高强度低翘曲PA66复合材料的研究

何勇，彭珂，曾庆文，周建刚

(重庆国际复合材料有限公司，重庆400082)

高强度低翘曲PA66复合材料的研究

何勇，彭珂，曾庆文，周建刚

(重庆国际复合材料有限公司，重庆400082)

采用质量分数30%的玻璃微珠、云母粉、磨碎玻纤、常规玻纤、扁平玻纤填充改性PA66塑料，对材料的力学性能、熔融指数、翘曲变形量等进行了研究，同时对PA66塑料横断面的显微形貌进行了SEM分析。试验结果表明：扁平玻纤增强的PA66塑料具有最高的强度和最低的翘曲变形量。SEM分析表明：除了在注塑流动方向上的纤维取向，扁平纤维矩形的横截面还在垂直于流动的方向上发生了规则的取向。

高强度；低翘曲；PA66；填料；扁平玻纤

0 前言

PA66树脂是一种半结晶树脂，具有非常优异的机械性能、耐化学腐蚀性能，经过改性的PA66复合材料是一种非常理想的工程塑料，广泛应用于汽车、电子、机械等领域。但是由于PA66树脂的加工收缩率大、吸湿性较高等缺陷，使其成为生产加工过程中最容易产生翘曲缺陷的工程塑料之一，进而制约了PA66复合材料在某些场合的应用。

复合材料产生翘曲缺陷的主要原因是由于复合材料在注塑加工过程中，在熔体流动方向和垂直于流动方向的收缩率存在较大的差异。对于未填充的树脂而言，制品的收缩主要发生于流动方向上；对于纤维填充的复合材料而言，由于纤维会沿着流动方向取向排列，造成垂直于流动方向的收缩显著大于流动方向[1]，进而产生翘曲缺陷。针对这种不同方向上收缩率的差异，目前主要可以从模具结构设计、填料选择、冷却方式、保压方式、模具及熔体温度[2-3]等方面进行改善。当从填料着手解决翘曲时，一般的做法是向树脂中添加玻璃微珠[4]、云母粉[5]、磨碎纤维[6]，或是其他矿物填料[7-8]，但这类填料往往在改善制品翘曲的同时会在较大程度上影响制品的力学性能。本文将通过研究不同填料对PA66复合材料力学性能与翘曲的影响，为大家提供一种有效解决制品翘曲，同时保持制品高强度的解决方案。

1 试验原料、设备

1.1 试验原料

PA66树脂，DUPONT公司；

A1100硅烷偶联剂，Momentive公司；

1250型空心玻璃微珠，上海汇精亚纳米新材料有限公司，使用前添加质量分数1.5%的A1100进行改性；

600目云母粉，市售，使用前添加质量分数1.5%的A1100进行改性；

磨碎玻璃纤维EMG200，纤维直径13 μm，重庆国际复合材料有限公司；

常规玻璃纤维ECS301HP，纤维直径10 μm，重庆国际复合材料有限公司；

扁平玻璃纤维ECS301HP-3-M4，横截面长约28 μm，宽约7 μm，重庆国际复合材料有限公司。

1.2 试验设备

SHR-100型高速混合机，张家港市亿利机械有限公司；

TE-50型同向双螺杆挤出机，中国江苏(南京)科亚公司；

EM120-SVP/2型塑料注射成型机；

5982型电子式万能材料试验机，INSTRON公司；

XJC-220型冲击试验机，承德精密试验机有限公司；

RL-Z1B1型溶体流动速率仪，上海思尔达科学仪器有限公司；

TESCAN VEGA3型扫描电子显微镜，TESCAN公司。

2 试验结果和讨论

2.1 不同填料对PA66复合材料力学性能的影响

图1至图6为质量分数30%的不同填料对PA66复合材料性能的影响，文中的熔融指数是指在2.16 kg载荷，275 ℃温度下，熔体10 min内通过标准模孔被挤出的质量，单位为g/10 min。

由图1至图3可以看出，玻璃微珠填充改性的PA66复合材料力学性能最差，扁平玻纤增强的PA66复合材料力学性能最好，特别是其缺口冲击强度具有显著的优势(图4)。造成这种结果的原因，主要是由于填料在PA66复合材料中具有不同保留长度，保留长度越长，其增强的PA66复合材料力学性能越好(图6)。

从图5的熔融指数来看，玻璃微珠增强PA66复合材料的熔融指数最好，云母粉和磨碎纤维的熔融指数稍好于纯PA66树脂，而常规玻纤和扁平的熔融指数均差于纯PA66树脂，这是因为长径比或保留长度越长，熔融指数会越低，此外熔融指数还与其表面的处理剂有关，常规纤维和异形纤维表面涂覆的表面处理剂使其与PA66塑料具有更强的界面结合性，进而导致了熔融指数的降低。由图5可以发现，扁平玻纤增强PA66复合材料的熔融指数要比常规玻纤高31%，其原因在于扁平玻纤的横截面类似于云母粉，为矩形结构，这种结构会导致扁平纤维在PA66树脂中流动时所受到的流动阻力显著小于常规玻纤的圆形横截面。

