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 如何提高玻纤增强尼龙6复合材料的力学性能
发布日期:[2019-6-20]    共阅[202]次
    GF增强PA6
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。
GF增强PA6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。
01
GF含量的影响
 
在影响GF增强PA6复合材料的力学性能的几大因素中,GF含量的影响
最大。从材料内部结构分析,GF量增大后,材料单位面积截面上的
GF数目增多,GF间的PA6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。

02
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。

03
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。

04
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。

01
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。

02
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。

03
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。

04
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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