硫酸鈣晶須短玻纖協(xié)同增強(qiáng)尼龍6復(fù)合材料的力學(xué)性能*

曾斌，李海鵬，劉書萌，付里才

(廣東高怡新工程塑料有限公司，廣東順德528306)

眾所周知尼龍6用玻纖增強(qiáng)后，其力學(xué)性能、熱性能和尺寸穩(wěn)定性大幅提高，材料成本也明顯降低［1－2］。硫酸鈣晶須是以石膏為原料，通過人為控制，以單晶形式生長，具有均勻橫截面、完整外形、完善內(nèi)部結(jié)構(gòu)的纖維狀單晶體。硫酸鈣晶須具有高強(qiáng)度、高模量、高耐磨性、高絕緣性、耐腐蝕而且價(jià)廉等特點(diǎn)，其價(jià)格僅為碳化硅等晶須的1/200～1/300，是一種新型塑料增強(qiáng)劑［3－4］。目前有關(guān)硫酸鈣晶須增強(qiáng)尼龍6材料性能已有報(bào)道［5］，但是硫酸鈣晶須與玻纖協(xié)同增強(qiáng)尼龍6的研究國內(nèi)鮮有報(bào)道。筆者用玻纖為主增強(qiáng)劑輔以硫酸鈣晶須，研究了晶須含量、晶須品種、不同加料方式等因素對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

尼龍6:臺灣集盛4208型;短切玻璃纖維:重慶國際ECS303A型;硫酸鈣晶須:鄭州博利凱，L002和L003兩種型號，其中L002經(jīng)表面處理，L003未經(jīng)表面處理;潤滑劑，抗氧劑等助劑均來自市售。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1增強(qiáng)尼龍6材料的制備

首先尼龍6在110℃干燥3至4小時(shí)。方式一:將設(shè)計(jì)配方中除短玻纖和硫酸鈣晶須外的其他組分加入高速混合機(jī)中混合均勻。從南京寶銘橡塑機(jī)械廠的TE－35型雙螺桿擠出機(jī)的主加料口加入經(jīng)高速混合攪拌后的物料，采用自行研發(fā)側(cè)向喂料裝置將短玻纖和硫酸鈣在雙螺桿擠出機(jī)的第二加料口計(jì)量加入，控制擠出溫度在230℃～250℃之間，確保各組分在擠出過程中充分混合均勻，然后經(jīng)過水冷切粒，得到硫酸鈣晶須和玻纖共同增強(qiáng)尼龍6復(fù)合材料樣品。方式二:將短玻纖、硫酸鈣晶須、潤滑劑、抗氧劑和尼龍6在高速混合機(jī)中混合均勻后，從雙螺桿擠出機(jī)主加料口將所有物料擠出，擠出過程溫度控制在230℃～250℃之間，同樣經(jīng)水冷切粒得到樣品。

1.2.2性能測試

所有試樣在110℃干燥4小時(shí)后經(jīng)注塑機(jī)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制得樣條。拉伸和彎曲實(shí)驗(yàn)采用美特斯公司CMT6104型微機(jī)控制電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，分別按照GB/T1040－2006和GB/T9341－2008進(jìn)行操作。簡支梁缺口沖擊用美特斯公司ZBC－1400－1型擺錘式簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)測試，按照GB/T1043－2008操作。懸臂梁缺口沖擊用美特斯公司ZBC－1400－1型擺錘式懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)測試，按照GB/T1843－2008操作。

2 結(jié)果與討論

2.1 晶須含量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

采用制備方式一，保持短玻纖和硫酸鈣晶須總含量30%不變，將L002型晶須加入量從5%至25%變化，觀察其對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

圖1和圖2顯示，在硫酸鈣晶須加入量不超過10%情況下，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量均比不加硫酸鈣晶須明顯提高，斷裂伸長率則變化不明顯，當(dāng)晶須含量達(dá)到10%時(shí)，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別達(dá)到149MPa、200MPa和7300MPa，比30%短玻纖增強(qiáng)尼龍6提高了8.7%、7.5%和8%，顯示了良好的協(xié)同效應(yīng)。這是因?yàn)榱蛩徕}晶須體積比玻纖要小得多(晶須外表為粉末狀)，少量硫酸鈣晶須加入時(shí)分布于玻纖之間縫隙中，和玻纖一起構(gòu)成增強(qiáng)骨架。當(dāng)復(fù)合材料受外界應(yīng)力作用時(shí)，應(yīng)力通過尼龍基體傳遞到玻纖上，玻纖承受了外來大部分應(yīng)力，可是當(dāng)玻纖之間存在有硫酸鈣晶須時(shí)，當(dāng)裂紋繞過或折斷晶須都會延長裂紋路徑，從而加大斷裂能量吸收，使硫酸鈣晶須和玻纖發(fā)生協(xié)同效應(yīng)。

