周長汶，付培根，劉 敏，王培毅，劉 遷，趙 宇

（泰山玻璃纖維有限公司，泰安 271000）

0 前言

聚己二酰己二胺（PA66） 具有耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、自潤滑性好等特點(diǎn)，作為金屬替代品，可廣泛用于服裝紡織、輪胎制造、汽車結(jié)構(gòu)件、電子、電氣等產(chǎn)業(yè)［1-3］。但直接使用PA66制作的產(chǎn)品使用性能較低，在參與應(yīng)用時(shí)，無法較好地承擔(dān)高負(fù)荷的載力和應(yīng)對復(fù)雜的工作環(huán)境［4］。因此，PA66增強(qiáng)改性材料應(yīng)運(yùn)而生，經(jīng)過不同途徑增強(qiáng)改性的PA66材料能有效克服其本身物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的不足，獲得更高的使用價(jià)值［5］。在PA66改性材料領(lǐng)域中，較成熟且兼具優(yōu)異性能表現(xiàn)和良好成本優(yōu)勢的改性策略是采用玻璃纖維（GF）進(jìn)行共混填充制備GF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料的改性方法。

然而隨著汽車輕量化、激光焊接技術(shù)普及化和電子電器輕薄化趨勢的發(fā)展，下游產(chǎn)品客戶對相關(guān)制品用PA66復(fù)合材料的強(qiáng)度、光學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性提出了更高的要求，采用常規(guī)圓形GF改性制備的PA66復(fù)合材料（GF-PA66）難以滿足終端制品對更高的強(qiáng)度［6-8］、剛性、透光度和更低的翹曲變形量［9］、收縮率的要求。本工作采用泰山玻璃纖維有限公司研制的高模扁平玻璃纖維、圓形玻璃纖維和扁平玻璃纖維作為增強(qiáng)體，制備了不同GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PA66復(fù)合材料進(jìn)行對比，研究了高模扁平玻璃纖維增強(qiáng)PA66在加工性能、力學(xué)性能、光學(xué)性能、抗翹曲性能和材料各向異性方面的優(yōu)勢，為發(fā)展高力學(xué)性能和高使用性能的PA66增強(qiáng)復(fù)合材料開拓新的道路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

PA66：EPR27，中國神馬集團(tuán)有限責(zé)任公司；

圓形玻璃纖維：ECS13-3.0-T435N，圓形橫截面直徑13 um，泰山玻璃纖維有限公司；

扁平玻璃纖維：TFG30-3.0-T4355，橫截面尺寸為25.5 μm×8.5 μm，扁平比約為3，泰山玻璃纖維有限公司；

高模扁平玻璃纖維：S-1FG30-3.0-T4355，橫截面尺寸為25.5 μm×8.5 μm，扁平比約為3，泰山玻璃纖維有限公司；

抗氧劑1098：抗氧劑168，天津利安隆新材料股份有限公司；

EBS：P130，印度PT.CMS Chemicals有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)：ZE25A-39D型，德國克勞斯瑪菲機(jī)械公司；

注塑機(jī)：FANUC ROBOSHOT α-S 100 iA型，日本發(fā)那科株式會(huì)社；

萬能材料試驗(yàn)機(jī)：E44.304型，美特斯工系統(tǒng)（中國）有限公司；

沖擊試驗(yàn)機(jī)：GT-7045-MOH型，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司；

熔體流動(dòng)速率測試儀：RL-Z1B1型，上海思爾達(dá)科學(xué)儀器有限公司；

霧度計(jì)：TH-100型，杭州彩譜科技有限公司。

1.3 試樣制備

PA66樹脂在80 ℃下連續(xù)干燥4 h，與抗氧劑、潤滑劑按照表1比例進(jìn)行混合，通過失重秤加入到同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)擠出中與GF混合造粒，擠出機(jī)加工溫度分別設(shè)置為240，255，270，270，270，270，275，275，275 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速300 r/min；將PA66復(fù)合粒子在80 ℃下連續(xù)干燥4 h后，按照測試要求使用注塑機(jī)制備成相應(yīng)的測試樣條留待檢測。

表1 試驗(yàn)樣品編號(hào)及其配方

1.4 測試方法

拉伸性能：按照ISO 527.2-2012《塑料-拉伸性能的測定 第2部分：模塑和擠壓塑料的試驗(yàn)條件》檢測，每種試樣重復(fù)5次，取平均值；

彎曲性能：按照ISO 178-2019《塑料-彎曲性能的測定》檢測，每種試樣重復(fù)5次，取平均值；

沖擊性能：按照ISO 179.2-2020《塑料-簡支梁沖擊性能的測定 第2部分：儀器化沖擊試驗(yàn)》檢測，每種試樣重復(fù)10次，取平均值；

熔融指數(shù)：按照ISO 1133.1-2022《塑料-熱塑性塑料熔體質(zhì)量流率（MFR）和熔體體積流率（MVR）的測定 第1部分：標(biāo)準(zhǔn)方法》檢測，每種試樣重復(fù)5次，取平均值；

