蘇似鑫，馬航飛，葉素娟，陳大華，吳麗旋，張宇，謝恒輝，陳金偉

(1.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院輕化工技術(shù)學(xué)院，廣州 510300； 2.四維爾丸井(廣州)汽車零部件有限公司，廣州 510730)

航空航天、汽車、建材、船舶等行業(yè)的很多部件屬于大型復(fù)雜塑料制品，由于這些產(chǎn)品整體尺寸較大，在注射成型時(shí)均需要采用多澆口進(jìn)行澆注，而多澆口澆注則形成多股熔體流最后匯合形成熔接痕[1?2]。不僅影響塑料制品的外觀質(zhì)量而且對(duì)制品的力學(xué)性能影響也很大，嚴(yán)重縮短制品的使用壽命，其缺陷一直制約著孔類制件的品質(zhì)提升，而消費(fèi)者對(duì)制件品質(zhì)的要求日益苛刻和極致，明顯的熔接痕缺陷已難以被接受[3?4]。短切玻纖(GF)增強(qiáng)聚酰胺66 (PA66)由于其易加工、成本低及良好的力學(xué)性能而備受關(guān)注，并在電器、電子特別是汽車工業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[5]。PA66經(jīng)過(guò)GF增強(qiáng)后，依靠纖維和樹(shù)脂的牢固粘結(jié)，材料的力學(xué)強(qiáng)度明顯提升，但熔接痕的存在對(duì)于纖維增強(qiáng)塑料制品的影響也較為顯著[6]。研究表明，在相同工藝條件下，熔接痕區(qū)域的強(qiáng)度只有原始材料的10%～92%，嚴(yán)重影響塑件的正常使用[7，8]。

目前國(guó)內(nèi)外專門針對(duì)熔接痕的改善研究主要基于拉伸試樣，研究了模具結(jié)構(gòu)、制件截面形狀、工藝參數(shù)等對(duì)熔接痕外觀形貌和強(qiáng)度的影響[9?14]，在車用注塑件上，也有通過(guò)控制澆口時(shí)序和工藝參數(shù)優(yōu)化的方式來(lái)減少和優(yōu)化熔接痕[15]。而筆者通過(guò)改變GF含量并引入振動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料制品熔接痕改善的研究，將PA66做為復(fù)合材料基體，采用GF做為增強(qiáng)材料，在改變GF含量的條件下研究GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料注塑制品熔接痕強(qiáng)度變化規(guī)律。在獲取最佳GF含量的情況下，利用自主研制的熔接痕樣條振動(dòng)模具搭建了動(dòng)態(tài)成型平臺(tái)，進(jìn)行了不同振動(dòng)參數(shù)條件下GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料制品熔接痕強(qiáng)度變化規(guī)律的研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PA66：EP158，相對(duì)黏度 2.67，熔體流動(dòng)速率10.8 g/10min，溫州華峰集團(tuán)有限公司；

短切GF：ECS301HP-3-H，橫截面直徑為10 μm，長(zhǎng)度3 mm，重慶國(guó)際復(fù)合材料有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

35型雙螺桿擠出機(jī)：長(zhǎng)徑比28∶64，科倍隆(南京)機(jī)械有限公司；

注塑成型機(jī)：SA1600型，寧波海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司；

熔接痕樣條振動(dòng)模具：廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院輕化工技術(shù)學(xué)院；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：SD101-3A型，南通華泰實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；

電子萬(wàn)能測(cè)試機(jī)：CMT4204型，深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司；

懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)：HIT-2492型，承德市金建檢測(cè)儀器有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：JSM-6460LV型，日本電子株式會(huì)社。

1.3 熔接痕樣條樣條制備

PA66/GF復(fù)合材料的制備：共混前，將PA66樹(shù)脂置于80℃真空干燥箱中干燥8 h，以去除原料中的水分。配方見(jiàn)表1，每種配方的原料總質(zhì)量均取3 kg。

