Y长玻纤增强尼龙6复合材料研究.pdf

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1、2 工程塑料应用 m【年，第 2 9卷，第 7期 长玻 纤增 强尼龙 6复合材 料研究 高志秋陶炜金文兰张福军张淑伟(中国兵器工业第五二研究所 济南2 5 0 0 3 1 l 摘要采 用培体浸渍工 艺制备 了长玻纤增强尼龙 6 预浸料，研 究了玻纤初始长度、玻 纤含 量、增韧齐 对复台 材料 性能的影响 以厦玻纤强度、树脂基体时复合材料性能的影响一试验结果表明 在玻纤含量为 3 2 2，切粒长度为 1 0 m i l l 时，复告材料的拉 伸强度为 2 0 8 4M P a，弯曲强度 为 2 6 9 5 M P a，弯曲弹性 模量为 9 3 4 G P a，缺 口冲击强度 为 2 9I,J ，

2、冲击 强度 为 6 3 4 k J ，综台力学性能明显优于短玻 纤增强 P A 6复台材料。关键词 长玻 纤尼龙 6 增强 培体 浸渍 热塑性复台材料 与短玻纤增强方式相 比，长玻纤增强尼龙(P A)的强度、模量、耐冲击性、耐蠕变性、耐 疲劳性 及耐 磨、耐热性等都均得以提高，从而进一步拓宽了其应 用范围。长玻纤增强 P A 6在汽车、机械、电器、军工 等领域有 巨大的发展潜力，可用其制造汽车保险杠、发动机 隔噪罩、座 椅骨架、车头灯、风扇、散热器格 栅、仪表盘托架等，自 2 O世 纪 7 O年代初开发以来，越来越受到人们的重视。P A 6的熔体牯度较高，向玻纤束 内浸渍非常困 难，因此熔体浸

3、渍法很难使玻纤在树脂中达到 单丝 分散。对注塑级的长玻纤增强 P A 6预浸料，由于注 射成型过程可较好地进行二次共混浸渍，因而无须 苛求预浸料 的浸渍效果，在保证预浸料切粒过程 中 无抽丝、飞丝或抽丝较少又不形成环境污染的情况 下 应力求工装设备的简化，以提高工业化生产的可 连续性和易操作性 影响注塑级长玻纤增强 P A 6复合 材料性能 的 主要因素有：预浸料的切粒长度、玻纤强度、玻纤含 量、基体树脂、界面状态，以及注塑加工 中的玻纤长 度保持率和纤维分布等。通过考察这些因素对复台 材料性能的影响规律 可对复合材料性能进行优化 亦可指导复合材料设计 l 实验部分 1 1 主要原材料 P A

4、 6：济南八方锦纶集团公 司；P A 6 6：无锡太湖尼龙厂；无碱玻 璃纤维：E R S 2 d OT 1 3 2 泰安玻璃 纤维 厂；高强玻璃纤维；S C 81 24 0，南京玻璃纤维研 究 院；马来 酸酐接枝三元乙丙橡胶；济南泰和树脂有 限公 司：马来酸酐接枝聚丙烯：自制 l 2主要 设备、仪 器 双螺杆挤出机：S H J 一 3 0型，南京橡塑机械厂；注塑机：B A 9 5 0 5 0 0型，德 国 B a t t m ff e l d 公 司；扫描 电子 显 微镜：S 一2 0 0型，英 国 C a fi p r i d g e 公 司：电子拉 力试验机：S i n l e c h 2

5、 D I 型，美 国 MT S公 司：冲击试验机：x C J 一 4 0 A型，宁夏吴忠斌验机厂 1 3 长玻纤增强 P A 6 预浸料制备工艺 长玻纤增强 P A 6预浸料制备工艺流程如图 l 所 示。纤维一面 1 树 脂 E j 一 蔓 唾 囹一 j ；翻一 l ：粗#粒 一圭 图 1 长玻纤增 强 P A 6预浸料制备工 艺流程 经干燥 处 理 的 P A 6由挤 出 机熔 融 挤 出 进 入特 殊设计的浸渍 口模，在臼模 内完成树脂对玻纤束的 浸渍 料 条经冷却、切粒制得 长玻纤增强 1 7 _4 6预浸 料。1 4 力学性能测试 力学性能测试项 目、采用的标准厦试样尺寸见 表 l。表

