玻璃纤维增强尼龙6的研究进展.pdf

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2015年第11期玻璃钢/复合材料85玻璃纤维增强尼龙6的研究进展李跃文(湖南科技职业学院,长沙410004)摘要:优化玻璃纤维(GF)的种类和用量、尼龙6(PA6)与GF的复合工艺,改善PA6与GF的界面结合情况,均有利于改进PA6/GF复合材料的性能。利用第三组分和GF对PA6进行协同改性也是改善PA6/GF复合材料性能的重要手段。综述了PA6/GF复合材料性能的影响因素、复合材料的复合工艺、界面处理方法和第三组分与GF对PA6的协同改性等方面的研究进展。关键词:尼龙6;玻璃纤维;复合工艺;界面改性;协同改性中图分类号:TB332;TQ323.6文献标识码:A文章编号:1003-0999(2015)11-0085-05玻璃纤维(GF)可以明显提高尼龙6(PA6)的拉伸性能、弯曲性能、冲击性能、耐摩擦磨损性能和耐热性,是PA6常用的增强材料。GF的用量、PA6与GF的复合工艺、PA6与GF的界面结合情况等因素均对PA6/GF复合材料的性能有重要影响。因此要制备综合性能优良的PA6/GF复合材料,必须优化GF用量、复合工艺方法和参数,保证GF与基体问结合良好。在PA6/GF复合材料中添加第三组分进行协同改性,往往可以改善复合材料的特定性能,或者赋予复合材料更加均衡的综合性能,因而多组分协同改性近年来也得到了人们的重视。1复合材料制备工艺和GF含量对性能的影响GF含量对复合材料的力学性能和摩擦学性能均有明显影响。张士华等¨通过碱催化阴离子聚合反应制备了无碱GF/铸型PA6复合材料,研究了复合材料的摩擦磨损性能。发现随着GF含量增加,复合材料的摩擦系数逐渐减小,耐磨性逐步提高,当GF含量达到30%后复合材料具有较好的耐磨性;在水润滑条件下,复合材料的摩擦系数和磨损量较干摩擦时大幅降低;当GF含量较低时,复合材料的磨损机制主要表现为粘着磨损和磨粒磨损;当GF含量较高时,磨损机制主要为磨粒磨损和疲劳磨损。杨小燕等采用双螺杆挤出机作为聚合反应器,以烧碱为催化剂,利用反应挤出技术制备了无碱GF/铸型PA6复合材料。制备过程中前处理脱水温度—℃为130 ̄C,脱水时间为3h,挤出温度为235245,螺杆转速为250r/rain。发现随着GF含量的增加,复合材料的拉伸强度、弯曲强度明显提高,断裂伸长率和冲击强度下降,挤出成型难度明显加大。当GF含量为30%时,复合材料的综合性能较好,同时反应挤出操作可靠、可行。制备工艺影响复合材料中GF的最终保留长度和复合材料的织态结构,从而影响复合材料的最终性能。谢莹等采用熔融共混法制备了GF/PA6复合材料,研究了GF含量对复合材料力学性能和摩擦性能的影响。结果表明,随着GF含量增加,复合材料的密度、硬度、拉伸强度和缺口冲击强度明显增大,力学性能逐渐提高;GF质量分数为15%时,复合材料综合性能较好,其缺口冲击强度比纯PA6提高5倍,摩擦系数降低43%,磨损量减少33%;GF含量低时,复合材料的磨损以磨粒磨损和粘着磨损为主,含量较高时则主要表现为磨粒磨损和疲劳磨损。崔峰波利用双螺杆挤出机熔融共混制备了无碱长玻璃纤维(LGF)/PA6复合材料,研究了GF含量和复合材料粒料长度对其力学性能的影响。结果显示,复合材料的力学性能随GF含量的增加而增强;GF含量为50%、粒料长度为12mm时,复合材料的拉伸强度为230MPa、弯曲强度为359MPa、缺口冲击强度为40kJ/In;制样时注塑用的粒料从6ram变化到12ram时,各种力学性能均相应增大。刘庆辉也通过双螺杆挤出机熔融挤出制备了短切玻璃纤维(SGF)增强PA6和LGF增强PA6。发现在实验范——收稿日期:20150422基金项目:湖南省教育厅科研课题(13C353)作者简介:李跃文(1965一),男,硕土,副教授,主要从事高分子材料改性方面的研究。86玻璃纤维增强尼龙6的研究进展2015年11月≤围内(GF含量40%),无论是SGF增强PA6还是LGF增强PA6,其冲击强度、拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量均随GF含量增加而增加。熔融挤出时,喂料速率对SGF增强PA6的性能影响较大,随喂料速率的增大,复合材料的拉伸性能、弯曲性能和冲击强度均劣化;这是因为随喂料速率增大,GF所受剪切作用越强,制得的复合材料中GF保留长度越短。