表1 GF增強(qiáng)PA66樣條配方 %

采用同向雙螺桿擠出機(jī)熔融共混，通過(guò)側(cè)喂料方式連續(xù)添加短切GF，制備了PA66/GF復(fù)合材料。混合物通過(guò)料斗加入同向雙螺桿擠出機(jī)，短切GF從GF口即擠出機(jī)的側(cè)進(jìn)料口加入，擠出加工溫度控制在260～280℃之間，螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)定在300～400 r/min范圍內(nèi)。側(cè)喂料口投放量按照前面方案設(shè)定的比例，以0%，20%，30%，40%，50%的比例投放加入，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)纖口二級(jí)進(jìn)料的轉(zhuǎn)速來(lái)控制GF的含量。工藝路線按照熔融共混、料條擠出、牽引、過(guò)水冷卻、切粒，之后放置于烘箱120℃下干燥2 h。

熔接痕樣條制備：注塑溫度在260～280℃，注射速度為60 mm/s，注射壓力80 MPa，保壓和冷卻時(shí)間設(shè)定在15 s，熔膠儲(chǔ)量通過(guò)設(shè)定螺桿后退60 mm實(shí)現(xiàn)，背壓調(diào)整為0 MPa，將干燥好的、不同GF含量的復(fù)合粒料利用裝有熔接痕樣條振動(dòng)模具注射機(jī)，分別在振動(dòng)頻率為0，10，20，30，40，50 Hz振動(dòng)條件下進(jìn)行熔接痕樣條制備，然后對(duì)熔接痕樣條按照GB/T1040.1-2018，GB/T9341-2008，GB/T1843.1-2008等標(biāo)準(zhǔn)要求的尺寸進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試樣條二次制備，并將測(cè)試樣條放置鋁塑復(fù)合袋中靜置冷卻24 h，待內(nèi)應(yīng)力消除進(jìn)行性能測(cè)試。

1.4 測(cè)試與表征

力學(xué)性能測(cè)試：取PA66/GF復(fù)合材料的啞鈴型熔接痕拉伸樣條、彎曲測(cè)試樣條和缺口沖擊樣條，在室溫下分別采用電子萬(wàn)能測(cè)試機(jī)和懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，按照 GB/T1040.1-2018、GB/T9341-2008、GB/T1843.1-2008等標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條的拉伸性能、彎曲性能和缺口沖擊性能，拉伸速率10 mm/min，彎曲速度2 mm/min，每組樣條至少測(cè)試5次，結(jié)果取其平均值。

SEM表征：SEM被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)各種復(fù)合材料斷口微觀結(jié)構(gòu)形貌，通過(guò)觀察塑料與纖維之間的結(jié)合情況，分析復(fù)合材料制品熔接痕強(qiáng)度提高的原因。本試驗(yàn)主要觀察復(fù)合材料的縱向脆性斷口和沖擊斷口。測(cè)試前用液氮浸泡30 s，后立即對(duì)測(cè)試樣條進(jìn)行脆斷，將試樣截取2～5 mm的高度，粘附在載物臺(tái)上，對(duì)待測(cè)樣條斷口表面做噴金處理，以增強(qiáng)導(dǎo)電性，便于采集復(fù)合材料斷口圖像。

2 結(jié)果與討論

2.1 未加振PA66/GF材料熔接痕樣條力學(xué)性能

用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同GF含量下PA66/GF復(fù)合材料熔接痕樣條的力學(xué)性能，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 PA66/GF復(fù)合材料熔接痕樣條力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，相比純PA66樹(shù)脂，PA66/GF復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯改善，尤其是添加40%GF時(shí)，與純PA66試樣相比，拉伸強(qiáng)度提高約32.6%，彎曲強(qiáng)度提高約20.5%，缺口沖擊強(qiáng)度提高約15.5%。從表2可以看出，PA66/GF熔接痕樣條的拉伸強(qiáng)度、缺口沖擊強(qiáng)度隨著GF含量的增加遞增后再遞減，當(dāng)GF質(zhì)量含量為40%的PA66力學(xué)性能強(qiáng)度達(dá)到峰值，即GF含量對(duì)PA66熔接痕強(qiáng)度的影響存在最佳值，即本實(shí)驗(yàn)條件下，40%為最佳GF含量。