6、 l 力学性能藕 j 试项 目、标准噩试样 尺寸 项目 标准 试样尺寸 拉伸强度 G B T 1 O 4 O一1 9 9 2 l型试样 喜 晕G B T 9 3 4 1 一 9 8 8 堡 竺：收稿 口期：2 0 0 I 0 4 维普资讯 http:/ 高志社，等：长玻纤增 强尼龙 6复音研料研究 3 2 结果与讨论 2 1 长玻 纤增强 P A 6与短 玻 纤增强 P A 6 性 能 对 比 长玻 纤增强 P A 6与采 用双螺杆挤 出机制 备的 短玻纤增强 P A 6复台材料的性能见表 2。表 2 长、短玻纤增强 P A 6的性 能 项 U 短玻纤增强 P A 6 j 长玻纤增强 P A

7、6 玻纤含量 3 3 3 2 2 拉伸强I M P a 1 3 6 2 0 8 4 弯曲蛆渲 M P a 1 8 9 2 5 弯曲弹性模量 C-P a 7 5 0 9 3 4 缺 口冲击强度 Id-m。1 3 2 9 冲击强度 k J-m。“3 8 4 由表 2可以看出，长玻纤增强 P A 6复台材料的 力学性能明显优于短玻纤增强 P A 6复台材料 图 2是长玻纤增强 P A 6中玻纤堆砌状态的 S E M 照片 从图 2可以看出，长玻纤在复合材料 中是互 相交织在一起的无序排列，而不像短玻纤那样在复 台材料 中沿流动方 向排列。与短玻纤 复台材 料相 比，正是这种无序排列状态和玻纤长度的增

8、加，使长 玻纤复台材料表现出较 高的力学 性能 优异 的耐温 性、耐疲劳性和耐磨性，以及较好的填充性、低翘 曲 性 和 各 向同性 等。2长驳 增 强 P A 6奸 堆 堆 砌 就 志的 S E M 照 片 2 2 预浸料切粒长度对复合材料性能的影响 将直径 1 3,t a n的无碱粗玻纤与 P A 6 挤拉的预浸 料切成不同长度的颗粒(纤维含量 4 0)，注塑成标 准试样进行 力学 能测试。预浸料切粒 长度对复台 材料性能的影响见表 3。表 3 预 浸料切粒长度对复合材料性能的影 响 由表 3可 看出，随着预浸料切粒长度的增加 复台材料的拉伸强度、弯 曲强度、弯曲弹性模量、缺 L 冲击强度和

9、冲击强度都随之提高 这是因为制品 中玻纤的保留长度与玻纤 的初始长度有关 预浸料 切粒长度增加，制品中的玻纤长度也增加，玻纤长度 对复台材料强度 的贡献可以从两个方面来理解：一 方面是在玻纤长度小于临界长度情况下，随着玻纤 长度的增加，玻纤与树脂的界面面积增大，复台材料 断裂时，玻纤从树脂中抽出的阻力加大，从而提高了 承受拉伸载荷 的能力。另一方面，玻纤长度的增加 可能使部分玻纤 的长度达到临界 长度，当复台材料 断裂时伴随着更 多玻纤 的断裂，同样使 承受拉伸载 荷的能力提高 在承受弯曲载荷 的情况下，复台材 料承载面受压，背面受拉，弯曲性能对玻纤 长度的依 赖关系与拉伸性能的情形基本一致

10、在 冲击载荷作 用下，较长玻纤 的抽出或断裂可吸收大量 冲击能，从 而使复台材料 的冲击 强度明显提高。另外，玻纤的 端部是裂纹增长的引发点，长玻纤 端头数量相对较 少，也使冲击强度提高。当玻纤原始长度从 4 m m增 加到 1 3 ra m时，冲击强度提高 6，而缺 1：3 冲击强度 提高 2 8。这是 因为 注塑试样缺 口处流动截 面积 小，较长的玻纤易在此集聚并定向 造成单位面积与 断裂面夹角较大的玻纤根数明显多于无缺 口试样所 致 2 3 玻 纤含量对复合材料性能的影响 预浸料切粒长度为 1 0 r n r n，不 同含量高强玻 纤 对 P A 6复合材料性能的影响见表 4。表 4 不