LGF添加位置对长GF增强PA6的性能有明显影响,与从靠近喂料端的副喂料口加入相比,LGF从靠近口模端的排气口加入时,由于制得的复合材料中GF保留长度较长,复合材料的力学性能更好。与SGF增强PA6相比,LGF增强PA6中GF最终的保留长度较长,其力学性能明显较好。KuramE等用Taguchi方法研究了循环加工次数、熔融温度、模具温度、注射压力和保压压力等参数对GF增强PA6注塑加工试样性能的影响,发现循环加工次数对试样性能影响最大,试样的力学性能随加工次数增加而明显劣化。2GF增强PA6的界面改性GF与PA6极性相差很大,两者问界面结合不强,必须改善其界面结合强度才有可能制得性能优良的PA6/GF复合材料。常用的界面改性方法是用偶联剂处理GF表面,其中又以硅烷偶联剂的改性效果较好。不同的硅烷偶联剂由于化学结构不同,其改性效果又有区别。张士华等比较了KH一550和KH.570两种硅烷偶联剂对PA6/GF复合材料的改性效果,发现KH-570使复合材料的力学性能劣化,而KH.550则能有效改善复合材料的力学性能。GF未经偶联剂处理时,复合材料的弯曲强度、拉伸强度和冲击强度均比纯PA6有所降低,而GF经质量分数为0.2%的KH-550处理后,所得复合材料(GF含量为30wt%)的弯曲强度比纯PA6提高35%,弯曲模量提高72%,拉伸强度提高46%,拉伸模量提高88%,冲击强度提高41%。扫描电镜(SEM)观测显示,经KH.550处理后,复合材料中GF与基体问结合强度明显改善。其原因是KH.550所含功能基为氨基,可以与PA6分子链中的酰胺基反应,从而将GF与基体偶联在一起;而KH.570所含功能基为甲基丙烯酰氧基,不能与PA6发生化学反应,在GF与基体间起不到偶联作用。杨旭宇的研究也表明,GF经KH550处理后,能均匀分散在PA6基体中,与基体界面结合良好,复合材料的力学性能明显一|l0瓣吱0改善。稀土是一类新型的表面处理剂,研究表明,利用马来酸单酯稀土对与GF结构类似的硅灰石进行表面处理,可以明显地改善PA6/硅灰石复合材料的’界面结合和力学性能,效果好于硅烷偶联剂m。尹璞等¨用稀土和KH一550分别处理SGF,然后通过熔融共混制得了PA61超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)/SGF!玻璃微珠复合材料,发现用稀土处理比用KH一550处理的效果要好,相应的复合材料具有更好的综合性能。除偶联剂外,相容剂等其他助剂也有助于改善cF与PA6之间的界面结合。邹志明等¨的研究表明,马来酸酐接枝线型低密度聚乙烯能够改善GF与PA6问的结合强度。加入马来酸酐接枝线型低密度聚乙烯后,PA61GF复合材料的表观粘度有所增大。金杰等¨通过静电吸附方法在GF表面包覆了乙烯马来酸酐共聚物(EMA),再通过熔融共混制备了GF.EMA_/PA6复合材料,发现在GF表面静电吸附EMA制得的混杂增强体极大地改善了GF与PA6之间的界面结合,显著地提高了复合材料的力学性能。郑云龙先用KH550处理GF,再在混合体系中加入由间苯二甲酸一5一磺酸钠、N一丁基对甲苯磺酰胺和双马来酰亚胺组成的混合改性剂,发现混合助剂的加入能促进GF在PA6基体中的分散,提高界面粘结强度,从而提高复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、动态储能模量、损耗模量、耐热性,降低其吸水性。3其他填料对GF增强PA6的改性纳米粉体具有特殊的尺寸效应,将其与GF对PA6进行复合改性,往往会有加和甚至协同效应。纳米SiO:耐高温、耐腐蚀、耐磨损,是一种已经工业化生产的纳米粉体。张静等利用双螺杆挤出机挤出造粒、注塑机注塑制样,制备了纳米SiO与GF填充PA6复合材料,发现SiO,的加入能明显提高复合材料的拉伸强度、表面硬度和耐磨性,降低其摩擦系数。姜勇等¨通过原位聚合和螺杆挤出法制备了PA61SiO/GF纳米复合材料,发现复合材料的显微硬度随纳米SiO含量的增加而增大。张玲等利用静电相互作用在GF表面复合纳米SiO,并通过转矩流变仪制备了PA6/GF.SiO,复合材料,发现静电复合方法可以使纳米SiO均匀吸附在GF表面,复合增强体能加快PA6的结晶速度,并使材料的玻璃化温度、结晶温度、动态模量、拉伸强度等明2015年第l1期玻璃钢/复合材料87显提高。