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如何提高玻纖增強尼龍6復合材料的力學性能

發布時間:2023-11-21 點擊數:0
     GF增強PA6具有優異的性能,在汽車、機械、電器、軍工等領域有巨大的應用潛力。隨著科學技術的不斷進步,各種應用領域對PA6材料的要求越來越高。因此,進一步研究PA6的GF填充改性,使其具有更加優異的力學性能是近年來研究者廣泛關注的熱點。GF增強PA6是一種典型的纖維增強樹脂材料,也有著這一類材料許多共同的特點。GF種類、含量、長度及界面狀態等顯著影響GF增強PA6復合材料的力學性能。01GF含量的影響
     在影響GF增強PA6復合材料的力學性能的幾大因素中,GF含量的影響最大。從材料內部結構分析,GF量增大后,材料單位面積截面上的GF數目增多,GF間的PA6基體變薄,這一結構變化決定了力學性能發生改變。
     在沖擊性能方面,GF的大量加入會改變PA6缺口沖擊的過程,隨著單位面積截面中的GF量增多,PA6的裂紋擴展越來越明顯地受到GF阻礙,這使得材料受沖擊而被完全破壞的過程變得困難;同時,纖維抽出與纖維斷裂的發生率也因GF量的增多、PA6樹脂層的變薄而提高,這對復合材料整體吸收沖擊能量幫助很大。但是,GF的存在也限制了PA6基體樹脂的變形能力,弱化了復合材料通過基體樹脂變形來吸收沖擊能量的作用,因此,在GF大量存在的情況下,進一步增加GF量也會對復合材料的沖擊性能造成負面影響。
     PA6復合材料受到拉伸應力時,GF與PA6基體存在形變差異,GF承載大部分應力,而PA6受到GF的約束,這導致GF的兩端出現應力集中區,同時在纖維徑向范圍內出現一個小于平均應力的橢圓形區域,這減小了PA6基體中的平均應力。GF用量提高后,GF之間的PA6層變薄,GF承載了更高的應力,而PA6基體的承載應力下降,因此,GF用量增大使得PA6復合材料的彈性模量、屈服應力均會有較大幅度的提高。
     在彎曲強度方面,隨著PA6基體中GF用量增大,GF間的樹脂層變薄,作用在復合材料上的彎曲應力很容易通過樹脂層在GF之間傳遞,樹脂的形變也受到GF的約束,因而復合材料的彎曲彈性模量也隨之增大;同時,GF填充量的增多使材料中有更多的GF來承載施加的彎曲負荷,這些GF從樹脂中抽出或斷裂,均能吸收大量的能量,因而提高了復合材料的彎曲強度。
     02GF與PA6界面作用的影響
     GF與PA6之間的界面結合作用強弱對復合材料的整體性能也有重要影響。
     根據纖維增強樹脂基復合材料的基礎理論,GF填充PA6材料中,PA6樹脂基體起到粘接作用,把分散的GF綁定成整體,而GF主要起到應力承載作用,GF與PA6樹脂間的界面起到了傳遞應力的作用,界面結合作用的強弱直接決定了應力傳遞的效果。如果界面結合強度足夠大,則應力的傳遞效率很高,復合材料內部各組分的承載均勻性足夠好,因此PA6復合材料的力學性能就會更大程度受到GF這一增強相的影響,呈現出優異的綜合力學性能。
     但GF是一種典型的無機材料,而PA6是有機材料,二者極性差異大,相容性不佳,這導致共混過程中未經改性的GF難以被PA6有效浸潤,進而使GF與PA6界面結合作用較弱,最終導致復合材料性能不佳。
     在共混前或共混過程中對GF進行表面接枝改性是改善GF與PA6界面結合作用的重要方式,所使用的GF表面接枝物一般為有機–無機兩親性化合物,這類化合物能夠接枝在GF表面,也與樹脂基體發生物理纏結或化學接枝,進而在GF與樹脂之間構建一種強界面結合作用。硅烷偶聯劑、馬來酸酐接枝的聚烯烴等都具有上述機制,因此被廣泛用作改善GF與PA6界面結合作用的助劑。
     03GF保留長度的影響
     GF在PA6中的保留長度也對材料力學性能有明顯影響。纖維增強樹脂基復合材料的基礎理論有著臨界纖維長度的概念,也就是復合材料中剛能使材料具有原纖維抗張強度時的纖維長度。
     理論上,GF長度小于臨近長度時,隨著GF長度增加,GF與樹脂的界面結合面積增大,復合材料斷裂時,GF從樹脂中抽出的阻力加大,從而提高了承受拉伸載荷的能力;同時,GF長度的增加,可能使部分GF的長度達到臨界長度,當復合材料斷裂時伴隨著更多GF的斷裂,同樣使承受拉伸載荷的能力提高。
     在承受彎曲載荷的情況下,復合材料承載面受壓,背面受拉,彎曲性能對GF長度的依賴關系與拉伸性能的情形基本一致。
     在沖擊載荷作用下,較長GF的抽出或斷裂可吸收大量沖擊能,從而使復合材料的沖擊強度明顯提高。另外,GF的端部是裂紋增長的引發點,較長GF端頭數量相對較少,也使沖擊強度提高。
