白炭黑在改善玻纖增強(qiáng)PA66材料流動(dòng)性能中的應(yīng)用

許 寧，楊樹娥，王 丹，馬勤清，秦麗華，李 健

(天津長(zhǎng)蘆海晶集團(tuán)，天津 300450)

PA66的粘性較低，流動(dòng)性好，可以用來(lái)加工薄壁元件。同PA6相比，PA66更廣泛地應(yīng)用于汽車工業(yè)、儀器殼體以及其它需要有抗沖擊性和高強(qiáng)度要求的產(chǎn)品，如汽車后視鏡支架、風(fēng)機(jī)葉片、節(jié)溫器水閥等[1-2]。然而為了提高產(chǎn)品強(qiáng)度，PA66往往需要采用玻纖增強(qiáng)，玻纖的加入一方面提高了產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度，另一方面也大大降低了其流動(dòng)性能，在注塑時(shí)造成模具填充不滿的短射現(xiàn)象，極大影響了產(chǎn)品質(zhì)量[3]。

針對(duì)這種情況，項(xiàng)目通過(guò)在配方中添加一種納米粒子作為流動(dòng)改性劑，以解決實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中尤其是在高玻纖含量PA66材料的情況下注塑的短射現(xiàn)象，在保持材料原有機(jī)械性能的同時(shí)，大幅提升其流動(dòng)性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料與設(shè)備

原料：PA66 EP158，華峰集團(tuán)有限公司生產(chǎn)；長(zhǎng)玻纖(LGF)，泰山玻璃纖維有限公司；白炭黑(納米級(jí)) 杜邦R350；其他助劑。

設(shè)備：SHJ-35型雙螺桿擠出機(jī)，南京歐力；SA600注塑機(jī)，海天塑機(jī)；真空干燥箱，上海一恒；萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、缺口制樣機(jī)、簡(jiǎn)支梁試驗(yàn)機(jī)，美斯特；熔融指數(shù)儀，上海思爾達(dá)有限公司。

2.2 試驗(yàn)方法

將PA66顆粒、白炭黑與助劑在高速混合機(jī)中均和均勻后，加到雙螺桿擠出機(jī)的喂料口，長(zhǎng)玻纖從第一排氣口加入，物料在雙螺桿擠出機(jī)中熔融、擠出、造粒，注塑樣條后進(jìn)行相關(guān)性能檢測(cè)。試驗(yàn)流程如圖1。

圖1 試驗(yàn)流程Fig.1 Experiment flow chart

雙螺桿擠出機(jī)的實(shí)驗(yàn)條件：加熱區(qū)T1～T10溫度分布在255 ℃～270 ℃，主機(jī)轉(zhuǎn)速200 r/min～500 r/min。注塑機(jī)注塑條件如表1。

表1 注塑機(jī)注塑條件Tab.1 Injection conditions of injection machine

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 流動(dòng)改性劑的選擇

分別考察白炭黑、硅酮粉、硬脂酸鈣三種助劑的流動(dòng)改性效果，分別將其以2%的添加量與PA66、抗氧化劑、玻纖等在雙螺桿擠出機(jī)中進(jìn)行熔融共混改性。相關(guān)性能檢測(cè)結(jié)果如表2。

表2 不同流動(dòng)改性劑對(duì)改性材料性能的影響Tab.2 The influence of different kinds of flow modifier on the properties of modified materials

從表2可以看出，在2%的添加量下，三種添加劑對(duì)改性后材料的力學(xué)性能影響有所不同，但各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均可達(dá)到一般工程材料的要求。對(duì)于流動(dòng)性能來(lái)說(shuō)，白炭黑作為流動(dòng)改性劑的復(fù)合材料熔體流動(dòng)速率最高，達(dá)52.36 g/10 min。因此，白炭黑是一種優(yōu)良的流動(dòng)改性劑，研究進(jìn)一步對(duì)白炭黑的添加量進(jìn)行考察。