纳米SiN粉体是一种硬度高、耐磨性好、化学成分稳定、抗高温氧化的新型纳米材料。张静等以纳米siN粉体和GF混杂增强PA6,研究了复合材料的摩擦学性能。结果表明,纳米SiN和GF混杂增强可以显著改善PA6的摩擦学性能;当复合材料中Si。N含量较低时,其磨损机理主要是粘着磨损,当si,N含量较高时,其磨损机理则既有粘着磨损,也有磨粒磨损。粉煤灰是一种价廉易得的填料,与GF共用对PA6有良好的增强效果。张士华等_1采用碱催化阴离子聚合反应制备了玻璃纤维粉煤灰增强铸型PA6复合材料,研究了粉煤灰的活化偶联处理对复合材料力学性能的影响。结果显示,粉煤灰经机械磨细法活化处理后,颗粒均匀细小,再经钛酸脂偶联剂处理后与尼龙基体结合良好;当玻璃纤维质量分数为30%、粉煤灰质量分数为10%时,所得复合材料具有较好的力学性能,其拉伸强度达84MPa,弯曲强度达166MPa,无缺口冲击强度达274kJ/In。碳纳米管(CNT)是一种兼具高力学强度和导电性的纳米材料。ShenZQ等研究了CNT的加入对GF布增强CNT/PA6复合材料力学性能和热性能的影响,发现加入2wt%的CNT后,复合材料的弯曲强度提高36%,热导率提高42%,点燃时间和峰热释放时间分别推迟31%和118%。张玲等¨利用静电作用在GF表面复合多壁碳纳米管(MWCNT),制备了PA6/GF.MWCNT复合材料。发现静电复合有利于MWCNT在GF表面的均匀分布,复合增强体与基体界面结合强,有效地提高了复合材料的拉伸—强度和模量。金杰等-l3_也通过静电作用制得了GF—MWCNT和GFEMA.MWCNT混杂增强体,并利用熔———融共混法制得了GF.MWCNT/PA6和GFEMAMWC—NT/PA6复合材料。GFMWCNT结构由于纤维表面存在分散均匀的MWCNT网络,形成优良的导电通路,能有效降低复合材料的体积和表面电阻率。而GF.EMA-MWCNT混杂结构能够结合EMA和MWCNT二者的作用,同时提高复合材料的力学性能和抗静电性能。纳米粘土和笼状的齐聚物倍半硅氧烷与GF对PA6的复合改性也有研究。IsitmanNL等利用双螺杆挤出机制备了纳米粘土/GF/PA6复合材料,在复合材料中添加了磷系和硼酸锌阻燃剂,研究了其阻燃性能。发现纳米粘土取代部分阻燃剂后,复合材料的峰热释放速度降低,点燃时间推迟,氧指数(LOI)提高;燃烧时,复合材料中形成的牢固和连续的玻璃质屏障能够有效阻止传热和传质。ShenSZ等L22研究了纳米粘土对粘土/GF布/PA6纳米复合材料阻燃性和力学性能的影响,发现加入3wt%的粘土和30vo1%的GF布后,复合材料的点燃时间和峰热释放时间分别推迟了55%和118%;加人2wt%的粘土后,复合材料的弯曲模量和弯曲强度分别增加10%和16%。蔡梓林等利用毛细管流变仪和动态流变仪测试了PA6/蒙脱土/SGF复合材料的剪切粘度、复数粘度、储能模量和损耗模量,发现在低剪切速率下,复合材料的剪切粘度大于纯PA6;在高剪切速率下,复合材料的剪切粘度低于纯PA6;复合材料在低频区呈类固响应,其储能模量和复数粘度明显提高。YilmazS等的研究表明,异丁基缩水甘油酯齐聚物倍半硅氧烷对SGF增强PA6复合材料具有良好的增韧作用。4其他树脂对GF增强PA6的改性PA6/GF复合材料的吸水率高,影响了其使用性能。在复合材料中添加高刚性、低吸水率的苯乙烯/丙烯腈/Jl颐丁烯二酸酐共聚物(SANMAH),在保持复合材料良好力学性能的前提下,有助于降低其—吸水率。傅荣政通过熔融共混制得了PA6/SANMAH/GF复合材料,发现PA6与SANMAH的质量比为100:3~30时,PA6/SANMAH/GF复合材料的弯曲强度、弯曲模量和缺口冲击强度高于PA6/GF复合材料,而拉伸强度与其相当;随SANMAH含量的增加,复合材料的吸水率下降。在PA6/GF复合材料中添加聚乙烯(PE),则不仅可降低复合材料的’吸水率,而且可降低其成本。MalchevPG等通过控制GF的表面处理方法,制备了两种不同类型的PE/PA6/GF复合材料,一种复合材料中GF与分散相PA6相容,另一种复合材料中GF与连续相PE相容。发现前者的结构中,GF由于PA6的熔接,在PE基体中形成了一个由GF和PA6构成的连续的网络结构,而后者则没有形成这样的网络结构。