透明度測量：注塑制備90 mm×60 mm×3 mm的方板，自然放置冷卻，將測試樣板平整放置在霧度計(jì)的光源檢測口處，測試其對光線的透明度；

翹曲度測量：注塑制備60 mm×80 mm×1 mm的方板，自然放置冷卻，在平整光滑的平臺(tái)上用重物壓住方板的一角，然后測試其余3個(gè)角的翹曲高度，取翹曲高度最大值h，每次測試5塊方板取平均值ha，將ha除以測試樣板對角線長度L的2倍得到翹曲度α，翹曲度的數(shù)值越大則表示翹曲程度越嚴(yán)重；

各向異性值測量：使用80 mm×80 mm×2 mm的方板，分別沿熔體注塑方向（縱向）、垂直熔體注塑方向（橫向）裁取寬為10 mm的樣條，測試彎曲性能，將縱向彎曲強(qiáng)度與橫向彎曲強(qiáng)度的比值作為材料各向異性值，各向異性值越大則材料的各向異性程度越高。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 熔融指數(shù)測試

由圖1知，在30%~60%的GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，SF-PA66和扁平玻璃纖維增強(qiáng)的PA66復(fù)合材料（FPA66）的熔體流動(dòng)性均優(yōu)于GF-PA66，在GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60%時(shí)，B-60的熔融指數(shù)為21.5 g/10 min，C-60的熔融指數(shù)為17.4 g/10 min，而A-60的熔融指數(shù)僅為12.1 g/10 min。在各GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PA66增強(qiáng)體系中，SF-PA66和F-PA66的熔體流動(dòng)性均較好，有利于材料加工時(shí)的流動(dòng)成型，減少制品缺陷產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 不同GF增強(qiáng)PA66的熔融指數(shù)曲線

2.2 力學(xué)性能測試

2.2.1 拉伸性能測試

由圖2可知，在30%GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，F(xiàn)-PA66的拉伸性能低于常規(guī)的GF-PA66，GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高至40%時(shí)，B-40的拉伸強(qiáng)度達(dá)到與A-40相接近的水平。隨著纖維含量的繼續(xù)增高，F(xiàn)-PA66的拉伸強(qiáng)度迅速超過了GF-PA66。SF-PA66在所有GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)體系中的拉伸強(qiáng)度均為最高，C-60的拉伸強(qiáng)度比A-60高13.3%，比B-60高5.1%。由圖2可知，在30%~60%的GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，SF-PA66在所有GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)體系中均表現(xiàn)為最高的拉伸模量。高模扁平玻璃纖維在不同GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的體系中均表現(xiàn)出了最優(yōu)的拉伸性能，體現(xiàn)出了SF-PA66對PA66拉伸性能增強(qiáng)的優(yōu)勢。

圖2 不同GF增強(qiáng)PA66的的拉伸性能

2.2.2 彎曲性能

由圖3a可知，在30%含量時(shí)，F(xiàn)-PA66的彎曲強(qiáng)度低于GF-PA66，但隨著GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)在復(fù)合材料中所占比例逐漸升高，F(xiàn)-PA66的彎曲強(qiáng)度提高速度超過了GF-PA66的提高速度，B-40的拉伸強(qiáng)度達(dá)到與A-40相接近的水平。在GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)，B-50的彎曲強(qiáng)度超過了A-50，隨著GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步提高，B-60與A-60的彎曲強(qiáng)度差距進(jìn)一步擴(kuò)大。由圖3b可知，在30%~60%的GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，由于高模扁平玻璃纖維本體的模量較高，故SF-PA66在所有GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)體系中均表現(xiàn)為較高的彎曲模量。高模扁平玻璃纖維在不同GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的體系中均表現(xiàn)出了最優(yōu)的彎曲性能，體現(xiàn)出了SF-PA66對PA66彎曲性能增強(qiáng)的優(yōu)勢。

圖3 不同GF增強(qiáng)PA66的的彎曲性能

2.2.3 缺口沖擊性能

由圖4可知，在所有GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，SF-PA66的缺口沖擊強(qiáng)度均表現(xiàn)最好。隨著GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，SF-PA66和F-PA66缺口沖擊強(qiáng)度的提升速度沒有明顯的減緩趨勢。而GF-PA66在GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升至50%時(shí)，隨著GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步提高，其缺口沖擊強(qiáng)度的提高速度明顯降低。高模扁平玻璃纖維在各GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)增強(qiáng)PA66復(fù)合材料體系中均具有沖擊性能優(yōu)勢，且隨著纖維含量的提高，這種優(yōu)勢也隨之增大。

