增韧和吸水处理对玻纤增强尼龙材料性能的影响

关键词：玻纤增强尼龙6 ；增韧剂；吸水；性能

中图分类号：TQ317 文献标识码：A

0引言

在汽车领域，作为结晶性的尼龙材料（PA），特别是PA6材料，由于优异的刚性、耐热性能、耐疲劳性能以及耐热性能而被广泛使用[1]。但是PA6 常温和低温下的缺口敏感性强，缺口冲击强度低[2]，特别是在冬天寒冷季节，低温脆性使其在装配和使用过程中发生断裂情况。虽然加入玻纤改性后的尼龙缺口敏感性有所改善[3-4]，但是在汽车零件多元化的应用场景下，需要对玻纤增强的尼龙（PA-GF）材料进行进一步改性处理（增韧），以满足更多场景下的需求[5]。

目前对PA-GF 材料常规的增韧方式主要有2 类：一类是通过在配方中额外加入增韧剂，比如聚烯烃（ PP）[6] 、三元乙丙橡胶（ EPDM）、热塑性聚辛烯塑料（ POE） 以及马来酸酐接枝的POE 增韧剂（POE-MAH）等，以提高材料的韧性，改善产品的开裂问题；另一类是通过对零件进行煮水吸水处理，增加产品的含水率，提高其柔韧性，改善开裂的问题。但是，对于某个特定的产品，选用哪种方式更加合理，往往取决于产品工程师的个人经验。一旦经验犯错，往往导致产品设计变更而耽误项目进度。因此，材料的性能研究为产品工程师选择材料方案提供了理论依据。

1PA改性方案选择

为了尽量降低材料本身对于韧性的影响，通过调研发现，对不同含量的同类玻纤增韧PA6材料，PA6-GF15 的韧性最好[7]。为研究这种材料在汽车常见的工作范围内的性能变化，以最常用的PA6材料作为研究对象，分别制备普通PA6-GF15材料、增韧PA6-GF15材料和吸水PA6-GF15材料这3 种材料， 并分别按ISO527 测试、ISO178测试和ISO179测试考察这3种材料的拉伸性能、弯曲性能和冲击性能。所有的测试利用低温箱（BDF-60V158型，济南鑫贝西生物技术有限公司）实现-30 ℃、0 ℃和23 ℃这3 个温度的多次数据测试并取平均值。

2 试样制备及测试方法

试模的所有材料都来源于市售：其中PA6为改性级，相对粘度2.75；短切玻璃纤维（435）选择山东泰山玻纤；增韧剂为POE-MAH ；抗氧剂选择抗氧剂1098和抗氧剂168；润滑剂选择克莱恩OP蜡。在所有的实验过程中，买来的所有材料并没有进行任何提纯处理。

2.1 普通PA6-GF15粒子制备

将PA6 原料在110℃鼓风干燥箱中干燥4 h 除去水分，将干燥好的PA6、抗氧剂和润滑剂按比例混合，玻璃纤维比例为15%。混合好后的混合物在双螺杆挤出机（CPM-TSE-35 型，南京瑞亚挤出机械制造有限公司）中挤出造粒，挤出机加料段到口模的温度依次为：100 ℃、230 ℃、230 ℃、235 ℃、235 ℃、240 ℃、240 ℃、245 ℃、245 ℃和250℃，转速为480r/min。

2.2增韧PA6-GF15粒子制备

在2.1 节所述配方中额外加入10% 增韧剂，得到增强增韧PA6-GF15 材料。再按照2.1节所述工序制作出造粒。

2.3样条制备

将粒料于110℃鼓风干燥箱干燥4 h 后，注塑成测试样条，注塑机为台湾震雄注塑机有限公司的CH-50 型；加料段至喷嘴的温度依次设定为240 ℃、240 ℃、250℃、250℃和255℃，注塑压力为90 MPa。得到普通PA6-GF15和增韧PA6-GF15样条。

2.4吸水PA6-GF15样条制备

将2.1 节所述的普通PA6-GF15 样条放入加湿器中，吸水到水分含量基本稳定为止，测得的水含量为2.6%。水分含量直接采用称重的方式来测试[8]，记录初始重量W， 记录加湿后的重量W，则含水率计算如下：

含水率＝ [（W-W）/W] ×100% （1）

3结果与讨论

为了方便直观看出温度对不同材料某性能影响的强弱（增长或下降趋势），本研究使用性能变化率来表示。其定义为：以-30 ℃初始某性能为基准X，温度T 时测得的该性能为X，那么性能变化率为X/X，通过不同材料在同一时间某性能变化率的大小，就可以了解温度影响的强弱。本文-30℃的初始性能变化率为100%。

3.1不同温度下拉伸强度的对比

将三种状态的样条分别在-30℃、0℃和23℃下进行拉伸强度测试，结果如图1所示。可以看出，在同一温度下，普通PA6-GF15材料的拉伸强度最大，增韧PA6-GF15材料次之，吸水PA6-GF15材料最差[9]。相对于普通PA6-GF15，增韧剂的加入会导致材料的拉伸强度下降，这是因为增韧剂为热塑性弹性体，这些低强度的弹性体作为分散相分散在体系中，分子链开始运动所需的外力降低而导致强度的下降[10]。而吸水PA6-GF15强度下降更大，这是因为水分子的存在会产生增塑剂的作用，可能会破坏PA与玻纤之间的相互作用，宏观体现为拉伸强度的更大下降。

