玻璃纤维改性PA 66冲击强度的影响因素分析

沈澄英，宋功品

(江阴职业技术学院化学纺织工程系，江苏江阴214433)

聚己二酰己二胺(PA 66)具有优良的力学性能和电气性能，在工程塑料中产量大、用途广。但在实际应用中纯PA 66的强度有限，需对PA 66进行改性。采用玻璃纤维改性PA 66是一种比较常用的方式［1－4］。

玻璃纤维改性PA 66可以大幅度提升其力学性能，可长期在高温高湿的环境下工作，被广泛地应用于交通、建材、电动工具等领域。这些领域不仅要求材料具有优异的强度，而且对材料的冲击强度有特别要求。相对于缺口冲击强度，无缺口冲击强度更能表征材料在实际使用中的抗冲击性能。例如在铁路轨枕套管应用中，要求玻璃纤维改性PA 66的无缺口冲击强度要大于等于80 kJ/m2［5］。因此，研究玻璃纤维改性PA 66的冲击强度的影响因素具有重大意义。

作者采用玻璃纤维改性PA 66为基料，分析了基料黏度、玻璃纤维粗细、增韧剂、挤出工艺等对改性PA 66的冲击性能的影响。

1 试验

1.1 原料

PA 66:牌号EPR27，EPR32，相对黏度分别为2.67，3.20，神马化工有限公司产;马来酸酐接枝聚乙烯(PE-g-MAH):牌号ST-7，南京塑泰高分子科技有限公司产;马来酸酐接枝茂金属乙烯-辛烯共聚物(POE-g-MAH):牌号LYIM1826，上海朗裕实业有限公司产;马来酸酐接枝三元乙丙橡胶(EPDM-g-MAH):牌号ST-4，南京塑泰高分子科技有限公司产;玻璃纤维:牌号 ERS200-13-T635B，ECS10-3.0-T435N，EDR240-T835 直径分别为 13，11，17 μm，泰山玻璃纤维有限公司产;抗氧剂168、抗氧剂1010:汽巴化学有限公司产。

1.2 设备

SHR-5高速混合机:张家港创新机械有限公司制;SJSH-30型同向双螺杆挤出机:长径比为36，河北石家庄星硕机械有限公司制;SZ-800型注塑机:张家港神舟机械有限公司制;WDT-11万能拉伸试验机:河北金建检测设备有限公司制;XJU-5.5悬臂梁冲击试验机:河北金建检测设备有限公司制;XJ-52BD型数字显微镜:2×106像素，上海蒲柘光电仪器有限公司制。

1.3 试样制备

PA 66切片于105℃干燥6 h，将烘干的PA 66、增韧剂、抗氧剂、其他加工助剂按照一定配比在高混机中混合均匀后，从主喂料口加入双螺杆挤出机，长玻璃纤维从侧喂料口加入，经熔融挤出，冷却，风干切料制得玻纤改性PA 66切片。玻璃纤维质量分数为33%，挤出工艺条件:1#为温度260℃，螺杆转速400 r/min;2#为温度280℃，螺杆转速280 r/min。

玻璃纤维改性PA 66切片于105℃干燥6 h后，采用注塑机制样。注塑温度250～275℃，注塑压力80～110 MPa。

1.4 性能测试

玻璃纤维分布:将试样于650℃焚烧后，灰分用异丙醇分散置于载玻片上，采用数字显微镜观察。

悬臂梁冲击强度:按ISO 180:2000塑料悬臂梁冲击强度的测定标准测试。

2 结果与讨论

2.1 基料黏度

一般来说，当PA 66黏度较小，材料机械性能较低，加工流动性好，当PA 66黏度较大时，材料机械性能较高，加工流动性稍差。实际应用中，可以将中、高黏度的PA 66按不同配比匹配使用。从图1可以看出，随高黏度PA 66含量增加，即基体树脂黏度的增加，PA 66复合材料的冲击性能也增加，其中无缺口冲击强度增加幅度较大。基料黏度对PA 66复合材料的无缺口冲击强度有较大的影响，考虑实际应用中的性价比，实验选择复合材料高黏度EPR32型PA 66质量分数60%为宜，下同。

图1 高黏度PA 66含量对PA 66复合材料冲击性能的影响Fig.1 Effect of high-viscosity PA 66 percentage on impact strength of PA 66 composite