11、同玻纤含量对复合材料 力学性能的影响 玻纤含量 项 目 2 2 8 2 7 5 3 2 2 拉伸强度 M P a 1 7 7 2 1 8 5 0 8 4 弯曲强度 N P a 2 1 6 4 2 3 3 0 5 弯曲弹性模量 G P a 7岬 7 5 0 9 3 4 缺 口冲击强度 k J m一 2 0 9 2 2 4 2 9 冲击强度 k J m。“6 2 5 6 3 1 6 3 4 由表 4可以看出，随着玻纤含量的增加，复台材 料 的拉伸强度、弯曲强度、弯曲弹性模量均有较大幅 度 的提高。这是因为复合材料任一截面上有更多数 量 的玻纤承载，这些玻纤 的抽 出或断裂，需要施加更 大的载荷，因

12、而提高 了复台材料 的拉伸强度和弯曲 强度，同时，由于玻纤体积含量 的增加 即玻纤 与玻 纤问的树脂层变薄，作 用在复台材料上 的应力很 容 易通过树脂层而在玻纤 中传递 树脂的形变也受到 玻纤的约束，因而弯曲弹性模量也随玻纤含量的增 加 而提 高 由表 4还可看出，缺 1：3 冲击 强度随玻纤含量的 增加，提高的幅度较大，而冲击强度变化不 明显。复 台材料吸收冲击能的方式有树脂变形和裂纹扩展至 维普资讯 http:/ 工程塑料应用 2 0 0 1 年 第 1 9卷 第 7期 断裂、纤维抽出、纤维断裂三种，由于韧性树脂与 刚性纤维在冲击载荷作用下变形能力 的差异，树脂 基体较大的变形导致沿纤

13、维弯曲方 向产生间隙，一方面使 纤维 抽 出时 吸 收 的 能量 较 小，另一 方 面 降 低了纤维断裂可能性，即相 当于增加 了纤维 的临界 断裂长度。可以认为树脂变形在复合材料冲击强度 中的贡献占主导地位。熔体充模过程中，为克服流动阻力，玻纤在流动 中心部位有集结的倾向，也就是说，试样中心到边沿 玻纤体积含量分布不均匀，呈现中心高边沿低的梯 度分布，无缺 口试样的截面形貌 如图 3所示。3无 缺 口试 样 的截 面形 貌 与无缺 口试样相 比，缺 口试样 的缺 口处 由于熔 体流动速率增大，并伴 有温升效应，有形成湍流倾 向，使该部位的玻纤分布相对均匀。随着复合 材料 中玻纤含量的增加，缺

14、 口试样缺 口处 的玻纤数量较 均匀地增多，而无缺 口试样靠近边沿部位玻纤的增 加量相对较少，因而出现缺 口处玻纤与玻纤间树脂 层厚度下降，无缺 口试样边沿处树脂层厚度变化不 大的现象。在冲击载荷作用下，树脂层较厚部位 的 树脂易发生变形而与玻纤脱牯，出现间 隙或诱 发裂 纹；而树脂层厚度较小 的部 位 由于剐 性玻纤的约束 作用而不易造成树脂变形。其结果是随着玻纤含量 的增加，缺 口冲击强度大幅度提高，而冲击强度变化 不 明显 2 4 玻纤品种对复合材料性能的影响 在短玻纤增强 P A 6中，玻纤 品种对复合材料性 能的影 响较小，而在长玻纤增 强 P A 6中，这种影响 却非常明显。表 5

15、列出高强玻纤与无碱普通玻纤增 强 P A 6复合材料的性能。表 5 高强玻纤与无碱普通玻 纤增强 P A 6的性能 注：琏纤长度均为 l 0 r n m。由表 5可以看出，玻纤品种不同，对复合材料性 能的影响也不同，影响因素主要是玻纤 单丝强度和 长径比 长径 比不仅依赖 于玻纤直径，相同工艺条 件下还与玻纤强度有密切关系，在相 同的剪切环境 中+高强度玻纤长度保持率高，复台材料中玻纤的长 径比大。玻纤强度高 玻纤断裂时消耗韵能量大；长 径比大，玻纤抽出时消耗 的能量也大，因此，高强玻 纤增强复合材料表现出较高的力学性能。2 5长玻纤增 强 P A 6复合材料增韧改性 制备长玻纤增强 P A