2.2 加振PA66/GF材料熔接痕樣條的力學(xué)性能

以GF含量40%的PA66/GF復(fù)合材料作為主要研究對(duì)象，進(jìn)行不同振動(dòng)頻率下PA66/GF復(fù)合材料熔接痕樣條的拉伸、彎曲、沖擊等力學(xué)性能測(cè)試，不同頻率下的力學(xué)性能變化曲線如圖1所示。

由圖1可以看出，針對(duì)添加相同GF含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%)的PA66/GF復(fù)合材料，通過(guò)對(duì)模具加裝振動(dòng)裝置，振動(dòng)頻率對(duì)熔接痕樣條的拉伸強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均有較大影響。加振熔接痕PA66/GF樣條與不加振相比，樣條拉伸強(qiáng)度分別提高了0.11%，0.57%，1.70%，7.26%，6.58%，彎曲強(qiáng)度分別提高了41.60%，42.50%，44.47%，45.33%，54.17%，缺口沖擊強(qiáng)度分別在10，20，50 Hz處分別提高了8.37%，23.01%，24.57%，在30，40 Hz處略有降低?？梢?jiàn)隨著振動(dòng)頻率的增加，熔接痕樣條的拉伸強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度總體均有提高，熔接痕拉伸強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的頻率最佳值40 Hz，當(dāng)振動(dòng)頻率為50 Hz時(shí)熔接痕彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值。

圖1 PA66/GF復(fù)合材料熔接痕樣條在不同頻率下力學(xué)性能變化曲線

2.3 PA66/GF熔接痕樣條宏觀結(jié)構(gòu)

(1) 熔接痕形成機(jī)理。

當(dāng)兩股熔體前沿尚未匯合以前，熔體前沿的壓力為零，如圖2a所示。一旦熔體匯合，如圖2b所示，熔體前沿處的壓力增加，流動(dòng)停止，兩個(gè)自由表面相互接觸并發(fā)生非線性的黏彈性變形。由于擴(kuò)散和分子運(yùn)動(dòng)，接觸表面的分子鏈開(kāi)始松弛、纏結(jié)和遷移，由于這種纏結(jié)和遷移的結(jié)果是為熔接痕提供鍵接強(qiáng)度，熔接痕熔體結(jié)合強(qiáng)度隨著分子鏈的纏結(jié)程度的增加而增加。熔接痕取向由于受擠壓作用而垂直于流動(dòng)方向，如圖2c、圖2d所示。

圖2 熔接痕的形成

(2) PA66/GF熔接痕樣條宏觀結(jié)構(gòu)。

由于GF在PA66/GF熔接痕樣條的熔接痕處無(wú)法形成交織融合狀態(tài)，因此該處是整個(gè)制品強(qiáng)度較弱的區(qū)域。隨著GF含量的提高，GF不僅沒(méi)能穿透熔接痕處，反而在熔體熔接痕結(jié)合線兩側(cè)形成更為明顯的堆積，如圖3所示，試樣在日關(guān)燈照射下形成更為明顯的黑影。剛開(kāi)始隨著GF含量的增加，GF的增強(qiáng)作用占主導(dǎo)作用，因此樣條整體強(qiáng)度是提高的，但隨著GF含量的增加，熔體熔接痕結(jié)合線兩側(cè)GF的堆積開(kāi)始影響整個(gè)樣條的強(qiáng)度，從而造成熔接痕樣條的力學(xué)性能反而下降。

圖3 日光燈照射PA66/GF熔接痕樣條宏觀結(jié)構(gòu)

2.4 熔接痕樣條的微觀結(jié)構(gòu)分析

采用SEM對(duì)沖擊斷面及脆斷的注塑流向斷面形貌進(jìn)行拍攝，從放大250倍電鏡圖中觀察PA66/GF復(fù)合材料的整體形貌以及GF與樹(shù)脂結(jié)合的界面情況。如圖4所示[16]，沿流動(dòng)方向從試樣中間取一段5 mm長(zhǎng)度樣條。在液氮中浸泡5 min，取出后即刻沿流動(dòng)方向從中間縱向掰斷得到縱截面。需要對(duì)切后的斷面作噴金處理，增強(qiáng)導(dǎo)電性，使得掃描電鏡更容易采集到圖像[17]。

