章建忠,詹英韜,王 堃,樊家澍,陸建明,陸沈奇,張志堅
(巨石集團有限公司,桐鄉(xiāng) 314500)
聚酰胺(PA,俗稱尼龍)是分子主鏈上含有重復(fù)酰胺基團的熱塑性樹脂總稱,其命名是以二胺和二元酸的碳原子數(shù)來命名的,如PA66是己二胺和己二酸的共聚物。PA66具有良好的機械性能、耐磨損性、耐熱性、耐化學(xué)品性和自潤滑性,但熱變形溫度低、吸濕性大,吸濕后的PA66制品電絕緣性差、剛性明顯下降且尺寸變化大[1]。工業(yè)生產(chǎn)上,一般采用玻璃纖維增強尼龍(GF/PA)。GF/PA制品的性能受到多方面因素的影響,主要因素有玻纖強度、玻纖的質(zhì)量分數(shù)、基體樹脂、界面狀態(tài)以及注塑加工過程中的玻纖長度保持率和纖維分布狀態(tài)等[2]。在GF/PA生產(chǎn)過程中難免會產(chǎn)生一些廢料,而隨著環(huán)保意識的提高,人們愈發(fā)重視廢棄物的回收再利用。廢料的回收利用,不僅有利于生態(tài)環(huán)境,且其經(jīng)濟價值十分可觀[3]。對這些廢料進行回收再利用,可應(yīng)用于對力學(xué)要求不高的電子電器領(lǐng)域。尼龍回料中含有2%~4%的水分及少量無機雜質(zhì),在雙螺桿擠出機的高溫環(huán)境下,水分會影響玻纖與樹脂的結(jié)合[4];無機雜質(zhì)會破壞玻纖的完整性。需要對尼龍回料進行熱風(fēng)干燥處理,再用玻璃纖維進行增強,才能達到應(yīng)用要求。因此,尼龍回料的生產(chǎn)效率較低,生產(chǎn)成本較高,難以推廣應(yīng)用。
本文在988A基礎(chǔ)上,通過優(yōu)化浸潤劑,在浸潤劑配方中引入保護劑,在高溫條件下有效保護玻璃纖維不被水分侵蝕,保證玻璃纖維在樹脂內(nèi)的完整性,從而促進樹脂與玻纖的結(jié)合。開發(fā)了一款新型無捻粗紗960A,不僅改善了玻纖增強尼龍回料的力學(xué)性能,同時有效提高了玻纖增強尼龍回料的生產(chǎn)效率,大大降低了生產(chǎn)成本。
GF/PA復(fù)合材料由于應(yīng)用前景廣闊而備受青睞,針對其性能的研究很多[5]。本文研究尼龍回料中的水分及無機雜質(zhì)對玻纖增強尼龍性能的影響,并用光學(xué)顯微鏡觀察其微觀結(jié)構(gòu),分析復(fù)合界面的結(jié)構(gòu)形態(tài)和失效機理[6]。
PA回料:PA66,美國杜邦,生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢棄料或使用后的陳舊料。
玻璃纖維無捻粗紗:EDR14-2000-988A,EDR14-2000-960A,巨石集團有限公司。
雙螺桿擠出機:Φ=25,貝爾斯托夫擠出機;
注塑機:S-2000il00A型,日本FANUC;
萬能材料試驗機:Z050型,德國Zwick公司;
沖擊試驗機:6956.000型,意大利CEAST公司;
精密程控干燥箱:DHG-9440Q,上海翌鳴科貿(mào)有限公司;
熱臺偏光顯微鏡:DYE-400E,上海點應(yīng)光學(xué)儀器有限公司。
設(shè)計GF/PA回料的質(zhì)量分數(shù);利用雙螺桿擠出機進行擠出、造粒,經(jīng)過注塑機注射為測試樣品。本文中設(shè)計GF占設(shè)計GF/PA回料復(fù)合材料質(zhì)量分數(shù)的30%,余量為PA回料。
表1 GF/PP復(fù)合材料制備工藝參數(shù)
(1)拉伸強度按照ISO527《纖維增強塑料拉伸性能測試標準》;
(2)彎曲強度按照ISO178《纖維增強塑料彎曲性能測試標準》;
