晏 斌,何 勇,曾慶文,彭 珂,韓利雄,張 鵬
(重慶國際復合材料股份有限公司,重慶 400082)
玻璃纖維作為熱塑性塑料的主要改性材料,被廣泛應用于多種熱塑性塑料改性加工中,以提高塑料在強度、抗沖擊性、耐老化性、耐醇和耐水等方面的性能[1-7]。
熱塑性材料成功應用、快速增長的同時,應用拓展又對材料的性能提出了更高的要求,尤其是集成度更高的汽車零部件、輕薄化的電子、電器件,在這些特殊的應用領域,更高的強度、模量成為終端應用追求的目標之一,常規(guī)玻纖已經越來越難以滿足使用要求。本文研究了常規(guī)玻纖和高強度高模量玻纖[8-10]增強PA66塑料性能,為制備高強度、高模量、高抗沖擊性、優(yōu)異的耐醇PA66塑料提供參考。
PA66樹脂,DUPONT公司;
常規(guī)玻璃纖維ECS301HP-3-H,采用無氟無硼ECT玻璃生產,纖維直徑10μm,重慶國際復合材料股份有限公司;
高強高模玻璃纖維ECS301HP-3-H/HT,采用HT玻璃生產,纖維直徑10μm,重慶國際復合材料股份有限公司。
TE-50型同向雙螺桿擠出機,中國江蘇(南京)科亞公司;
EM120-SVP/2型塑料注射成型機,震德塑料機械有限公司;
5982型電子式萬能材料試驗機,INSTRON公司;
XJC-220型沖擊試驗機,承德精密試驗機有限公司;
RL-Z1B1型溶體流動速率儀,上海思爾達科學儀器有限公司;
反應釜WHFS-10,威海自控反應釜有限公司;萬能試驗機;
電熱鼓風干燥箱CS101-3FP ,重慶恒達儀 器廠。
用雙螺桿擠出機將玻璃纖維和PA66充分混合并擠出造粒,其中玻纖質量分數為33%,將粒子干燥后,通過注塑機制備所需樣條。
反應釜內注入乙二醇質量分數為50%的水溶液,并將PA66注塑樣條置于溶液中,在145 ℃條件下分別煮4 d、7 d,取出試樣,在濕態(tài)下測試力學性能。
將樣條放置在溫度為210 ℃的恒溫烘箱內,分別老化250 h和500 h,然后測試力學性能。
拉伸性能: 依照GB/T1040-2006《塑料拉伸性能的測定》,速度為20 mm/min;
彎曲性能: 依照GB/T9341-2008《塑料彎曲性能的測定》,速度為20 mm/min;
沖擊試驗: 依照GB/T1843-2008《塑料懸臂梁沖擊強度的測定》,速度為3.5 m/s;
色差測試:采用色差儀測試。
由表1可知,HT-glass是進入了碳纖維強度范圍的高強度玻璃纖維,具有極高的拉伸強度和拉伸模量,拉伸強度較ECT玻璃提高50%,拉伸模量提高18%,HT-glass顏色較好,與ECT玻璃相比,L值更大,A、B值更小,說明玻璃更亮、更白。
表1 ECT玻璃和HT玻璃的性能對比
圖1為不同玻璃類型短纖增強PA66的拉伸和彎曲強度。由圖1可以發(fā)現,基于HT玻璃生產的ECS301HP-3-H/HT增強PA66復合材料,與基于ECT 玻璃生產的ECS301HP-3-H增強情況相比,拉伸強度提高了16%,彎曲強度提高了17%。
圖1 不同玻璃類型短纖增強PA66的強度
圖2為不同玻璃類型短纖增強PA66的沖擊強度。由圖2可以發(fā)現,基于HT玻璃生產的ECS301HP-3-H/HT增強PA66復合材料,與基于ECT玻璃生產的ECS301HP-3-H增強情況相比,沖擊強度提高了20%左右,這是因為當材料受到沖擊產生裂紋時,強度更高的HT玻璃使裂紋擴展的阻力增大,消耗變形功,更有效地阻礙了裂紋的擴展[11]。
圖2 不同玻璃類型短纖增強PA66的沖擊強度
圖3是不同玻璃類型短纖增強PA66的模量。由圖3可以發(fā)現, 拉伸模量提高了12%左右,彎曲模量提高了15%左右,這都是源于HT玻璃高模量的特性。玻纖增強熱塑性樹脂復合材料的模量與樹脂和玻纖有關,因樹脂的模量較小,所以整個復合材料的模量主要依賴于玻璃纖維,而由于HT玻璃具有更高的模量,所以基于HT玻璃生產的ECS301HP-3-H/HT增強PA66復合材料,與基于ECT玻璃生產的ECS301HP-3-H增強情況相比, ECS301HP-3-H/HT增強PA66復合材料的模量更高。