16、6预浸料时，分别在 P A 6中 加人 4 的马来酸酐接枝聚丙烯(P P-g-M A H)和马来 酸酐接枝 三元 乙丙 橡胶(E P D M g-M A H)+测得 增韧 剂对复合材料力学性能的影 响见表 6 由表 6可 以 看出，加入增韧剂后，复合材料 的拉伸强度、弯曲强 度和弯曲弹性模量降低较少，而缺 r=_】冲击强度和冲 击强度却得到明显提高。表 6 增韧剂对 复合材料性能 的影响 项目 堕 堕墨 P A6 -MAt t P A6 E PD M-e-MA I l P A6 图 4示出加入增韧荆前后复合材料的拉伸断 口 形貌。从 图 4可明显看出。加入增韧剂后玻纤表面 有树脂粘连(见图 4

17、 a、b)，而未加增韧剂的复合材料 中，玻纤表面则 比较光滑无沉积物(见图 4 c)。这是 因为 P P g-MA i l、E P D M g M A I l 的引入，一方 面在树 脂基体中形成微小分散相，在冲击载荷作用下可吸 收冲击能并阻止银纹扩展；另一方面，酸酐基团与玻 纤表面硅烷偶联剂的胺基形成化学键而沉积于玻纤(c)一加 E P D M g Ml j L 厂 _ 加 P P g-M?d l c 一 束加增韧剂 图 4加增韧剂前后复 台材料 的拉仲断口形貌 维普资讯 http:/ 乐启发，等：P O 0 1 改性 P T F E台盒 的研 究 5 表面。柔性界面层的引入，松弛了界面应力，

18、阻止 了冲击载荷下玻纤与树脂基体 间隙的产生 从而使 复合材料的冲击韧性提高。3 结论(1)预浸料切 粒长度越长，即玻纤 初始长 度越 长，长玻纤增强 P A 6复合材料的力学性能越高；(2)玻纤 含量 增加，长玻 纤增强 P A 6复合 材料 的力学性能随之提高；(3)采用增韧剂对复合材料改性，在拉伸和弯曲 强度降低较少的情况下，可进一步提 高复合材料的 冲击 韧 性。(4)在玻纤含 量为 3 2 2，切 粒长度 为 1 0 l n i i 1 时，复合材料的拉伸强度为 2 0 8 4 M P a；弯曲强 度为 2 6 9 5P a，弯曲弹性模量 为 9 3 4 c P a，缺 13冲击强

19、度为 2 9 k J ，冲击强 度为 6 3 4 k J m 2。力学性 能 明显优于短玻纤增强 P A 6复合材料。参 考 文 献】趔若飞，等 玻璃纤维增强热 塑性复台 材料的增 强方式及纤 维长 度控制 纤维复台材料，2 0 0 0(1)：1 9 2 Yamg sA A d v a n c e dO。p-theL a t e s t D e v e l o p me n t AS M I n t M c h 一 垮帅，J 9 8 6 2 5 3 3张淑芳，等 几种复台 材料的微观 断裂行 为研 究 工程塑料 应用 1 9 9 6 2 4(2)：3 8 4黄玉东，等 复 台材 料 界面 研究

20、 现 状(上)纤维 复 合 材料 1 9 9 3 f 3)：2 0 3 s 1 1DlY ON T HE L GLA 珊ER RE 舢 P A6Cm 嗍(瑚 Z h i q。T a o We i，J i n We r d a n，a a n g r u j u n，Z t r a n g S h u w e i (I n s t i t u te 5 3 0 f C h in a s I h d I I n d u s t r y。J i mn 2 5 t 3 1)AB S T RACT T h e p r e p r e g o f l o n g g I fi b e r r e i n

21、f o r c e d P A 6 I 1 日 s b e e n b y,t h e me l t n lp 1 I m p r o c e s s T h e i n fl u e n c e s o f t h e i n i ti a l g I a s s fi b e r I s t h，t h e g Ia 皓fi b e r c o n t e n t，t h e 咖 n g il q lo d i e r，a 5 w e l l a 8 t h e s s t h o f d a 5 8 fi b e r s，t h e r e s i n m a t r i x o i l

22、 t h e p e r f o r r r I a r Ic e o f t h e c o m p o s i t e a r e r e s p e c ti v e l y s t u d i e d T h e t e s t r e s u l t s s h o w w h e n t h e出s 8 fi b e r c o n t e n t i s 3 2 2 a n d t h e p e l l e t i s t h i s 1 0 m m，t h e p e rf o r m a n c e o f t h e c o m p o s i tei s 2 0 8 4