     04GF種類的影響
     作為材料的主要受力相,GF本身的種類與強度必然會對材料的整體強度帶來顯著影響。
     不同牌號的GF化學組分會有所不同,加工方法亦會有差異,導致GF的長徑比與表面結構都會有一定差異,以此衍生出了包括無堿GF、高強GF、抗堿GF等GF品種。
     顯而易見的是,單絲強度較高的GF承載能力更強,因此,具有單絲強度高的高強GF在增強PA6時,效果更加明顯。
     綜上,選擇高強GF、保持GF長度、增加GF填充量、在GF與樹脂間構建剛性的化學界面有助于提高GF增強PA6復合材料的拉伸強度與彎曲強度。同時,GF填充量的增多還有助于PA6復合材料韌性的提高,除此之外,使用具有物理纏結作用的界面助劑,對復合材料韌性的提高也有重要幫助。
     加工過程對力學性能的影響
     GF增強PA6復合材料體系中的殘余GF長度、GF在基體中的分散、取向等必然直接影響著增強改性的效果,這些因素不僅取決于原料的選擇,還取決于所選用的混合設備及混合工藝,合理選擇設備與工藝是進行GF增強改性的關鍵環節。
     01制備工藝
     目前,GF增強的熱塑性塑料通常采用兩步法加工成型,即:先使GF與樹脂基體相互結合并造粒,然后再以造出的粒料為原料進行成型加工。
     兩步法中粒料的制備方面有包覆法和混合法兩種方案可供選擇。相比而言,目前混合法的應用更加廣泛,對于混合法制備GF增強PA6材料的研究也更充分。
     本質上,加工參數直接影響的是GF在PA6樹脂中的填充與分散狀態,進而影響GF增強PA6材料的力學性能。因此,采用混合法制備GF增強PA6粒料時,加料方法、GF加入位置、排氣情況、造粒速度、主機螺桿轉速、擠出溫度等工藝參數都會影響材料的最終性能。
     保持GF增強PA6材料性能優異的主要設計思路,是保證GF在PA6中均勻分散且與PA6充分結合,同時減少GF在加工過程中出現的表面與整體結構破壞。
     02GF加入工藝
     ★GF加入較早,則GF受剪切作用明顯,GF被嚴重破壞,殘余GF長度較小,對材料整體性能不利;GF加入較晚,則GF不易與樹脂均勻共混,與樹脂結合也較弱,從而影響材料整體性能。因此,設置GF合理的加入位置對提高GF增強樹脂的效果有明顯幫助。
     ★使用側喂料加入GF更容易穩定喂料及控制GF含量,同時還能減少纖維的折斷,實現材料性能的提高。
      03擠出工藝
     ★較低的擠出溫度不利于GF的包覆浸潤,容易發生斷裂;而過高的擠出溫度則會降低聚合物本身的性能。當加入GF含量較高時,擠出溫度應略高于聚合物熔點。
     ★擠出機主機轉速增加,材料的強度及模量增加。在主機轉速不變的情況下,喂料速度增加,材料的力學性能降低,所以實際制備過程當中,需要在材料性能和產量之間進行適當選擇,才可以得到產量較大,同時性能又相對較好的產品。
     ★同向嚙合雙螺桿和Buss Kneader等較為溫和的螺桿構型可減少GF增強體系中的纖維折斷,但是混合能力稍弱;而異向嚙合雙螺桿擠出機對GF的剪切破壞最為嚴重,但混合混煉能力較強。
     04注射成型工藝
     兩步法制備GF增強PA6材料中的第二步成型工藝通常會采用注射成型,該成型過程的工藝參數也一定程度上影響著最終制品性能的好壞。
     ★材料的拉伸強度與進料口溫度成正比,與注射速度和螺桿轉速成反比。
     ★注射速度增加會使GF斷裂更為嚴重,而制品的沖擊強度對注射速度較為敏感;背壓的提高也會導致GF長度下降,而保壓壓力對最終制品中的殘余GF長度影響較小。
     ★使用注射成型工藝可以制備GF呈取向結構的制品,當纖維取向與應力方向相同時,材料的拉伸彈性模量最大,而斷裂伸長率最小;當纖維取向與應力方向垂直時,材料的拉伸彈性模量最小,而斷裂伸長率最大。
     促使GF在PA6樹脂中均勻分散是保證GF增強PA6材料性能優異的第一要素;在此基礎上,盡可能保持GF的長度與結構完整是進一步改善GF增強PA6材料性能的重要因素。GF與PA6樹脂的混合過程中,設備選擇與各工藝參數的確定需要綜合考慮產率–GF分散狀態–GF結構保持等三方面因素,根據具體要求選擇相應參數;而GF增強PA6材料加工成型過程中,則需要在保證成型完整的情況下,盡可能減少對GF結構的破壞。此外,在加工成型過程中實現GF取向就能夠制備單一方向上性能極為突出的各項異性制品。 

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