前者的拉伸强度和模量明显高于后者。而且在聚合物熔点之上退火后,前者的动态模量进一步增加。在—PA6/GF复合材料添加热塑性聚氨酯弹性体(PURT),有望克服其干态和低温韧性差的缺点。蔡力锋—等副采用熔融挤出法制备了PA6/PURT/GF复合材料,发现复合材料的拉伸强度、拉伸模量和冲击强度均明显优于纯PA6。姆施88玻璃纤维增强尼龙6的研究进展2015年11月在PA6/GF复合材料中添加具有良好自润滑性能的UHMWPE和聚四氟乙烯(PTFE)等树脂,有利于改善其摩擦学性能。尹璞等制备了PA6/UH-MWPE/SGF/玻璃微珠复合材料,发现所制得的复合材料具有较好的综合机械性能、摩擦磨损性能和较低的吸水率。LiDx等_29的研究则表明单独使用UHMWPE对改善复合材料的摩擦磨损性能不仅无益,反而有害,而单独使用PTFE则有助于改善复合材料的摩擦磨损性能,若两者并用则有良好的协同效应。5其他助剂对GF增强PA6的改性ChenYH等利用三聚氰胺和多磷酸制备了磷一氮阻燃剂,并将其添加到PA6/GF复合材料中,研究了复合材料的阻燃性能和力学性能。结果显示,磷.氮阻燃剂在PA6的加工温度范围内比较稳定,特别适用于PA6/GF复合材料的阻燃改性;增加阻燃剂用量,复合材料的阻燃性能改进并不明显;但是增加GF用量,其阻燃性能显著提高。这是因为GF能显著增加复合材料的成炭率,降低最大热分解速率,促进焦炭层的形成,提高焦炭层的强度。制得的复合材料具有良好的阻燃性能和力学性能。HuZ等l3研究了双异丁基次膦酸和单异丁基次膦酸所构成的混合酸的铝盐对PA6/GF复合材料的阻燃作用,发现这种阻燃剂能提高复合材料的LOI,降低其峰热释放速率。复合材料的阻燃等级达到了HL.94V.0级。SEM观测显示,复合材料在燃烧过程中形成了焦炭层,这种焦炭层能在凝聚相中起阻燃屏障作用;锥形量热数据显示,复合材料在燃烧过程中同时存在气相阻燃机制。孙向东将增韧剂六甲基磷酰三胺添加到铸型PA61磨碎GF复合材料中,发现六甲基磷酰三胺能大幅度提高复合材料的韧性,当添加量为5%一10%时,复合材料的综合力学性能最佳。李杨等制备了PA6/LGF/氯化钙复合材料,发现氯化钙的络合作用能够降低PA6的熔点,LGF的加入在复合材料中起到了异相成核作用,诱导PA6横晶的生成,一定程度上阻止了氯化钙的络合作用。6结语GF是PA6常用的增强材料,两者间的界面结合强度对PA6/GF复合材料的性能影响很大,除偶联剂外,稀土、大分子相容剂也被证明能有效改善两FB懑者间的界面结合。SiO、SiN等纳米粉体与GF并用不仅能增强PA6复合材料的力学性能,而且能显著改善其摩擦学性能。碳纳米管与GF并用除能增强PA6复合材料的力学性能外,还能改善其抗静电性能。少量纳米粘土加入PA6/GF复合材料中,不仅有利于改善复合材料的力学性能,而且能显著改善其阻燃性能。有些磷系和磷.氮阻燃剂在改善PA6/GF复合材料的阻燃性方面被发现与GF有良好的协同效应。今后,PA6/GF复合材料的界面改性、GF与第三组分对尼龙6的复合改性依然是两个值得重视的研究方向。参考文献[1]张士华,陈光,崔崇,等.玻璃纤维增强MC尼龙复合材料的摩—擦磨损性能研究[J].摩擦学学报,2006,26(5):452455.[2]杨小燕,周云港,叶红梅,等.反应挤出玻璃纤维增强PA6工艺—初探[J].现代塑料加工应用,2008,20(6):3639.[3]谢莹,李笃信,赵丽,等.GF增强PA6复合材料的力学与摩擦—性能研究[J].工程塑料应用,2010,38(11):1215.[4]崔峰波.长玻璃纤维增强尼龙复合材料的制备及性能研究[D].—杭州:浙江大学硕士毕业论文,2011.149.[5]刘庆辉.玻璃纤维增强PA6复合材料性能研究[D].长春:长春—工业大学硕士毕业论文,2012.144.—[61KuramE,TasciE,AltanAI,eta1.Investigatingtheeffectsofrecyclingnumberandinjectionparametersonthemechanicalprope 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大叔大爷
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