玻纤含量对玻纤增强尼龙66复合材料性能的影响

黄绍军 蒋似梅 梁小良 邱宗群

摘   要： 采用熔融共混和注塑成型工艺制备玻纤（GF）增强尼龙66（PA66）复合材料，研究GF含量对复合材料力学性能和热变形性能的影响，优选出最佳的配比方案。研究表明：当GF含量由0%提高至30%时，复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度分别提高78%、71%、108%和260%，热变形温度提高到220℃;GF含量由30%继续提高时，复合材料性能提高不明显，且浮纤现象加剧，影响产品整体外观。综合考虑实际应用条件和生产成本，30%的GF含量为GF增强PA66复合材料的最佳配比方案。

关键词： 玻纤;尼龙66;复合材料;力学性能;热变形

中图分类号：TQ317.3    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 06-006-04

工业技术创新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.002

引言

尼龙66，又称PA66，学名聚己二酰己二胺，具有较好的韧性，耐有机溶剂，耐强碱，用途广泛[1-2]。但是，纯PA66的力学性能、抗冲击性能、耐热性能较弱，限制了其在汽车零部件等领域的应用。

为拓宽PA66的适用范围，研究者对纯PA66实施了增强改性，其中玻璃纤维（简称玻纤，英文GF）是PA66常用的增强改性材料[3-7]。但极少有研究者针对汽车零部件研究出一种低成本、生产步骤少、可连续生产的GF增强PA66复合材料。

本文将GF、PA66树脂及其他助剂熔融共混，结合注塑成型工艺制备GF增强PA66复合材料，并研究GF含量对复合材料力学性能和耐热性能的影响，从而选出一种最佳的配比，使其适合于应用在汽车零部件中。

1  实验方案设计

1.1  主要加工设备

（1）双螺杆挤出机：型号为ZSK65MC，科倍隆公司;

（2）注塑机：型号为PT80，力劲机械厂有限公司。

1.2  主要检测设备

（1）陶瓷纤维马弗炉：TM-0610P，北京盈安美誠科学仪器有限公司;

（2）微机控制电子万能试验机：CMT4104，美特斯工业系统（中国）有限公司;

（3）摆锤式冲击试验机：ZBC8400-B，美特斯工业系统（中国）有限公司;

（4）微机控制热变形维卡软化点试验机：ZWK1302-B，美特斯工业系统（中国）有限公司。

1.3  主要原料

（1）玻纤（GF）：牌号T911，泰山玻璃纤维有限公司;

（2）尼龙66（PA66）：牌号8018，杜邦公司;

（3）助剂：热稳定剂、抗氧化剂、成核剂等。

1.4  试样制备

将干燥的PA66与其他助剂在高速混合机中混合5 min后，加入挤出机的料斗，在挤出机的侧喂料口加入GF，通过调节挤出机转速和喂料速度来调节GF含量，从而制备出含量为0%、20%、25%、30%、45%、50%的GF增强PA66复合材料，并分别编号为A0、A1、A2、A3、A4、A5。将制备出的不同GF含量的粒料在105℃的条件下烘4 h，然后注塑，即获得各种测试样条。

1.5  性能测试依据

（1）灰分测试：按照GB/T 9345.1-2008[8]进行测试，在700℃下煅烧2 h;

（2）拉伸性能测试：按照GB/T 1040.2-2006[9]进行测试，选取1A型试样，在50 mm标距下，测试速度为10 mm/min;

（3）悬臂梁缺口冲击性能测试：按照GB/T 1843-2008[10]进行测试，A型缺口，摆锤为2.75 J;

（4）热变形性能测试：按照GB/T 1634.2-2004[11]进行测试，平放，升温速率为120℃/h，弯曲应力为1.8 MPa。

2  含量测量对性能影响分析

2.1  GF含量的测定

表1为不同GF含量下GF增强PA66复合材料的灰分结果。从表1可以看出，各试样灰分含量均接近各对应配比中的GF含量，可以认为灰分的含量即是GF的含量。这是因为样品在空气中高温煅烧后，PA66树脂和部分助剂燃烧分解，剩下的灰分就代表GF的含量。同时也能说明，通过调节挤出机转速和喂料速度可以成功制备出特定GF含量的GF增强PA66复合材料。

2.2  GF含量对GF增强PA66复合材料力学性能的影响

图1为不同GF含量对GF增强PA66复合材料拉伸性能的影响。由图1可以看出，GF的加入可显著提高复合材料的拉伸强度。随着GF含量的增加，复合材料的拉伸强度逐渐提高。当GF含量达到30%时，拉伸强度累积增加了78%，这是因为GF通过挤出机的熔融共混挤出后分散在PA66树脂基体中，形成了“骨架”，起到了增强复合材料的作用，当试样受到拉力时，具有高强度的GF承载了部分外力，有效提高了复合材料的拉伸强度。但当GF含量超过30%时，拉伸强度提高不明显，试样表面出现明显的浮纤现象，光洁度差，影响制品外观[12]。

