改性滑石粉对PA6/BF复合材料性能的影响

于开锋，李志超，李俊涛

（1.吉林大学 材料科学与工程学院，吉林长春 130022；2.长春富维安道拓汽车饰件系统有限公司，吉林长春 130000）

1 概述

尼龙6（PA6）是一种应用广泛的工程塑料，具有良好的耐热性、机械性能与加工性能，广泛应用于汽车、机械、航空航天等领域[1]。由于PA6存在吸水性大，尺寸稳定性差和韧性较低的问题，为满足使用要求，需要对PA6进行改性处理[2，3]。玄武岩纤维（BF）性能优异，并且天然环保[4]，因此通常采用BF增强PA6来提高材料的强度与韧性。在纤维增强复合材料基础上，添加第二项无机粒子可以进一步增强复合材料的性能[5]。滑石粉（Talc）属于层状硅酸盐矿物，其润滑性能较好且化学性质稳定，是一种性价比较高的填料，经常被引入聚合物材料中来提高材料的强度与韧性[6]。本文以滑石粉为填充粒子，对其表面进行改性处理，通过熔融共混制备Talc/PA6/BF三元复合材料，探究含量对复合材料力学性能影响，并对其进行表征。

2 实验

2.1 原料

PA6（BL3280H）切片：中国石油化工股份有限公司制巴陵分公司提供；长切玄武岩纤维：长度6mm，直径12μm，浙江省海宁安捷复合材料有限公司；抗氧剂1 098：山东优索化工科技有限公司；抗氧剂168：山东优索化工科技有限公司；滑石粉：1 250目，桂林桂广滑石开发有限公司；偶联剂KH550：康锦新材料科技有限公司。

2.2 Talc改性

按照无水乙醇与去离子水为9∶1比例配制乙醇水溶液，加入偶联剂KH-550，配制成质量分数为2.5%的KH-550溶液，常温机械搅拌30min以水解偶联剂。将一定量的Talc浸入已经配好的KH-550水溶液，常温下磁力搅拌30min，以形成氨基官能化的Talc，记为KH-Talc。最后，将KH-Talc在120℃的烘箱中干燥2h，然后在60℃烘箱中储存。

2.3 复合材料的制备

首先使用HL-200型密炼机将PA6与无机粒子熔融共混，其中抗氧剂1098和168的质量分数分别是PA6的0.6%和0.3%。将得到的复合材料半成品，使用破碎机造粒备用。然后使用TE-35A型双螺杆挤出机制造复合材料，各区温度分别为230℃，240℃，250℃和230℃，其螺杆转速为60r/min。从料斗中加入已经造粒的半成品复合材料，将BF通过侧边进料装置进料到设备中。将所得的复合材料依次通过冷水槽、牵引机、切粒机造粒。由于PA6的高吸湿能力，所有PA6原料在实验前需要真空干燥至少10h。实验过程中PA6为70phr，BF为30phr，无机粒子的填充量为0phr，2.5phr，5phr，7.5phr，10phr，12.5phr，15phr。用于测试的样品是通过TXS-1080型注射成型机进行注射成型的，注塑机的各区温度分别为235℃，245℃，235℃，245℃。注射压力、保护压力及保护时间分别为70MPa、45MPa与30s。

2.4 复合材料的测试与表征

本文采用TENSOR-27傅立叶红外光谱仪对样品进行定性分析。通过溴化钾压片法制备测试样品，波数范围在400~4000cm-1，扫描次数是64。本文采用JSM-6700扫描电子显微镜对无机粒子以及复合材料冲击断裂面进行微观表征。将冲击断裂样品在液氮中冷冻5h，然后将样品距离断裂面2~3mm处的部分切下，所有样品测试前喷金200s，所有样品均以5kV的加速电压进行扫描。采用WSM-5KN电子万能试验机测试材料的拉伸性能，按照GB/T 1040—2006进行测试，拉伸速度为20mm/min。采用JJ-2记忆式冲击强度试验机，按照GB/T 1843—1996测试，摆锤大小为5.5J。采用WSM-5KN电子万能试验机测试材料的弯曲性能，按照GB/T 9341—2000进行测试，弯曲速度为20mm/min。

3 结果与讨论

Talc与KH-Talc的FT-IR图谱如图1所示；改性前Talc主要存在1 015cm-1和710cm-1处的Si—O—Si不对称与对称伸缩振动峰，在460cm-1处存在Si—O—Si弯曲振动峰，并且在3 433cm-1处存在O—H的伸缩振动峰。改性后的KH-Talc出现新的基团特征峰，2 920cm-1和2 850cm-1处分别为C—H的不对称和对称伸缩振动峰，在3 354cm-1和1 574cm-1处出现N—H的伸缩与弯曲振动峰，表明将含有氨基的偶联剂成功引入粒子表面。

图1 Talc和KH-Talc的FT-IR图谱

复合材料的力学性能如图2所示，随着填料填充量的增加，复合材料的拉伸、弯曲以及冲击强度均呈现先增加后降低趋势，且KH-Talc/PA6/BF体系的力学性能均高于Talc/PA6/BF体系，是因为经过偶联剂改性后，KH-Talc与基体PA6的界面结合力较强。当KH-Talc的填充量为10phr时，复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度最大值达到130.45MPa、185.42MPa和17.55kJ/m2。

图2 填料对复合材料力学性能影响

Talc与KH-Talc的扫描电镜照片如图3（a）和（b）所示，改性前后的Talc均保持不规则的块状结构，粒径约在10μm左右。如图3（a）所示，改性前的Talc表面较为光滑，无明显的凹凸结构。经过偶联剂改性后，KH-Talc表面较为粗糙（如图3（b）），可以观察到明显的附着物，这是偶联剂水解后在粒子结合后导致。悬臂梁试样的断口界面的SEM图如图3（c）和（d）所示。从图3（c）可以看出，在PA6/BF试样中，BF排列不规则，基体没有明显的分散相，断裂面为相对平坦，并且在断裂过程中基体没有撕裂，表现出脆性。如图3（d）所示，加入KH-Talc后，材料断面产生片层结构，当受到外力作用时，片层之间的基体可以实现应力叠加，并不断产生新的表面来吸收大量能量。

图3 复合材料SEM

4 结论

对无机粒子Talc进行表面改性，对PA6/BF复合材料进行填充改性。实验结果表明：改性后的KH-Talc的增强效果优于Talc，当KH-Talc的填充量为10phr时，复合材料的力学性能最佳，拉伸强度为130.45MPa，弯曲强度为185.42MPa，冲击强度为17.55kJ/m2。