均匀设计法在POE/POE-g-MAH 增韧PA6研究中的应用

陈 坤,郑梯和,曹 喆

(株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007)

0 前言

PA 6具有力学性能好、电气性能佳、耐磨、耐油、耐弱酸碱等一系列优异性能,是一种应用广泛的工程塑料[1]。但是PA 6在干态和低温时冲击强度较低,表现出明显的缺口敏感性,这使得它不能满足当前高科技对材料高性能的要求,也引发人们对其进行增韧改性的关注[2]。使用POE增韧PA 6是当前常用的增韧方法,虽然有一定的研究基础[3],但是均是使用常用的单因素变量法进行研究。当因素的数目和水平数较多时,使用单因素变量试验法常常会得到错误的结论,不能够达到预期目的[4]。

均匀设计法[3]是我国著名的数学家方开泰和王元合作首创的试验设计法,已在国防、科技、工业、农业等领域有了成效显著的应用[5]。和正交试验相比,均匀试验设计具有试验次数少,优化效果明显,便于实施等优点[6]。

本文旨在运用均匀设计方法研究 POE/POE-g-MA H对 PA 6冲击强度的影响,力求较全面了解不同配比的POE/POE-g-MA H对PA 6的增韧效果。

1 实验部分

1.1 主要原料

PA 6,YH700,岳阳石油化工总厂;

POE-g-MA H,接枝率1.2%,佛山市南海柏晨高分子新材料有限公司;

POE,9071,美国埃克森美孚公司;

其他助剂,市售。

1.2 主要设备及仪器

双螺杆挤出机,FY-35,南京富亚橡塑机械制造有限公司;

注塑机,WG-80,无锡格兰机械集团有限公司;

冲击试验机,XJC-2225,承德精密实验机有限公司。

1.3 样品制备

将PA 6在110℃干燥箱中干燥4 h,然后和 POE-g-MA H,POE按比例混合均匀后用双螺杆挤出机挤出造粒,将上述粒料在100～110℃下鼓风干燥4～8 h,用注塑机注塑成标准试样用于性能测试。

1.4 性能测试与结构表征

按GB/T 1843—2008测试材料的悬臂梁缺口冲击性能,用缺口制样机r=0.1 mm的铣刀制得“V”形缺口,缺口深度为2 mm,摆锤为22 J。

2 结果与讨论

2.1 均匀设计实验方案和结果

试验设计是研究有关试验的设计理论方法,以概率论、数理统计和线性代数等为理论基础,科学地安排试验方案,正确地分析试验结果,尽快地获得优化方案的一种数学方法。试验设计的目的是为了获得试验条件与试验结果之间规律性的认识。目前试验设计在化工、食品、材料工业领域中,常采用有约束的配方均匀设计理论,其基本思路如下:

设在一配方中有S个成分X1,X2……XS,他们有约束条件如下:

当某个因子Xi没有约束时,相应的ai=0,bi=100。

在本实验中根据材料的可加工性分别设定条件如式(3)、(4)、(5)、(6)所示:

式中X1——POE-g-MA H含量,%

设计过程中根据均匀性好坏和可实施性决定采用U17＊(175)均匀设计表进行有约束变量的均匀实验设计筛选,实验配方及测试结果如表1示。

表1 实验安排及结果Tab.1 Experimental arrangement and results

2.2 各因数影响分析

回归分析法是均匀设计分析数据的基础[3]。有了表1的基本数据便可进行回归分析。使用Matlab对表1中的数据进行回归分析,得出回归方程,如式(7)所示。

式中Z——PA 6的缺口冲击强度,kJ/m2

回归模型式(7)的复相关系数R2为99.8%(R2越接近1,则模型贡献越大)[7];查F检验的临界表知F=232.7＞F0.005(10,2)=199.4,所以式 (7)在α=0.005下显著。

对式(7)作曲面图得到图1的结果。由图1可以看出,当POE-g-MA H含量为7%时,随着 POE含量的增加,PA 6的冲击强度迅速增加;当 POE含量为18%时,PA 6的冲击强度最大达到87.5 kJ/m2。

2.3 实验验证

图1 POE/POE-g-MAH增韧PA 6的缺口冲击强度Fig.1 The notched impact strength ofPOE/POE-g-MAH toughened PA 6

通过上述实验及数据分析得出在考察区间内各个考察因素与考察指标之间的关系,现对均匀设计得出回归方程进行验证。表2是试验证实结果和方程预测结果,从表2可以看出,当 POE-g-MAH含量为7%时,PA 6的冲击强度随着 POE含量的增加而增加;当POE含量达到 18%时,PA 6的冲击强度达到86.8 kJ/m2;进一步增加 POE的含量,PA 6的冲击强度有所降低,这与试验模型的预测是一致的。同时从表2可以看出,实际和预测结果相对误差较小,从验证试验进一步证明了均匀试验设计POE/POE-g-MAH增韧PA 6的冲击强度的模型的可靠性。

表2 实验结果和方程预测结果Tab.2 Test and equation predicted results

3 结论

(1)通过均匀设计得到的POE/POE-g-MAH协效增韧PA 6的数学模型是可靠的;

(2)当POE-g-MA H含量为7%时,随着 POE含量的增加,PA 6的冲击强度迅速增加;当 POE含量达到18%时,增韧 PA 6的冲击强度最高达到86.8 kJ/m2;

(3)与正交试验相比,均匀试验的效率较高,可实施性较好。

[1] 张 坚,辛集忠,郑海忠,等.选区激光烧结中能量密度对尼龙制品性能影响的研究[J].塑料,2008,37(3):39-40.

[2] 付 瑶,金日光.尼龙6合金的超韧新材料[J].化工新型材料,1999,(7):23-34.

[3] 宋 波,杨 丹,黄 锐,等.尼龙 6/POE/POE-MAH 形态与性能研究[J].塑胶工业,2003,(9):10-13.

[4] 方开泰.均匀设计与均匀设计表[M].北京:科学出版社,1994:10-11.

[5] 姚钟尧.回归分析法在均匀设计数据分析中的地位[J].特种橡胶制品,1998,(2):35-41.

[6] 寇林元,凌建春.正交试验与均匀试验优化效果比较[J].中国卫生统计,2009,26(2):139-142.

[7] 王彩红,洪 升,钱志军,等.均匀设计在低熔点尼龙6制备中的应用[J].塑料,2009,38(6):53-56.