圖4 脆斷試樣制備過(guò)程示意圖

取GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、不同振動(dòng)頻率下的熔接痕樣條皮下0.2，0.5，1 mm作為皮層、中間層、芯層的觀察位置，分別對(duì)PA66/GF熔接痕樣條進(jìn)行SEM分層表征觀察，結(jié)果如圖5所示，圖中箭頭方向表示熔體流動(dòng)方向。

圖5 振動(dòng)條件下PA66/GF材料樣條沖擊斷面SEM照片(×250)

通過(guò)圖5可以觀察到不同振動(dòng)條件下，GF在PA66基體中的分散狀況及GF與PA66基體間的相容情況。如圖5所示，所有熔接痕樣條存在一個(gè)共同的趨勢(shì)，即皮層的GF更趨向平行，基本沿著流動(dòng)方向，越往芯層，GF越趨向紊亂，芯層垂直于熔體流動(dòng)方向的GF較多，從皮層到芯層絮亂程度越來(lái)越強(qiáng)烈，這也為PA66/GF熔接痕樣條制品外層的剛性較大提供了有力支撐。對(duì)于相同含量的GF，隨著頻率的加大，GF隨著兩股料流在熔接痕處形成了更好的穿插交互，即PA66/GF熔接痕樣條對(duì)外力的抵抗除了樹(shù)脂基體、樹(shù)脂與GF的連接之外，還有GF在熔接痕區(qū)域相互穿插形成的交織結(jié)構(gòu)，這是樣條熔接痕強(qiáng)度改善的重要原因。由圖5的芯層結(jié)構(gòu)亦可以看出，不加振動(dòng)的PA66/GF樣條芯層也有內(nèi)旋纏疊的交織態(tài)，但其交織程度不及振動(dòng)條件下的熔接痕樣條強(qiáng)烈，因此其強(qiáng)度低于加振的PA66/GF熔接痕樣條。

3 結(jié)論

項(xiàng)目通過(guò)改變GF含量并引入振動(dòng)力場(chǎng)，進(jìn)行了GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料注塑制品熔接痕強(qiáng)度改善的研究，結(jié)果表明：

(1) PA66/GF熔接痕樣條的拉伸強(qiáng)度隨著GF含量的增加遞增后再遞減，當(dāng)GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)PA66拉伸強(qiáng)度達(dá)到峰值?？梢?jiàn)GF含量對(duì)PA66熔接痕強(qiáng)度的影響存在最佳值，即本實(shí)驗(yàn)條件下，40%為最佳GF含量。這是因?yàn)殡S著GF含量的增加，熔體熔接痕結(jié)合線兩側(cè)GF的堆積開(kāi)始影響整個(gè)樣條的強(qiáng)度，從而造成熔接痕樣條的力學(xué)性能在某一GF含量條件下存在拐點(diǎn)。

(2) 在GF含量不變的情況下，利用自制熔接痕樣條振動(dòng)模具引入振動(dòng)力場(chǎng)，可有效改善PA66/GF熔接痕樣條制品的熔接痕強(qiáng)度。隨著振動(dòng)頻率的增加，熔接痕樣條拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度總體均獲得提高。當(dāng)振動(dòng)頻率為40 Hz時(shí)，熔接痕樣條拉伸強(qiáng)度達(dá)到最佳值，當(dāng)振動(dòng)頻率為50 Hz時(shí)，熔接痕樣條的彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均達(dá)到最大值。

(3)在振動(dòng)力場(chǎng)的作用下，隨著振動(dòng)頻率的增加，PA66基體與GF均更易沿著熔體流動(dòng)方向移動(dòng)，從而使GF在PA66/GF熔接痕樣條制品的熔接痕區(qū)域相互穿插形成交織結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是熔接痕樣條強(qiáng)度提高的主要原因。