乒乓球拦网用改性尼龙复合材料的性能研究

（西安医学院，陕西西安 710021）

近代以来，复合材料以其优异的性能被广泛地应用于汽车工业、航空、航天、医疗、化工、机械制造等领域[1]。此外，复合材料还可以用来制造体育运动器件，如碳纤维自行车材质、尼龙乒乓球网、纤维跳高用横杆等，并且可以作为建筑材料应用于建筑领域[2]。

1 实验部分

1.1 实验试剂

硼酸镁晶须，尼龙6，二甲基亚砜，丙酮(分析纯)，偶氮二异丁腈(AIBN)，硼酸酯偶联剂BE-1，自制硼酸酯偶联剂BE-2，自制硼酸酯偶联剂SPE-1，硼酸酯偶联剂SB-181，无水乙醇(分析纯)，甲苯(分析纯)，蒸馏水，自制过氧化苯甲酰(BPO)，无水乙醇(分析纯)[3]。

1.2 实验仪器

JPT-5 托盘天平，FA2104N 电子天平，WQF-520红外光谱仪，TE-20 型双螺杆挤出机，JHP-10 型注塑机，XBJJ 计算机控制摆锤冲击试验机，SCS200 智能切粒机，JSM-7500F 型扫描电子显微镜[4-5]，DHT 搅拌恒温电热套，SHB-III(A)型循环水多用真空泵，ZWK1302-2 型热变形温度测定仪，DZ-1A 型真空干燥箱，KQ-B 超声清洗器，WSM-20KN 微机控制电子万能试验机。

1.3 复合材料性能的测试

1.3.1 拉伸性能测试

采用GB/T 1040-92 进行拉伸性能测试。样品总长度(L)是180mm，中间平行段的长度(L1)是（55±0.5）mm，标距(L0)是（50±0.5）mm，夹具间距离(L3)是（115±5）mm，中间平行段的宽度(b)是（10±0.5）mm，端头厚度(d)是2mm～10mm，宽度(b1)是（20±0.5）mm，所制备的试样如图1 所示[6]。

图1 试样拉伸图Fig.1 The tensile sample diagram

1.3.2 冲击性能测试

图2 冲击试样图Fig.2 The impact sample diagram

采用GB/T 1043-93，做冲击性能测试。所用试样条的尺寸是80mm×10mm×4mm。试样的宽度(b)是板的厚度，厚度是6mm～10mm，所制备的试样如图2 所示[7]。

1.3.3 弯曲性能测试

采用标准GB/T 9341-2000 进行弯曲性能测试。采用三点弯曲法，弯曲规定挠度是3mm，弯曲速度是2mm/min。

1.3.4 热变形温度测试

热变形温度按GB/T 1634.2-2004 进行测试。变形量为1.00mm，升温速率为50℃/h，上限温度＜350℃。

1.3.5 复合材料形貌表征

利用扫描电镜观察材料中硼酸镁晶须和聚合物基体之间的界面结合情况。扫描电镜型号为日本JEOL 公司的JSM-7500F 型扫描电子显微镜[8]，配备EDAX-EDS，工作电压为10kV，工作距离为7mm，分辨率为1nm。

2 结果与讨论

2.1 硼酸镁晶须含量对硼酸镁晶须/尼龙6 复合材料拉伸强度的影响

图3 为硼酸镁晶须含量对尼龙6 复合材料拉伸强度的影响。由图3 可见,随着硼酸镁晶须含量的增加复合材料拉伸强度出现了先增加后降低的趋势，当硼酸镁晶须质量分数约为30% 时,两种偶联剂改性晶须的复合材料的拉伸强度都达到最大值[9]，BE-1 改性的硼酸镁晶须/尼龙6 复合材料拉伸强度比未改性的硼酸镁晶须/尼龙6 复合材料提高了14.47%；BE-2 改性的硼酸镁晶须/尼龙6 复合材料拉伸强度比未改性的硼酸镁晶须/尼龙6复合材料提高了23.37%。

