铁氧体粉体共混法制备磁性聚酰胺12的研究

杨晓冬，Ricardo-Luiz Willemann，王依民，范 珩

(1.赢创特种化学(上海)有限公司，上海 201108;2.东华大学，上海 201620)

磁性聚合物是指在聚合物中添加磁粉及其他助剂，均匀混合后加工而成的一种功能性复合材料。磁性聚合物具有磁性和良好的加工性能，因而在许多领域有广泛的应用，如医学诊断学领域、吸波材料、光纤传感技术、光导功能材料、磁分离技术等方面［1－2］。

铁氧体是一种具有铁磁性的金属氧化物，最常用的有Ba铁氧体和Sr铁氧体，它们具有良好的化学稳定性，密度小，磁特性适当。以铁氧体为填料，应用于聚合物中，可制成磁性聚合物［3－4］。

PA12的学名为聚十二内酰胺，又称尼龙12，聚合原料为丁二烯。PA12具有较好的电气绝缘性、不会因潮湿影响绝缘性能，同时具有较好的抗冲击性、化学稳定性。可用于水量表，电缆套，机械凸轮，滑动机构，光伏背板以及轴承等［5－6］。

研究将铁氧体与PA12经过双螺杆挤出机，以不同比例进行共混，研究不同比例的磁性填料对共混物机械性能和磁性能的变化。

1 实验部分

1.1 原料

锶铁氧体，分子式为 SrFe12O19，Tridelta GmbH公司生产。表1中列出了此磁性填料的主要化学性能、物理性能和磁性特性。

PA12，EMS Chemie AG公司生产，牌号为Grilamid L 16LM，材料基本性能见表2。

1.2 试验仪器

双螺杆挤出机，螺杆直径34 mm，L/D为30。

注塑机，Arburg公司的270C型，螺杆直径25 mm，L/D 为20。

表1 铁氧体磁性填料的基本参数

表2 P A12的基本性能

1.3 性能测试

DSC分析:采用TA公司的DSC Q2000型，升温速率为10℃/min。

拉伸应力与应变:采用Zwick公司的万能材料试验机Zwick Z050。测量拉伸强度和断裂伸长率的速度为10 mm/min，测量模量的速度为1 mm/min。

冲击性能:采用 Zwick公司的 Zwick HIT5.5P型摆锤式冲击试验机。

DMTA测试:采用Rheometric Scientific公司生产的DTMA Mark IV仪器，使用三点弯曲的测试方式，频率为1 Hz，加热速率为2℃/min。

磁场强度:采用Projekt Elektronik GmbH公司的数字式特斯拉计，外加磁场强度为1 000 mT。

1.4 样品制备

干燥:将聚合物PA12于60℃干燥10 h，然后升温至80℃干燥2～3 h，最后升温至140℃干燥2 h，去除水分。

共混:双螺杆进料口配置两台计量称，分别称量PA12和铁氧体，同时从进料口投入，制备填料体积比从0.2 至0.55(质量比1.02 至2.82)的磁性聚合物。双螺杆挤出机每根螺杆均配备了一个长度为7.5 mm的捏合区，以便在共混过程中提高共混效率。第一段为60℃，第二段为150℃，其余各段均为240℃。机头为直径3 mm的单孔。水冷条件为室温冷却水，切粒长度3 mm。表3为共混的主要参数。

表3 材料的共混参数

测试样条的注塑温度为250℃，模温为60℃。样品注塑前在80℃下干燥16 h。

2 结果与讨论

2.1 DSC 测试

图1和图2为共混物的DSC结果。共混物在173℃时均出现一个小峰，因为铁氧体的添加，对链段的结晶起了阻碍作用，影响了聚合物的结晶。共混物的熔化行为与纯PA12相似，熔点均在180℃附近，结晶温度均在154℃，说明填料量对共混物的熔点和结晶温度未产生明显影响。

图1 不同填料浓度对共混物熔融行为的影响

2.2 拉伸应力与应变

图3和图4为不同填料浓度和测试温度下共混物的机械性能。

常温测试时，随着磁性填料浓度的增加，模量增加，从1 000 MPa增加到9 000 MPa，这是因为填料的刚性较大，增加了共聚物的刚性，使模量增加;同时断裂伸长率逐渐降低，从15%降低到5%。

相同填料比下，测试温度越低，模量越低;而随着测试温度的降低，断裂伸长率变高。在高温时，最高可以达到大约33%。这是因为温度越高，分子链越容易运动，所以伸长率较高;而在低温下，运动则相对困难，所以模量较高。

图2 不同填料浓度对共混物结晶性的影响

图3 不同填料浓度与测试温度对共混物拉伸模量的影响

图4 不同填料浓度与测试温度对共混物断裂伸长率的影响

2.3 冲击性能

图5为不同填料浓度和测试温度对共混物冲击强度的影响。值得注意的是，在填料体积比为0.3和0.4 时(质量比为1.54 和2.05)，PA12 的玻璃化转变温度所带来的影响。在稍高于玻璃化温度时，冲击强度相对较高，可达到90 kJ/m2，因为分子链较易运动。在填料体积比为0.3时(质量比为1.54)，所得到的冲击性能相对较好，此时聚合物所占的比例相对较大。

图5 不同填料浓度与测试温度对共混物冲击强度的影响

2.4 DMTA 测试

图6和7为不同填料浓度下，储能模量和损耗模量的变化趋势。随着填料浓度的增加，储能模量和损耗模量都同时增加。对于玻璃化转变温度来说没有明显的改变。

图6 不同填料浓度与测试温度对共混物储能模量的影响

2.5 磁场强度

图8为不同填料浓度下，磁场强度的变化趋势。

当填料体积比小于0.55时(质量比2.82)，磁场强度随着填料的增加而增加。这可能是由于填料体积比相对较少时，在外加磁场下，有足够的空间使铁氧体进行重排。而当填料体积比大于0.55(质量比2.82)时，磁场强度显示出平缓的趋势。这可能是由于填料体积比增大，从而较少了铁氧体重排的空间。

图7 不同填料浓度与测试温度对共混物损耗模量的影响

图8 不同填料浓度对共混物磁场强度的影响

3 结论

a)随着填料量的变化，共混物的结晶温度和熔点并无明显的变化。

b)随着填料量的增加，共混物的拉伸模量增加，常温时，从1 000 MPa增加到9 000 MPa。

c)随着填料量的增加，储能模量和损耗模量均逐渐增加。

d)随着填料量的增加，断裂伸长率和冲击强度均逐渐减小。在填料体积比为0.3时(质量比为1.54)，所得到的冲击性能相对较好;在高温时，断裂伸长率最高可以达到约33%。

e)随着填料量的增加，磁场强度增加，在体积比为0.55(质量比2.82)时达到最高。

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