直接影响着增强改性的效果,这些因素不仅取决于原料的选择,还取决于所选用的混合设备及混合工艺,合理选择设备与工艺是进行GF增强改性的关键环节。


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制备工艺

目前,GF增强的热塑性塑料通常采用两步法加工成型,即:先使GF与树脂基体相互结合并造粒,然后再以造出的粒料为原料进行成型加工。

两步法中粒料的制备方面有包覆法和混合法两种方案可供选择。相比而言,目前混合法的应用更加广泛,对于混合法制备GF增强PA6材料的研究也更充分。

本质上,加工参数直接影响的是GF在PA6树脂中的填充与分散状态,进而影响GF增强PA6材料的力学性能。因此,采用混合法制备GF增强PA6粒料时,加料方法、GF加入位置、排气情况、造粒速度、主机螺杆转速、挤出温度等工艺参数都会影响材料的最终性能。

保持GF增强PA6材料性能优异的主要设计思路,是保证GF在PA6中均匀分散且与PA6充分结合,同时减少GF在加工过程中出现的表面与整体结构破坏。


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GF加入工艺

★GF加入较早,则GF受剪切作用明显,GF被严重破坏,残余GF长度较小,对材料整体性能不利;GF加入较晚,则GF不易与树脂均匀共混,与树脂结合也较弱,从而影响材料整体性能。因此,设置GF合理的加入位置对提高GF增强树脂的效果有明显帮助。

★使用侧喂料加入GF更容易稳定喂料及控制GF含量,同时还能减少纤维的折断,实现材料性能的提高。


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挤出工艺

★较低的挤出温度不利于GF的包覆浸润,容易发生断裂;而过高的挤出温度则会降低聚合物本身的性能。当加入GF含量较高时,挤出温度应略高于聚合物熔点。

★挤出机主机转速增加,材料的强度及模量增加。在主机转速不变的情况下,喂料速度增加,材料的力学性能降低,所以实际制备过程当中,需要在材料性能和产量之间进行适当选择,才可以得到产量较大,同时性能又相对较好的产品。

★同向啮合双螺杆和Buss Kneader等较为温和的螺杆构型可减少GF增强体系中的纤维折断,但是混合能力稍弱;而异向啮合双螺杆挤出机对GF的剪切破坏最为严重,但混合混炼能力较强。


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注射成型工艺

两步法制备GF增强PA6材料中的第二步成型工艺通常会采用注射成型,该成型过程的工艺参数也一定程度上影响着最终制品性能的好坏。

★材料的拉伸强度与进料口温度成正比,与注射速度和螺杆转速成反比。

★注射速度增加会使GF断裂更为严重,而制品的冲击强度对注射速度较为敏感;背压的提高也会导致GF长度下降,而保压压力对最终制品中的残余GF长度影响较小。

★使用注射成型工艺可以制备GF呈取向结构的制品,当纤维取向与应力方向相同时,材料的拉伸弹性模量最大,而断裂伸长率最小;当纤维取向与应力方向垂直时,材料的拉伸弹性模量最小,而断裂伸长率最大。


促使GF在PA6树脂中均匀分散是保证GF增强PA6材料性能优异的第一要素;在此基础上,尽可能保持GF的长度与结构完整是进一步改善GF增强PA6材料性能的重要因素。GF与PA6树脂的混合过程中,设备选择与各工艺参数的确定需要综合考虑产率–GF分散状态–GF结构保持等三方面因素,根据具体要求选择相应参数;而GF增强PA6材料加工成型过程中,则需要在保证成型完整的情况下,尽可能减少对GF结构的破坏。此外,在加工成型过程中实现GF取向就能够制备单一方向上性能极为突出的各项异性制品。

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