何勇，彭珂，曾慶文，周建剛

(重慶國際復(fù)合材料有限公司，重慶400082)

高強(qiáng)度低翹曲PA66復(fù)合材料的研究

何勇，彭珂，曾慶文，周建剛

(重慶國際復(fù)合材料有限公司，重慶400082)

采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的玻璃微珠、云母粉、磨碎玻纖、常規(guī)玻纖、扁平玻纖填充改性PA66塑料，對材料的力學(xué)性能、熔融指數(shù)、翹曲變形量等進(jìn)行了研究，同時(shí)對PA66塑料橫斷面的顯微形貌進(jìn)行了SEM分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：扁平玻纖增強(qiáng)的PA66塑料具有最高的強(qiáng)度和最低的翹曲變形量。SEM分析表明：除了在注塑流動(dòng)方向上的纖維取向，扁平纖維矩形的橫截面還在垂直于流動(dòng)的方向上發(fā)生了規(guī)則的取向。

高強(qiáng)度；低翹曲；PA66；填料；扁平玻纖

0 前言

PA66樹脂是一種半結(jié)晶樹脂，具有非常優(yōu)異的機(jī)械性能、耐化學(xué)腐蝕性能，經(jīng)過改性的PA66復(fù)合材料是一種非常理想的工程塑料，廣泛應(yīng)用于汽車、電子、機(jī)械等領(lǐng)域。但是由于PA66樹脂的加工收縮率大、吸濕性較高等缺陷，使其成為生產(chǎn)加工過程中最容易產(chǎn)生翹曲缺陷的工程塑料之一，進(jìn)而制約了PA66復(fù)合材料在某些場合的應(yīng)用。

復(fù)合材料產(chǎn)生翹曲缺陷的主要原因是由于復(fù)合材料在注塑加工過程中，在熔體流動(dòng)方向和垂直于流動(dòng)方向的收縮率存在較大的差異。對于未填充的樹脂而言，制品的收縮主要發(fā)生于流動(dòng)方向上；對于纖維填充的復(fù)合材料而言，由于纖維會(huì)沿著流動(dòng)方向取向排列，造成垂直于流動(dòng)方向的收縮顯著大于流動(dòng)方向[1]，進(jìn)而產(chǎn)生翹曲缺陷。針對這種不同方向上收縮率的差異，目前主要可以從模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、填料選擇、冷卻方式、保壓方式、模具及熔體溫度[2-3]等方面進(jìn)行改善。當(dāng)從填料著手解決翹曲時(shí)，一般的做法是向樹脂中添加玻璃微珠[4]、云母粉[5]、磨碎纖維[6]，或是其他礦物填料[7-8]，但這類填料往往在改善制品翹曲的同時(shí)會(huì)在較大程度上影響制品的力學(xué)性能。本文將通過研究不同填料對PA66復(fù)合材料力學(xué)性能與翹曲的影響，為大家提供一種有效解決制品翹曲，同時(shí)保持制品高強(qiáng)度的解決方案。

1 試驗(yàn)原料、設(shè)備

1.1 試驗(yàn)原料

PA66樹脂，DUPONT公司；

A1100硅烷偶聯(lián)劑，Momentive公司；

1250型空心玻璃微珠，上海匯精亞納米新材料有限公司，使用前添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的A1100進(jìn)行改性；

600目云母粉，市售，使用前添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的A1100進(jìn)行改性；

磨碎玻璃纖維EMG200，纖維直徑13 μm，重慶國際復(fù)合材料有限公司；

常規(guī)玻璃纖維ECS301HP，纖維直徑10 μm，重慶國際復(fù)合材料有限公司；

扁平玻璃纖維ECS301HP-3-M4，橫截面長約28 μm，寬約7 μm，重慶國際復(fù)合材料有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

SHR-100型高速混合機(jī)，張家港市億利機(jī)械有限公司；

TE-50型同向雙螺桿擠出機(jī)，中國江蘇(南京)科亞公司；

EM120-SVP/2型塑料注射成型機(jī)；

5982型電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)，INSTRON公司；

XJC-220型沖擊試驗(yàn)機(jī)，承德精密試驗(yàn)機(jī)有限公司；

RL-Z1B1型溶體流動(dòng)速率儀，上海思爾達(dá)科學(xué)儀器有限公司；

TESCAN VEGA3型掃描電子顯微鏡，TESCAN公司。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 不同填料對PA66復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖1至圖6為質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的不同填料對PA66復(fù)合材料性能的影響，文中的熔融指數(shù)是指在2.16 kg載荷，275 ℃溫度下，熔體10 min內(nèi)通過標(biāo)準(zhǔn)模孔被擠出的質(zhì)量，單位為g/10 min。

由圖1至圖3可以看出，玻璃微珠填充改性的PA66復(fù)合材料力學(xué)性能最差，扁平玻纖增強(qiáng)的PA66復(fù)合材料力學(xué)性能最好，特別是其缺口沖擊強(qiáng)度具有顯著的優(yōu)勢(圖4)。造成這種結(jié)果的原因，主要是由于填料在PA66復(fù)合材料中具有不同保留長度，保留長度越長，其增強(qiáng)的PA66復(fù)合材料力學(xué)性能越好(圖6)。