2.2 不同填料对PA66复合材料翘曲性能的影响

图7为质量分数30%的不同填料对PA66复合材料翘曲的影响。本文通过测量10块PA66复合材料板的翘曲高度来直观的表征翘曲变形量，采用的塑料板厚度为1 mm，大小为10 cm×10 cm。

由图7可以看出，常规玻纤增强的PA66复合材料具有最大的翘曲变形量，此外磨碎纤维的翘曲变形量也较大，这是由于这两种纤维在熔体流动方向会发生纤维取向，但是在垂直于流动方向上却不具有取向纤维，因此两个方向的收缩率差异较大。对于磨碎纤维来说，其纤维保留长度更小，因而两个方向收缩率差异更小，翘曲也比常规纤维小。玻璃微珠和云母粉填充的PA66复合材料的翘曲变形量较小，这是由于玻璃微珠在PA66复合材料中各向同性，而云母粉除了在流动方向上具有长宽比外，在垂直于流动方向上还具有厚径比。由图7可以发现，扁平玻纤增强的PA66复合材料翘曲变形量最低，综合图8(质量分数30%的不同填料改性的PA66复合材料横截面(垂直于流动方向)的SEM图)可以发现，扁平玻纤具有类似于云母粉的横截面结构，但是扁平玻纤横截面的宽度比云母粉更大，因而其两个方向上的收缩率差异最小。

从图8可以看出，在PA66复合材料中，玻璃微珠分散均匀，在PA66复合材料横截面上的形貌为圆球形。磨碎纤维和常规纤维在PA66复合材料横截面上为圆形结构，说明其在垂直于流动方向上基本没有取向纤维。云母粉在垂直于流动方向上发生了规则的取向，可以发现取向来自于云母粉颗粒的横截面，但其尺寸不均匀。扁平玻纤的横截面与云母粉类似，为具有一定宽度的条形结构，可以发现其在PA66复合材料垂直于流动方向上同样发生了非常规则的取向，且取向基本来自于扁平玻纤的横截面，取向均匀度也远好于云母粉。

3 结论

以玻璃微珠，云母粉，磨碎纤维，常规玻纤，扁平玻纤为填充增强材料制备的PA66复合材料具有如下结论：

(1) 玻璃微珠对PA66复合材料强度的改善非常有限，但是具有非常优异的熔融指数，因此不适用于强度要求较高的场合。

(2) 磨碎纤维具有一定的增强作用，其增强的PA66复合材料强度高于玻璃微珠和云母粉，但不及常规纤维和扁平纤维；其翘曲变形量也相对较低，可以用于对力学强度和翘曲变形量要求不高的场合使用。

(3) 扁平纤维增强的PA66复合材料具有最低的翘曲变形量和优异的力学性能，特别是其缺口冲击强度，因而扁平纤维非常适用于薄壁成型塑料制品或对力学强度要求较高的场合。

(4) 扁平纤维增强的PA66复合材料，除流动方向上的纤维取向以外，在垂直于流动方向上也发生了规则取向。

[1]刘广华，周滨，卜继玲，等.玻璃纤维增强PA66厚壁注塑件翘曲变形研究[J].工程塑料应用，40(1)：43-46.

[2]杨风霞，王爱荣，许光日，等.工艺参数对ABS、PP注塑件翘曲变形影响的对比研究[J].塑料工业，2008，36(3)：43.

[3]郭峰霞，朴贤德，谢鹏程.非均匀壁厚塑件的充填不平衡现象[J].塑料，2013，42(3)：69-72.

[4]杨伟，单桂，魏士鹏，等.玻璃微珠填充改性PA6的研究[J].中国塑料，2005，19(1)：22-26.

[5]兰黄鲜.云母粉在高分子材料改性中的研究进展[J].当代化工，2011，40(2)：177-179.

[6]孙向东，张时魁，张慧波.磨碎玻璃纤维/MC尼龙复合材料的研制[J].宁波职业技术学院学报，2004，8(3)：87-89.

[7]刘英俊.碳酸钙在塑料中应用进展[J].无机盐工业，2008，40(3)：11-13.

[8]赵文聘，黄平，黄海清，等.滑石粉在塑料改性中的作用与效果[J].中国非金属矿工业导刊，2006(2)：17-18.

The Research of High Strength and Low Warpage PA66 Composite

He Yong，Peng Ke，Zeng Qingwen，Zhou Jiangang

(Chongqing Polycomp International Corporation，Chongqing 400082)

Glass beads，mica powder，milled glass fiber，conventional glass fiber and flat glass fiber at a content of 30%respectively were used to produce PA66 composite.The mechanical property，melt index and warpage behavior of PA66 composite were studied，and the microscopic morphology of its cross section was analyzed by SEM.The test results showed that PA66 composite reinforced with flat glass fiber exhibited the highest mechanical strength and the lowest warpage.The SEM analysis revealed that in addition to the fiber orientation in the flow direction of injection molding，the rectangular cross section of flat glass fiber also showed orientation in the transverse direction.

high strength；low warpage；PA66；filler；flat fiberglass

2016-09-06

何勇，男，1986年生，工程师。主要从事玻璃微纤维及其制品的开发和生产方面的研究。

TQ171.77+7.7

A

修回日期：2016-09-18