图2为不同GF含量对GF增强PA66复合材料弯曲性能的影响。由图2可以看出，GF的加入可显著提高弯曲性能，随着GF含量的增加，GF增强PA66复合材料的弯曲强度和弯曲模量逐渐提高且趋势明显。当GF含量增加到30%时，弯曲强度和弯曲模量分别累积提高了71%和108%。其原因是高强度的GF纤维，经熔融共混挤出后，分散在PA66树脂基体中，当复合材料受到外力作用时，所受到的负荷会转移到具有高强度和高模量的GF上，从而使得负荷材料的弯曲性能整体提高。GF含量从30%继续增加后，弯曲强度和弯曲模量提高效果不明显。

图3为不同GF含量对GF增强PA66复合材料悬臂梁缺口冲击性能的影响。由图3可以看出，随着GF含量的增加，复合材料的冲击性能逐渐提高，直至GF含量达到30%时，冲击强度累积增加了260%，随后增加趋势放缓。分析认为，当复合材料受到冲击力时，GF的剥离和拔出可承受部分冲击能量，从而使得复合材料的冲击性能提高。但当GF含量超过30%时，其在树脂中分散性差且含量过多，复合材料中的缺陷增多，缺陷的增加抵消了GF带来的增强作用。

2.3  GF含量对GF增强PA66复合材料热变形性能的影响

图4为不同GF含量对GF增强PA66复合材料热变形性能的影响。由图4可以看出，GF的加入可显著提高复合材料的热变形性能，随着GF含量的增加，复合材料的热变形性能逐渐提高。当GF含量达到30%时，复合材料的热变形温度高达220℃。其原因是：微观上，GF限制了分子链段的运动，从而提高了复合材料的熔点;宏观上，具有高模量和耐高温性能的GF沿平行于样条受力表面取向，GF的加入有助于促进PA66基体内部的结晶，整体提高了复合材料的抗变形能力。综上所述，GF的加入可以有效提高GF增强PA66复合材料的热变形性能。

3  讨论与结语

（1）在挤出机的侧喂料口加入GF，并调节挤出机转速和喂料速度，可以连续生产出不同GF含量的GF增强PA66复合材料。但当GF含量超过30%时，复合材料的浮纤现象严重，影响产品整体外观。

（2）相比于纯PA66树脂材料，GF的加入可以有效提高GF增强PA66复合材料的力學性能，并且随着GF含量的增加，复合材料的拉伸性能、弯曲性能、冲击性能、热变形性能都逐渐提高。但当GF含量超过30%时，复合材料力学性能提高不明显。

根据以上结论，再结合实际应用条件和生产成本，认为30%的GF含量为GF增强PA66复合材料的最佳配比。

参考文献

[1] 何小芳， 樊荣荣， 王优， 等. PA66/GF增强复合材料的应用改性研究进展[J]. 中国塑料， 2013， 27（12）： 6-11.

[2] 别明智. 高含量玻纤增强尼龙66的制备及性能研究[J]. 塑料工业， 2014， 42（12）： 111-114.

[3] 张彩霞， 徐秀兵， 王居兰， 等. 玻纤增强尼龙66产品的制备与研究[J]. 广东化工， 2012， 39（15）： 111-112

[4] 牟丹， 袁伟忠， 盛曼， 等. 玻纤增强尼龙66的结晶和力学性能[J]. 塑料， 2012，41（6）： 57-59.

[5] 黄惠龙. 长玻纤增强尼龙66复合材料的研究[D]. 广东： 华南理工大学， 2012.

[6] 储梦飞. 注塑成型玻璃纤维增强PA66复合材料的各向异性力学性能[D]. 上海： 东华大学， 2019.

[7] 叶振兴， 王欧白， 钟绍信， 等. 高性能玻璃纤维增强PA10T/PA66复合材料研究[J]. 塑料工业， 2020， 48（5）： 123-128.

[8] 塑料 灰分的测定 第1部分： 通用方法： GB/T 9345.1-2008[S].

[9] 塑料 拉伸性能的测定 第2部分： 模塑和挤塑塑料的试验条件： GB/T 1040.2-2006[S].

[10] 塑料 悬臂梁冲击强度的测定： GB/T 1843-2008[S].

[11] 塑料 负荷变形温度的测定 第2部分： 塑料、硬橡胶和长纤维增强复合材料： GB/T 1634.2-2004[S].

[12] 江翼， 谭麟， 梁慧强， 等. 玻纤增强尼龙66流动性及表面光洁度的研究[J]. 塑料工业， 2012， 40（10）： 80-83.

作者简介：

黄绍军（1986—），通信作者，男，汉族，广西钦州人，硕士，工程师。研究方向：高分子材料加工及检测。

E-mail： jerryjun415@126.com

（收稿日期：2020-09-25）