圖4 不同GF增強(qiáng)PA66的的缺口沖擊性能

2.3 透明度

由圖5可知，隨著GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，所有樣品的透明度均呈降低趨勢，但B-30和C-30的初始透明度值較高，分別為44%和45.2%，且透明度降低速度SF-PA66＜F-PA66＜GF-PA66，故SF-PA66在所有GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)體系中的透明度表現(xiàn)均最好。高模扁平玻璃纖維具有的扁平結(jié)構(gòu)有利于光線的透過，減輕了光通過玻璃纖維時(shí)發(fā)生的折射程度，因此SF-PA66的光透過性能較好，圖6展示了扁平玻璃纖維具有優(yōu)異透光性的原理。

圖5 不同GF增強(qiáng)PA66的的透明度曲線

圖6 光線透過圓形玻璃纖維和扁平玻璃纖維時(shí)的折射示意圖

2.4 各向異性及翹曲度

由圖7a可知，GF-PA66在所有樣品中的翹曲是最嚴(yán)重的，而SF-PA66和F-PA66的翹曲度相接近且處于較低水平。隨著GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，SFPA66和F-PA66的翹曲度變化不明顯，而GF-PA66的翹曲度則在30%~50%的GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)間內(nèi)不斷降低。在GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)，GF-PA66的翹曲度基本穩(wěn)定，即便提高GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)至60%，A-60的翹曲度相比于A-50的翹曲度也不再降低。高模扁平玻璃纖維在所有GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PA66增強(qiáng)體系中均表現(xiàn)出最優(yōu)的抗翹曲能力。由圖7b可知，隨著GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，所有樣品的各向異性值均呈現(xiàn)升高趨勢，對比同纖維含量PA66復(fù)合材料樣品的各向異性可知，GF-PA66的各向異性值最高，在30%、40%、50%和60%的GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)分別為1.88、2.31、2.36和2.44。而SF-PA66和F-PA66的各向異性值相近且較低，這表明GF-PA66材料在不同方向上表現(xiàn)出的性能差異更大，而SF-PA66和F-PA66則能提供多方向上的更穩(wěn)定和更均衡的使用性能。

圖7 不同GF增強(qiáng)PA66的的翹曲度和各向異性值曲線

2.5 斷面SEM

圖8展示了不同玻璃纖維增強(qiáng)PA66各向異性測試樣條斷面中的纖維分布和斷裂情況。由圖8a和圖8b可看出，圓形玻璃纖維在GF-PA66基體內(nèi)的取向分布程度高，大部分纖維排布方向都平行于注塑熔體流動(dòng)方向，A-60的縱向各向異性彎曲樣條在發(fā)生斷裂時(shí)的大部分負(fù)荷被GF分擔(dān)，而橫向各向異性彎曲樣條在發(fā)生斷裂時(shí)則主要以PA66樹脂為負(fù)荷承載主體，這導(dǎo)致了GF-PA66材料在垂直于注塑方向上的性能嚴(yán)重降低，橫向和縱向性能差異大。由圖8c、圖8d、圖8e和圖8f可看出，SFPA66和F-PA66基體內(nèi)扁平玻璃纖維的取向程度更輕，SF-PA66和F-PA66有更多分布方向與注塑熔體流動(dòng)方向不一致的纖維，從而保證了SF-PA66和F-PA66的橫向和縱向的性能差異相對較?。ǜ飨虍愋灾敌。?。

圖8 不同玻璃纖維增強(qiáng)PA66各向異性測試樣條斷面的SEM圖像

3 結(jié)論

在本工作中，探討了SF-PA66在加工性能、機(jī)械性能、光學(xué)性能、抗翹曲性能和材料各向異性方面的優(yōu)勢，并與F-PA66和GF-PA66進(jìn)行了對比。得出以下結(jié)論：

（1）SF-PA66具有優(yōu)良的加工流動(dòng)性，在30%~60%的GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)的熔體流動(dòng)速度均優(yōu)于GF-PA66，與F-PA66相近，有利于避免因流動(dòng)差導(dǎo)致的制品缺陷。

（2）SF-PA66在拉伸性能、彎曲性能和沖擊性能方面均明顯優(yōu)于GF-PA66和F-PA66，表現(xiàn)出了極佳的力學(xué)性能，且復(fù)合材料的拉伸模量和彎曲模量顯著高于GF-PA66和F-PA66，具有更加優(yōu)秀的抗變形能力。

（3）SF-PA66具有與F-PA66相一致的抗翹曲能力和低各向異性，且具有更好的透光性。

綜上所述，SF-PA66的綜合性能優(yōu)異，對薄壁制品、汽車制品、激光焊接等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用意義。