(3)簡支梁沖擊強度按照ISO179《纖維增強塑料沖擊性能測試標準》;
利用偏光顯微鏡分別觀察4個試樣的沖擊斷面形貌。
實驗前,將PA回料在干燥箱105 ℃的條件下,烘制5 h,將尼龍回料里面的水分烘干,并測得實際水分占復(fù)合材料的質(zhì)量分數(shù)為2.64%。再經(jīng)雙螺桿擠出機擠出,設(shè)計GF占GF/PP復(fù)合材料質(zhì)量分數(shù)的30%,對比測試EDR14-2000-960A/PA回料、EDR14-2000-988A/PA回料的復(fù)合材料的力學(xué)性能。
從表2可以明顯看出,PA回料烘干后,960A增強PA回料試樣的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度都高于988A增強。PA回料中含有少量的無機雜質(zhì),在雙螺桿擠出機中,會對玻纖造成破壞。從圖1可以看出,由于960A玻纖表面經(jīng)過特殊表面處理,提高了玻纖的單絲韌性,經(jīng)過擠出機混煉剪切后,不易被破壞,960A殘留長度明顯長于988A。因此960A單絲完整性要明顯好于988A,使得960A/PA回料復(fù)合材料的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度均具有明顯優(yōu)勢。
表2 干態(tài)下30%GF/PA回料的力學(xué)性能
圖1 沖擊斷面的偏光顯微鏡照片
PA回料使用前不經(jīng)烘干,直接經(jīng)雙螺桿擠出機擠出,設(shè)計GF占GF/PP復(fù)合材料質(zhì)量分數(shù)的30%,對比測試EDR14-2000-960A/PA回料、EDR14-2000-988A/PA回料的復(fù)合材料的力學(xué)性能。
從表2及表3可以明顯看出,PA回料中的水分對988A增強PA回料力學(xué)性能影響較大,力學(xué)性能衰減20%左右;對960A增強PA回料力學(xué)性能影響較小。從圖2a可以看出,988A玻纖及回料經(jīng)過擠出機混煉剪切后,由于水分沒有及時排出,影響了玻纖表面處理劑的界面性能,導(dǎo)致玻纖與尼龍樹脂的結(jié)合較差,并且布滿了致密的孔隙[7],從而導(dǎo)致力學(xué)性能下降。從圖2b可以看出,覆蓋960A玻纖周圍的尼龍樹脂較為緊實,由于960A玻纖表面經(jīng)過特殊的涂敷處理,沒有被水分侵蝕,與尼龍樹脂結(jié)合較好,經(jīng)擠出機高溫混煉剪切,及時將熔體內(nèi)部的水分排出,所以力學(xué)性能衰減較小。結(jié)果表明:960A的疏水性明顯優(yōu)于988A。
表3 30%GF/PA回料的力學(xué)性能
圖2 沖擊斷面的偏光顯微鏡照片
(1)960A同尼龍回料經(jīng)過雙螺桿擠出機混煉、剪切,單絲完整性要明顯好于988A,使得960A/PA回料復(fù)合材料的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度均具有明顯優(yōu)勢。
(2)PA回料中的水分對988A增強PA回料力學(xué)性能影響較大,力學(xué)性能衰減20%左右;而對960A增強PA回料力學(xué)性能影響較小。由于960A玻纖表面經(jīng)過特殊的涂敷處理,沒有被水分侵蝕,與尼龍樹脂結(jié)合較好,經(jīng)擠出機高溫混煉剪切,可及時將熔體內(nèi)部的水分排出,不易在復(fù)合材料內(nèi)部形成孔隙,所以力學(xué)性能衰減較小,能夠滿足產(chǎn)品應(yīng)用的設(shè)計使用要求。