2.2 白炭黑添加量對(duì)改性PA66材料流動(dòng)性能的影響

雙螺桿擠出機(jī)實(shí)驗(yàn)條件一定，考察不同白炭黑添加量對(duì)PA66復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。如圖2所示，隨著白炭黑含量的增加，熔融流動(dòng)速率逐漸升高，當(dāng)白炭黑添加量為3%時(shí)，熔體流動(dòng)速率達(dá)到最高63.81 g/10 min，之后隨著白炭黑含量的增加,熔體流動(dòng)速率呈降低的趨勢(shì)。

圖2 白炭黑添加量對(duì)改性材料熔體流動(dòng)速率的影響Fig.2 The influence of carbon-white content on themelt flow rate of modified materials

白炭黑作為一種納米級(jí)尺度顆粒，具有巨大的比表面積。將其分散于PA66基體之后，兩相之間的接觸面積大幅增加，并且在兩相界面處形成一種具有物理和化學(xué)作用的界面層結(jié)構(gòu)[4]。通過(guò)在PA66基體中添加一定比例的白炭黑粒子，所形成的界面層結(jié)構(gòu)一方面降低了PA66分子表面能，一方面有利于應(yīng)力的傳遞與高分子鏈的運(yùn)動(dòng)，納米復(fù)合材料的流動(dòng)性能也會(huì)因此得以提升[5]。

然而，過(guò)多的納米白炭黑顆粒添加到尼龍基體之后極易發(fā)生團(tuán)聚，從而無(wú)法在尼龍基體上實(shí)現(xiàn)真正意義上的納米尺度分散；并且納米白炭黑粒子形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可能會(huì)阻礙高分子鏈的運(yùn)動(dòng)自由度。因此,當(dāng)白炭黑添加量超過(guò)3%時(shí)，復(fù)合材料流動(dòng)性能出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2.3 白炭黑添加量對(duì)改性PA66材料力學(xué)性能的影響

白炭黑的添加不僅會(huì)改變復(fù)合材料的流動(dòng)性能，同時(shí)也會(huì)影響材料的力學(xué)性能。因此需要考察不同白炭黑添加量對(duì)改性后PA66復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 白炭黑添加量對(duì)改性材料力學(xué)性能的影響
Fig.3 The influence of carbon-white content on the mechanical properties of modified materials

如前所述，在一定的白炭黑添加量下，PA66與白炭黑粒子形成界面層結(jié)構(gòu)，可提高大分子的運(yùn)動(dòng)自由度，使分子鏈間潤(rùn)滑性提高。但是，若過(guò)多的白炭黑粒子分散于PA66基體中，硅羥基與PA66極性官能團(tuán)會(huì)發(fā)生鍵合并形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將基體和納米顆粒結(jié)合成一個(gè)有機(jī)整體，使材料力學(xué)性能得以提高的同時(shí)又阻礙了高分子鏈的運(yùn)動(dòng)自由度[6]。

這在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中也得以印證，如圖3所示，在30%玻纖增強(qiáng)PA66復(fù)合材料中，隨著白炭黑添加量的增加，PA66復(fù)合材料的力學(xué)性能大致上均呈現(xiàn)先下降而后緩慢上升的趨勢(shì)。但變化幅度均在材料力學(xué)性能使用范圍內(nèi)，基本不會(huì)對(duì)PA66復(fù)合材料的加工產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

1) 白炭黑是玻纖增強(qiáng)PA66材料的一種良好流動(dòng)改性劑，隨著白炭黑的加入，流動(dòng)性能顯著增加；力學(xué)性能隨著白炭黑含量的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，但變化范圍均在工程材料薄壁元件加工的可接受范圍內(nèi)；

2) 當(dāng)白炭黑含量為3%時(shí)，改性后PA66復(fù)合材料的流動(dòng)性最好，熔體流動(dòng)速率達(dá)63.81 g/10 min。此時(shí)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度137.23 MPa，彎曲強(qiáng)度184.13 MPa，非缺口沖擊強(qiáng)度51.36 kJ/m2，缺口沖擊強(qiáng)度10.27 kJ/m2，產(chǎn)品性能優(yōu)良，能夠較好的滿足薄壁元件注塑加工的要求。