圖1和圖2還顯示，硫酸鈣晶須含量繼續(xù)加大時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量均急劇下降，這是因?yàn)榫ы氃谀猃埢w中的長度比玻纖要短得多，其增強(qiáng)效果遠(yuǎn)不如玻纖。因此增大晶須含量復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量會明顯損失。

圖1 硫酸鈣晶須含量對尼龍6復(fù)合材料拉伸性能的影響Fig.1 Influence of calcium sulphate whiskers usage on tensile properties of nylon-6 composite

圖2 硫酸鈣晶須含量對尼龍6復(fù)合材料彎曲性能的影響Fig.2 Influence of calcium sulphate whiskers usage on bending properties of nylon-6 composite

從圖3可以看出，硫酸鈣晶須加入總體而言對復(fù)合材料沖擊性能有不利影響，隨晶須加入量增大沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢。這是因?yàn)橐环矫婢ы氶L度比玻纖短得多，其增強(qiáng)增韌效果比不上玻纖，另一方面，晶須加入量超過一定范圍時(shí)可能發(fā)生團(tuán)聚，其與尼龍基體界面粘接出現(xiàn)問題［6］，最終導(dǎo)致復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的下降。

圖3 硫酸鈣晶須含量對尼龍6復(fù)合材料沖擊性能的影響Fig.3 Influence of calcium sulphate whiskers usage on impact properties of nylon-6 composite

2.2 不同型號晶須對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

仍然采用制備方式一，固定晶須含量10%、短玻纖含量20%不變，不同型號晶須對復(fù)合材料力學(xué)性能影響如表1所示。

表1 不同型號硫酸鈣晶須短玻纖增強(qiáng)尼龍6復(fù)合材料力學(xué)性能Tab.1Mechanical properties of nylon 6 composites modified by short glass fiber and calcium sulphate whiskers with different types

從表1可以看出，L002型晶須與短玻纖復(fù)配增強(qiáng)尼龍6材料綜合力學(xué)性能要明顯好于L003與短玻纖的復(fù)配。L002型晶須是經(jīng)過表面處理的，而L003型未經(jīng)表面處理，很顯然，表面處理后的晶須與尼龍基體結(jié)合力加強(qiáng)了，二者界面粘結(jié)強(qiáng)度的改善有利于應(yīng)力的傳導(dǎo)，使其力學(xué)性能優(yōu)于未表面處理的晶須。

2.3 不同制備方式對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

固定L002型晶須含量10%、短玻纖含量20%不變，分別采用方式一和方式二制備尼龍6復(fù)合材料，它們力學(xué)性能的差異如表2所示。

表2 不同制備方式所得硫酸鈣晶須短玻纖增強(qiáng)尼龍6復(fù)合材料力學(xué)性能Tab.2Mechanical properties of nylon 6 composites modified by short glass fiber and calcium sulphate whiskers from different ways

表2數(shù)據(jù)顯示，采用側(cè)向加入短玻纖和晶須的方式制備得到的尼龍6復(fù)合材料力學(xué)性能遠(yuǎn)好于主料口加入方式，這是因?yàn)槿绻＠w和晶須從主料口加入，在擠出過程中全程經(jīng)螺桿的強(qiáng)烈剪切，它們最終長度肯定比側(cè)向加料方式短，這樣一來降低了玻纖和晶須長徑比［7］，從而使主料口加入方式制備的復(fù)合材料力學(xué)性能較側(cè)向加料方式大幅下降。

3 結(jié)論

(1)在硫酸鈣晶須含量不超過10%情況下，晶須與短玻纖有協(xié)同增強(qiáng)作用，當(dāng)晶須含量10%、短玻纖含量20%時(shí)，它們共同增強(qiáng)尼龍6復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別比30%短玻纖增強(qiáng)尼龍6提高8.7%、7.5%和8%，但是沖擊性能有所下降。

(2)相同晶須含量下，經(jīng)過表面處理后的晶須與短玻纖復(fù)配所得增強(qiáng)尼龍6材料力學(xué)性能明顯優(yōu)于未經(jīng)表面處理的晶須與短玻纖復(fù)配體系。

(3)采用側(cè)向加入短玻纖和晶須的方式制備得到的尼龍6復(fù)合材料力學(xué)性能要遠(yuǎn)好于主料口加入方式。

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