2.2 玻璃纤维直径

从图2看出，PA 66复合材料的冲击强度随玻璃纤维直径的减小而增加。玻璃纤维改性PA 66复合材料中，玻璃纤维强度远远大于PA 66本身强度，决定复合材料的强度应该是玻璃纤维与PA 66树脂结合的程度，随着玻璃纤维直径的减小，玻璃纤维与PA 66接触的面积增大，因而形成了更大的结合力。另一方面，随玻璃纤维直径的减小，“尺寸效应”明显，玻璃纤维缺陷占比越少，玻璃纤维本身拉伸强度就越高。但实际生产中鉴于玻璃纤维的性价比，大多选直径为13～15μm的无碱玻璃纤维。因此，本实验选择ERS200-13-T635B型玻璃纤维进行研究。

图2 玻璃纤维直径对PA 66复合材料冲击性能的影响Fig.2 Effect of glass fiber diameter on impact strength of PA 66 composite

2.3 增韧剂种类和用量

从表1可知，增韧剂对玻璃纤维改性PA 66复合材料的增韧效果由强到弱依次为EPDM-g-MAH，POE-g-MAH，PE-g-MAH，其中 EPDM 分子链有一定的微交联;POE结晶性小，材料柔性大;PE分子结晶大，材料柔性小。一般增韧剂本体强度小、分子链间有约束时，对复合材料的增韧效果好。相对于 EPDM-g-MAH增韧剂，POE-g-MAH的性价比较高，因此，选择POE-g-MAH增韧剂作为玻璃纤维改性PA 66。

表1 不同增韧剂对PA 66复合材料冲击性能的影响Tab.1 Effect of toughening agent on impact strength of PA 66 composite

从图3可以看出，复合材料的缺口冲击强度随增韧剂用量增加而增加，无缺口冲击强度不是简单的随增韧剂用量增大而增大，而是呈先增大后减小再增大的现象，在增韧剂质量分数为2.5%时有一个高点。这个现象进一步验证了复合材料无缺口冲击强度较缺口冲击强度对材料强度更有依赖性。因此，在低增韧剂含量区域，复合材料可以有一个比较好的刚韧平衡。

图3 POE-g-MAH含量对PA 66复合材料冲击性能的影响Fig.3 Effect of POE-g-MAH content on impact strength of PA 66composite

图4 不同挤出工艺的试样中玻璃纤维分布Fig.4 Glass fiber distribution of samples prepared by different extrusion process

2.4 挤出工艺

玻璃纤维改性PA 66复合材料生产中，螺杆元件排布对复合材料性能影响较大［6－7］，但同种螺杆排布情况下，挤出工艺也会影响复合材料的力学性能。

从表2可以看出，在1#挤出工艺条件时，温度低、转速高，复合材料受到的剪切速率大，复合材料的冲击性能偏弱，粒子表面光亮、白透;在2#挤出工艺条件下，温度高、转速低，复合材料受到的剪切速率小，复合材料粒子中玻璃纤维残留长度大，复合材料的冲击性能较好，粒子外观糙、黄、不透。从图4可以看出，不同加工条件下挤出粒子注塑样条焚烧后的玻璃纤维分布情况不同。1#加工条件，玻璃纤维被剪切的较碎，复合材料粒子中玻璃纤维残留长度短，复合材料中玻璃纤维受到的剪切强度大;2#加工条件，玻璃纤维交织一起，玻璃纤维残留长度大，复合材料中玻璃纤维受到的剪切强度小。因此为了保证复合材料的冲击性能的稳定，复合材料的加工中尽量采用高温低转速的挤出加工条件。

表2 不同加工条件对复合材料性能的影响Tab.2 Effect of processing conditions on properties of composite

3 结论

a.随着基料树脂黏度的增大，玻璃纤维改性PA 66复合材料的冲击性能增加，其中无缺口冲击强度增加幅度较大。综合考虑，复合材料中选择高黏度PA 66质量分数60%为宜。

b.随玻璃纤维直径的减小，玻璃纤维改性PA 66切片复合材料的冲击强度增加，玻璃纤维直径选择13～15 μm为宜。

c.玻璃纤维改性PA 66复合材料中，增韧剂EPDM-g-MAH增韧效果最好，增韧剂POE-g-MAH的性价比最高。玻璃纤维改性PA 66复合材料无缺口冲击强度较缺口冲击强度对材料强度更有一定的依赖性，随增韧剂用量增加，玻璃纤维改性PA 66复合材料缺口冲击强度增加，无缺口冲击强度在增韧剂质量分数为2.5%时有一个高点。

d.采用高温低转速的挤出工艺，PA 66复合材料的冲击强度性能更好。

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