图3 硼酸镁晶须含量对尼龙6 复合材料拉伸强度的影响Fig.3 The effect of magnesium borate whisker content on tensile strength of nylon 6 composites

2.2 硼酸镁晶须含量对硼酸镁晶须/尼龙6 复合材料缺口冲击强度的影响

由图4 可见，随着硼酸镁晶须含量的提高，硼酸镁晶须/尼龙6 复合材料的冲击强度呈下降趋势。这是因为作为分散相的硼酸镁晶须是刚性的，在受到冲击力时无法发生形变，也无法产生银纹来吸收冲击能。由于尼龙6 的韧性效应小于硼酸镁晶须的刚性效应，会导致硼酸镁晶须/尼龙6 复合材料的脆性提高，冲击强度下降[10]。

图4 硼酸镁晶须含量对尼龙6 复合材料冲击强度的影响Fig.4 The effect of magnesium borate whisker content on impact strength of nylon 6 composites

2.3 硼酸镁晶须含量对硼酸镁晶须/尼龙6 复合材料弯曲强度的影响

由图5 可以看出，随着硼酸镁晶须含量的增加复合材料弯曲强度出现了先增加后降低的趋势[11]，当硼酸镁晶须含量为30% 时，BE-1 改性的硼酸镁晶须/尼龙6复合材料弯曲强度比未改性的硼酸镁晶须/尼龙6 复合材料提高了13.72%；BE-2 改性的硼酸镁晶须/尼龙6复合材料弯曲强度比未改性的硼酸镁晶须/尼龙6 复合材料提高了22.54%。

图5 硼酸镁晶须含量对尼龙6 复合材料弯曲强度的影响Fig.5 The effect of magnesium borate whisker content on bending strength of nylon 6 composites

2.4 硼酸镁晶须/尼龙6 复合材料的微观结构分析

由图6 可以看出，在SEM下观察硼酸镁晶须呈棒状结晶，晶体直径50nm～300nm，晶体长度1000nm～7000nm。

图6 硼酸镁晶须的SEM 图Fig.6 The SEM diagram of magnesium borate whisker

图7 硼酸镁晶须的/尼龙6 复合材料的SEM 图(BE-2 改性)Fig.7 The SEM of magnesium borate whisker/nylon 6 composite (BE -2 modified).

图7 为BE-2 改性的硼酸镁晶须/尼龙6 复合材料的SEM 照片(晶须含量为30%)。从图7 中可以看出，硼酸镁晶须在尼龙6 基体中有良好的分散，硼酸镁晶须与尼龙6 界面结合紧密。说明硼酸镁晶须经硼酸酯偶联剂BE-2 处理后能够被尼龙6 基体浸润，使得硼酸镁晶须与尼龙6 基体间有良好的界面层，可以充分发挥硼酸镁晶须的作用，有助于改善硼酸镁晶须/尼龙6 复合材料的性能。

3 结论

随着硼酸镁晶须含量的增加,复合材料的拉伸强度、弯曲强度、热变形温度出现了先增加后降低的趋势，当硼酸镁晶须含量为30% 时，复合材料的综合性能最佳，BE-1 及BE-2 改性的硼酸镁晶须/尼龙6 复合材料弯曲强度、拉伸强度、冲击强度比未改性的硼酸镁晶须/尼龙6 复合材料性能均有大幅度提高。SEM 照片表明经硼酸酯偶联剂BE-2 改性的硼酸镁晶须与尼龙6 基体之间的结合紧密，界面接触较好，分散均匀，硼酸镁晶须/尼龙6 复合材料性能得到了较大的改善。结果表明：硼酸镁晶须的加入使复合材料的物理机械性能得到了显著改善，可以明显提高复合材料的力学性能如弯曲强度等，对聚合物具有较好的增强效果，可大幅度提高乒乓球用尼龙拦网材料的性能。