圖3 不同玻璃類型短纖增強PA66的模量
ECS301HP-3-H/HT增強PA66復合材料,不僅具有優(yōu)異的干態(tài)力學性能,同時具有出色的耐醇性能,如圖4、圖5。
圖4 不同玻璃類型短纖增強PA66拉伸強度的耐醇變化
圖5 不同玻璃類型短纖增強PA66拉伸模量的耐醇變化
圖4是ECS301HP-3-H和ECS301HP-3-H/HT增強PA66拉伸強度的耐醇變化。由圖4可知,隨著醇煮時間的增加,拉伸強度逐漸降低。拉伸強度-醇煮0 d表示沒有進行醇煮時的拉伸強度,醇煮4 d后,基于HT玻璃生產的ECS301HP-3-H/HT增強PA66的拉伸強度保留率和基于ECT玻璃生產的ECS301HP-3-H增強PA66的拉伸強度保留率都很接近,為52%左右,但從絕對值來看,基于HT玻璃生產的ECS301HP-3-H/HT增強PA66的拉伸強度高了20%左右;醇煮7 d后,兩者的拉伸強度保留率均為43%左右,但從絕對值來看,基于HT玻璃生產的ECS301HP-3-H/HT增強PA66的拉伸強度高了20%左右。
圖5是ECS301HP-3-H和ECS301HP-3-H/HT增強PA66拉伸模量的耐醇變化。拉伸模量-醇煮 0 d表示沒有進行醇煮時的拉伸模量,醇煮4 d后,基于HT玻璃生產的ECS301HP-3-H/HT增強PA66的拉伸強度保留率和基于ECT玻璃生產的ECS301HP-3-H增強PA66的拉伸強度保留率都為50%左右,但從絕對值來看,基于HT玻璃生產的ECS301HP-3-H/HT增強PA66的拉伸模量高了20%左右;醇煮7 d后,兩者的拉伸強度保留率均為48%左右,從絕對值來看,基于HT玻璃生產的ECS301HP-3-H/HT增強PA66的拉伸模量高了15%左右。
根據圖4和圖5可知,與基于ECT玻璃生產的ECS301HP-3-H增強PA66復合材料相比,基于HT玻璃生產的ECS301HP-3-H/HT增強PA66復合材料經過醇煮之后,拉伸強度和拉伸模量都較高。
圖6為ECS301HP-3-H和ECS301HP-3-H/HT增強PA66拉伸和彎曲強度耐熱氧老化的情況對比。由圖6可知,隨著老化時間的增加,復合材料的拉伸強度和彎曲強度都在降低,但整個老化的過程中, ECS301HP-3-H/HT增強PA66熱氧老化后的強度更高。250 h老化后,ECS301HP-3-H/HT增強PA66比ECS301HP-3-H增強PA66的拉伸和彎曲強度高15%左右;500 h老化后,ECS301HP-3-H/HT增強PA66比ECS301HP-3-H增強PA66的拉伸強度高20%左右,彎曲強度高14%。
圖6 不同玻璃類型短纖增強PA66的強度熱氧老化對比
圖7為ECS301HP-3-H和ECS301HP-3-H/HT增強PA66拉伸和彎曲模量耐熱氧老化的情況對比。由圖7可知,隨著老化時間的增加,250 h時,由于復合材料結晶度增加,模量比初始時要高,隨著老化時間的增加,拉伸和彎曲的模量都持續(xù)降低,但整個老化的過程中,ECS301HP-3-H/HT增強PA66熱氧老化后的模量更高。250 h老化后,ECS301HP-3-H/HT增強PA66比ECS301HP-3-H增強PA66的拉伸模量高14%,彎曲模量高17%;500 h老化后,ECS301HP-3-H/HT增強PA66比ECS301HP-3-H增強PA66的拉伸模量高13%,彎曲強度 高16%。
圖7 不同玻璃類型短纖增強PA66的模量熱氧老化對比
綜合實驗表明,可以得出如下結論:
(1)采用HT-glass生產的玻纖,顏色更亮更白,有利于生產外觀更好的制品。
(2)ECS301HP-3-H/HT增強PA66具有比ECT常規(guī)玻纖更加優(yōu)異的干態(tài)力學強度和模量,適合于制備高強度、高模量、高抗沖的輕質制品,尤其適用于制備集成度更高的汽車零部件、輕薄化的電子、電器件等。
(3)ECS301HP-3-H/HT增強PA66具有更優(yōu)異的耐醇性能及耐熱老化性能,適合于制備對耐醇性能及耐熱老化性能有高要求的制品。