对于每种材料在-30～23℃的拉伸强度变化率，普通PA6-GF15为92%，下降趋势最小；增韧PA6-GF15为87.29%略大于吸水PA6-GF15的87%。说明水分的存在会在温度变化时损失更多的拉伸性能。

小结：在-30～23℃，3种材料的拉伸强度变化趋势为：普通PA6-GF15＞增韧PA6-GF15＞吸水PA6-GF15。拉伸强度变化率下降趋势为：普通PA6-GF15＜增韧PA6-GF15＜吸水PA6-GF15。

3.2不同温度下断裂伸长率的对比

将3种状态的样条在-30℃、0℃和23℃下分别测试断裂伸长率，结果如图2所示。可以看出，在-30～23℃，3种材料的断裂伸长率变化率不一致：其中增韧PA6-GF15的断裂伸长率随着温度的升高而逐渐变大趋势，普通PA6-GF15和吸水PA6-GF15的断裂伸长率呈现先下降后增加的趋势。这可能与增韧剂和水分子结构不同起到的效果不同有关：水分子作为小分子存在于PA6分子之间，起到增塑剂作用，而0℃后水分子状态改变，运动能力的急速提升，导致断裂伸长率急剧变化（1.5倍）。而增韧剂作为分散剂分散在PA6-GF15体系中，其与PA6-GF15的相互作用易受到温度影响而逐渐破坏，断裂伸长率呈现逐渐增加的趋势。

小结：在-30～23℃，3种材料的断裂伸长率变化整体趋势为：增韧PA6-GF15＞普通PA6-GF15＞吸水PA6-GF15。但是超过23℃后，断裂伸长率变化整体趋势为：吸水PA6-GF15＞增韧PA6-GF15＞普通PA6-GF15。

3.3不同温度下弯曲强度的对比

将三种状态的样条在-30℃、0℃和23℃下分别测试弯曲强度，结果如图3所示。可以看出，弯曲强度的变化趋势与拉伸强度保持一致。同一温度，3种材料中，普通PA6-GF15的弯曲强度最大（＞180MPa），增韧PA6-GF15次之（＞144MPa），吸水PA6-GF15最低（＞93MPa）。在-30～23℃，弯曲强度也是随着温度的增加而下降。说明增韧剂和水分子的存在，导致PA6运动所需的外力降低，弯曲强度下降。但与拉伸强度变化略有不同，普通PA6-GF15的弯曲强度基本上保持不变（98.6%），而增韧PA6-GF15的弯曲强度略有下降（94.9%），吸水PA6-GF15的弯曲强度下降最多（90.9%）。说明在弯曲作用下，水分子导致PA6运动所需的外力比增韧剂下降更多。

小结：在-30～23℃，3种材料的弯曲强度变化趋势为：普通PA6-GF15＞增韧PA6-GF15＞吸水PA6-GF15。弯曲强度变化率下降趋势为：普通PA6-GF15＜增韧PA6-GF15＜吸水PA6-GF15。

3.4不同温度下缺口冲击强度

将3种状态的样条在-30℃、0℃和23℃下分别测试缺口冲击强，结果如图4所示。可以看出，在同一温度，普通PAtu5TLJB9QMu04VcKOljSeg==6-GF15的韧性最差，增韧PA6-GF15次之，吸水PA6-GF15最好。这可能是因为增韧剂和水分子，相当于分散相分散在PA中，并与PA有良好的黏合力，当受到冲击时，可以吸收较多能量来防止裂纹扩展。

在-30～223℃，普通PA6-GF15的韧性基本没有变化（提升1.09倍），这可能与PA6分子间高相互作用氢键有关。而增韧PA6-GF15（提升2.02倍）和吸水PA6-GF15的韧性随着温度的上升而逐渐变大，特别是吸水PA6-GF15具有更高的上升趋势（提升超2.5倍）。这可能与增韧剂的运动能力随温度逐渐变强及水分子结构在0℃前后急剧变化导致运动能力增加有关，使得在受到冲击时，可以吸收更多的能量。

小结：在-30～23℃，3种材料的缺口冲击强度变化趋势为：吸水PA6-GF15＞增韧PA6-GF15＞普通PA6-GF15。拉伸强度变化率增加整体趋势为：吸水PA6-GF15＞增韧PA6-GF15＞普通PA6-GF15。

4结束语

尼龙材料制成的汽车零件，在实际使用中或多或少会接触各种湿润环境而吸水。通过上述实现结果发现，对于尼龙材料吸水，其拉伸强度和弯曲强度与传统观点保持一致，即材料的性能都会下降。但韧性的实验结果与传统认知并不相同，甚至相反，饱和吸水后的材料韧性大大增强，甚至高于增韧体系改性的尼龙。具体表现如下。

（1）相比于纯PA6-GF15，吸水短期可以明显提高材料的缺口冲击强度，改善产品的开裂问题，但是吸水后材料强度也会明显下降，且随着含水量的减少材料韧性会下降。

（2）加入增韧剂后，也能提高材料的缺口冲击强度，但是短期效果弱于吸水，且增韧后材料的强度下降趋势明显小于吸水，增韧剂改性是较为均衡的一种改性策略。

因此，在产品在开发过程中，如果产品仅仅在装配过程中涉及到大变形（临时韧性），可以通过吸水的方式来加以处理；如果产品在长期使用环境下涉及到韧性和强度（长期韧性），就需要通过加入增韧剂来彻底改善材料的韧性。

作者简介：

陈云霞，硕士，高级工程师，研究方向为汽车用材料及成型工艺。