從圖5的熔融指數(shù)來看，玻璃微珠增強(qiáng)PA66復(fù)合材料的熔融指數(shù)最好，云母粉和磨碎纖維的熔融指數(shù)稍好于純PA66樹脂，而常規(guī)玻纖和扁平的熔融指數(shù)均差于純PA66樹脂，這是因?yàn)殚L徑比或保留長度越長，熔融指數(shù)會(huì)越低，此外熔融指數(shù)還與其表面的處理劑有關(guān)，常規(guī)纖維和異形纖維表面涂覆的表面處理劑使其與PA66塑料具有更強(qiáng)的界面結(jié)合性，進(jìn)而導(dǎo)致了熔融指數(shù)的降低。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，扁平玻纖增強(qiáng)PA66復(fù)合材料的熔融指數(shù)要比常規(guī)玻纖高31%，其原因在于扁平玻纖的橫截面類似于云母粉，為矩形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致扁平纖維在PA66樹脂中流動(dòng)時(shí)所受到的流動(dòng)阻力顯著小于常規(guī)玻纖的圓形橫截面。

2.2 不同填料對PA66復(fù)合材料翹曲性能的影響

圖7為質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的不同填料對PA66復(fù)合材料翹曲的影響。本文通過測量10塊PA66復(fù)合材料板的翹曲高度來直觀的表征翹曲變形量，采用的塑料板厚度為1 mm，大小為10 cm×10 cm。

由圖7可以看出，常規(guī)玻纖增強(qiáng)的PA66復(fù)合材料具有最大的翹曲變形量，此外磨碎纖維的翹曲變形量也較大，這是由于這兩種纖維在熔體流動(dòng)方向會(huì)發(fā)生纖維取向，但是在垂直于流動(dòng)方向上卻不具有取向纖維，因此兩個(gè)方向的收縮率差異較大。對于磨碎纖維來說，其纖維保留長度更小，因而兩個(gè)方向收縮率差異更小，翹曲也比常規(guī)纖維小。玻璃微珠和云母粉填充的PA66復(fù)合材料的翹曲變形量較小，這是由于玻璃微珠在PA66復(fù)合材料中各向同性，而云母粉除了在流動(dòng)方向上具有長寬比外，在垂直于流動(dòng)方向上還具有厚徑比。由圖7可以發(fā)現(xiàn)，扁平玻纖增強(qiáng)的PA66復(fù)合材料翹曲變形量最低，綜合圖8(質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的不同填料改性的PA66復(fù)合材料橫截面(垂直于流動(dòng)方向)的SEM圖)可以發(fā)現(xiàn)，扁平玻纖具有類似于云母粉的橫截面結(jié)構(gòu)，但是扁平玻纖橫截面的寬度比云母粉更大，因而其兩個(gè)方向上的收縮率差異最小。

從圖8可以看出，在PA66復(fù)合材料中，玻璃微珠分散均勻，在PA66復(fù)合材料橫截面上的形貌為圓球形。磨碎纖維和常規(guī)纖維在PA66復(fù)合材料橫截面上為圓形結(jié)構(gòu)，說明其在垂直于流動(dòng)方向上基本沒有取向纖維。云母粉在垂直于流動(dòng)方向上發(fā)生了規(guī)則的取向，可以發(fā)現(xiàn)取向來自于云母粉顆粒的橫截面，但其尺寸不均勻。扁平玻纖的橫截面與云母粉類似，為具有一定寬度的條形結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)其在PA66復(fù)合材料垂直于流動(dòng)方向上同樣發(fā)生了非常規(guī)則的取向，且取向基本來自于扁平玻纖的橫截面，取向均勻度也遠(yuǎn)好于云母粉。

3 結(jié)論

以玻璃微珠，云母粉，磨碎纖維，常規(guī)玻纖，扁平玻纖為填充增強(qiáng)材料制備的PA66復(fù)合材料具有如下結(jié)論：

(1) 玻璃微珠對PA66復(fù)合材料強(qiáng)度的改善非常有限，但是具有非常優(yōu)異的熔融指數(shù)，因此不適用于強(qiáng)度要求較高的場合。

(2) 磨碎纖維具有一定的增強(qiáng)作用，其增強(qiáng)的PA66復(fù)合材料強(qiáng)度高于玻璃微珠和云母粉，但不及常規(guī)纖維和扁平纖維；其翹曲變形量也相對較低，可以用于對力學(xué)強(qiáng)度和翹曲變形量要求不高的場合使用。

(3) 扁平纖維增強(qiáng)的PA66復(fù)合材料具有最低的翹曲變形量和優(yōu)異的力學(xué)性能，特別是其缺口沖擊強(qiáng)度，因而扁平纖維非常適用于薄壁成型塑料制品或?qū)αW(xué)強(qiáng)度要求較高的場合。

(4) 扁平纖維增強(qiáng)的PA66復(fù)合材料，除流動(dòng)方向上的纖維取向以外，在垂直于流動(dòng)方向上也發(fā)生了規(guī)則取向。

[1]劉廣華，周濱，卜繼玲，等.玻璃纖維增強(qiáng)PA66厚壁注塑件翹曲變形研究[J].工程塑料應(yīng)用，40(1)：43-46.

[2]楊風(fēng)霞，王愛榮，許光日，等.工藝參數(shù)對ABS、PP注塑件翹曲變形影響的對比研究[J].塑料工業(yè)，2008，36(3)：43.

[3]郭峰霞，樸賢德，謝鵬程.非均勻壁厚塑件的充填不平衡現(xiàn)象[J].塑料，2013，42(3)：69-72.

[4]楊偉，單桂，魏士鵬，等.玻璃微珠填充改性PA6的研究[J].中國塑料，2005，19(1)：22-26.

[5]蘭黃鮮.云母粉在高分子材料改性中的研究進(jìn)展[J].當(dāng)代化工，2011，40(2)：177-179.

[6]孫向東，張時(shí)魁，張慧波.磨碎玻璃纖維/MC尼龍復(fù)合材料的研制[J].寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，8(3)：87-89.

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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，工程師。主要從事玻璃微纖維及其制品的開發(fā)和生產(chǎn)方面的研究。

TQ171.77+7.7

A

修回日期：2016-09-18