23、 MP a o ft e n t i l e s i r e n g t h，2 6 9 5MP a o f fl e x m-a l a n s t h，9 3 4 GP a 0 r fl e x a r a l mo d u l u s，2 9 o f n o t c h e d i mp a c t s t h a n d 6 3 4 k 1 o f i m p t s t h i t s c o mb i n e d me c h a n i c a l p e ff o n n a i e i s o b v i o u s l y s u p e r i o r I o t h a

24、 t o f t h e P A 6 c o m p o s i t e r e i n f o r c e d l I l s h o r t d a s s fi b e r KE YW ORD 6 l o n g a 辚 fi b e r，P A6，r e i r ff o r c i n g，me l t i r a p r e g n a n，t h e r mo p la s t i c o 0 p 0 s i I e 宁波将建塑机质捡中心 最 近，国家质量技术 监督总局 发文，同 意在宁 渡市产 品 质量监督检验 所的基础上 筹建 国家 塑料机 械产 品质量监督 检验中心。据 了

25、解，通过最 近几 年的发展，宁 波市 塑料机 械制造 企 业生产的塑料 机 械 品种、数量 已 占全 国的 1 3，具 有较 强的 产业 基础及专业 人才 托势。国家塑料 机械产 品 质量监督 检 验中心建 成后，将制订 颁布 国内统一 的塑料机 械 生产标准，承担 监督、抽检塑机产 品质量 的职责 并 为企业 提供质量 技 术指导、生产技术 服务 等。(梅)日本掀起纳米技术研究高潮 13 本 的 纳米热”在不断升温，政府 对此 给予了高度 的重 视，不断加大投入力 度(2 0 0 1年度科 技 预算 中纳米科技部 分 的拨款为 1 0 6 亿 日元)，日本 的民间企业(约有 8 0家)和高等

26、 院校也及时跟进，从 而形 成了纳 米技 术研究 开发 高潮。他们 将在 5年内研究开 发纳米 玻璃、纳米 金属、纳米 滚层 和建 立 纳米材料数据库等 力争在 5 7年 内开 发出 实用化 的纳米 级设计技术和工艺技术 等。日本 的企 业 是发 展纳 米 技 术 的 主力 军。8 0家太 企 业 中，约 4 0 的企业设 置了专 门机 构，已经或 者即将着 手发展 这一高新科技。三菱、伊藤忠 和丸 红等综台商 社已经 或计划 周美国的风险企业设立合资公司，把纳米技术 列为新的事业 项 目。富 上通公司设立 了纳米技术研究 中心，住友电工公司 也组织 了纳米技术研究班子。东 京大学 等重 点大

27、学及科研 机构也 是推进 日本纳 米科 技研究 的重要力量。东京大学 的纳米材 料 中心 将 于争 年 内 建 成，同时，量 子 纳米 电子 技术 中心 将 在今 年 1 0月投 入使 用；大阪大学的产业科学 纳米技术 中心预 定于 明年完工；文 部科 学省 物质材料研究 机构的纳米材 料实验楼也将 于 2 0 0 3 年建 啦。目前，无论是 日本政府、民 间企 业还 是高 等院校都 已认 识到，纳米技术将成为 2 l世纪 新技 术产业 革命的 主角之 一，因此给予了高度的重视。但 是，从 它们 的举措来 看，大都处 于前瞻性投资阶段 研究开发活动基本上处于基础研究和应 用研究阶段，商业性 的

28、开发研 究虽是努力 方 向，但还 没有完 全进 入议事 日程。日本 目前 为数 不少 的研究 开发成果 绝大 部分是在 实验 室里 取得 的，在市场 上 还 没有贴“纳米 标 签 的商品。一项 调查结果表 明，对于 纳米技 术，大部分企业 的 经营者们都看好 5年、1 0年乃至 2 0年以后 的光 明前 景，并未 期望现在 的投入立刻获得 回报(张、亚洲最大的 P P L R管材生产基地建成 目前，年产 J 3万 l 无 规共聚 聚丙烯(P BR)营 材和营件 的生产基地在山东省招 远市建成并 投产。这 是 山东盎 金潮 科技发展股份有限公司投 资 2 4亿元 引进 目前世 界上最先 进的德 国巴顿菲尔公司 的 8条生 产线 建成 的，是 目前亚洲规 模最大的 P P R瞥材生产基地：(孔凡霞)维普资讯 http:/