高流动性尼龙6 (PA6)的增强增韧改性
摘要: 采用熔融共混方法,制备了高流动性尼龙6和尼龙6(PA6) 的增强增韧改性材料,考察了增韧剂添加量对改性材料的加工流变和力学性能的影响。结果表明,高流动性尼龙6的增强增韧改性材料的熔体流动性优于尼龙6的增强增韧改性材料,当增韧剂质量分数为10% ~15%时,高流动性尼龙6(PA6)的增强增韧改性材料力学强度和冲击韧性均优于尼龙6 (PA6)的增强增韧改性材料,实现了材料高刚度性能和高抗冲击性能的完美平衡。
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近年来,随着市场的不断发展,汽车、工程机械、电动工具和体育用品行业的结构零部件对金属替代材料( 塑料) 的性能提出了更高的要求。一方面要求材料有优异的力学强度性能,另一方面要求材料具备足够的力学韧性,可以吸收大量的能量。目前,由于普通的增强增韧尼龙改性材料由于熔体流动性不足导致增韧剂添加量受限和分散性差的原因,很难同时满足高刚度和高力学韧性的要求。因此,开发力学强度高和良好力学韧性的尼龙改性材料已经成为尼龙改性材料的研究热点。
高流动性尼龙6(PA6)作为一种熔体流动性高、加工成型温度低、成型周期短等特点的尼龙材料,因其优异的流变性能和良好的偶联浸渍性,在改善玻纤增强尼龙复合材料的加工流变性和表面性能方面已经显示出独特的应用势。因此,笔者分别以高流动性尼龙6和普通尼龙6(PA6)作为基础树脂,采用熔融共混的方法,进行一系列增韧剂含量的增强增韧改性对比研究,以探求高流动性尼龙6(PA6)增强增韧材料的新特征和潜在应用领域。不同增韧剂含量增强增韧改性尼龙6 材料的熔体流动性,
图1 为不同增韧剂含量对增强增韧尼龙6和增强增韧改性高流动性尼龙6 (PA6)材料熔体质量流动速率的影响。由图1 可知,随着增韧剂含量的增加,高流动性尼龙6和普通尼龙6增强增韧改性材料的熔体质量流动速率都逐渐降低。同时,在相同增韧剂含量的条件下,高流动性尼龙6增强增韧改性材料的熔体流动性要明显高于普通尼龙6增强增韧改性材料,并且增韧剂质量分数为15% 的高流动性尼龙6增强增韧改性材料的流动性相当于增韧剂含量为10%的普通尼龙6增强增韧改性材料的流动性,这说明高流动性尼龙6增强增韧改性材料有着更加优异的加工流变性能。
不同增韧剂含量增强增韧改性尼龙6 材料的力学性能,
图2和图3分别是不同增韧剂含量对两种增强增韧改性尼龙6 拉伸强度和弯曲强度的影响。从图2、图3可知,随着增韧剂含量的提高,增强增韧高流动性尼龙6 和普通尼龙6的拉伸强度和弯曲强度均呈现出先增加后下降的趋势; 当增韧剂含量较高时(>8%),增强增韧改性普通尼龙6的力学强度随增韧剂含量增加而迅速降低,而增强增韧改性高流动性尼龙6 的力学强度随增韧剂含量增加只有少量下降。当增韧剂含量为15%时,增强增韧改性高流动性尼龙6的拉伸强度和弯曲强度仍分别保持为98MPa和103MPa。这说明在较高增韧剂含量范围(8%~15%)内,高流动性尼龙6 的增强增韧改性材料的力学强度保持性明显优于普通尼龙6的增强增韧改性材料。这一特性可能与高流动性尼龙6的增强增韧改性材料具备较高的熔体流动性有关。
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图4和图5分别是不同增韧剂含量对两种增强增韧改性尼龙6 缺口冲击强度( 常温) 和无缺口冲击强度(常温) 的影响。从图4、图5可知,随着增韧剂含量的提高,增强增韧普通尼龙6的力学韧性指标(无缺口冲击强度和缺口冲击强度) 表现出先升高后降低的变化趋势,当增韧剂含量为10% 时,力学韧性指标达到最大值; 而增强增韧高流动性尼龙6的力学韧性指标(无缺口冲击强度和缺口冲击强度) 则表现出一直稳步升高的变化趋势。当增韧剂含量为15%时,增强增韧改性高流动性尼龙6的缺口冲击强度和无缺口冲击强度分别为34 kJ /m2和82 kJ /m2。
根据烯烃弹性体(马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物) 改性尼龙6的银纹-剪切带增韧机理,当尼龙6基体树脂呈连续相,烯烃弹性体呈一定尺寸的分散相,两者呈现海-岛聚集态结构时,尼龙6增韧改性材料表现出最佳的力学韧性。因此,图4和图5的曲线数据说明在较高增韧剂含量范围(10%~15%) 内时,高流动性尼龙6的增强增韧改性材料仍然保持较好的连续-分散聚集态结构。
图6和图7分别是不同增韧剂含量对两种增强增韧改性尼龙6缺口冲击强度(-50 ℃低温) 和无缺口冲击强度(50 ℃低温) 的影响曲线图。从图6、图7可知,增强增韧普通尼龙6的低温力学韧性指标(无缺口冲击强度和缺口冲击强度) 随着增韧剂含量的提高表现出先升高后降低的变化趋势; 而增强增韧高流动性尼龙6的力学韧性指标( 无缺口冲击强度和缺口冲击强度) 则随着增韧剂含量的提高而一直稳步升高。当增韧剂含量为15% 时,增强增韧改性高流动性尼龙6的缺口冲击强度和无缺口冲击强度分别为10. 24 kJ /m2和26. 87 kJ /m2。
由于在低温-50 ℃条件下,非晶区的尼龙分子已经处于玻璃态状态,此时增强增韧改性尼龙6 材料的韧性主要由烯烃类弹性体增韧剂( 马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物) 提供。因此,图6和图7的曲线数据进一步说明,在较高增韧剂含量范围(10% ~15%) 内时,高流动性尼龙6的增强增韧改性材料仍然保持较好的连续-分散聚集态结构,增韧剂分子在改性材料中表现出较好的分散状态。综合上述,当增韧剂含量为15% 时,增强增韧高流动性尼龙6改性材料既具有优良的常温和低温韧性性能,又保持了优异的力学强度,完美地实现了尼龙增韧改性材料高刚性和高抗冲击韧性的性能平衡。这一特性使得增强增韧改性高流动性尼龙6复合材料在汽车结构内饰件、电动工具和体育用品等应用领域有着广泛的市场前景。
1) 当增韧剂含量为0%~15% 时,高流动性尼龙6和普通尼龙6增强增韧材料熔体流动性随增韧剂增加而降低,并且高流动性尼龙6 的增强增韧材料熔体流动性明显高于普通尼龙6增强增韧材料。
2) 当增韧剂含量为10%~15%时,增强增韧改性高流动性尼龙6材料的力学强度基本保持不变,抗冲击性能随着增韧剂含量提高而不断提高。
3) 当增韧剂含量为15%时,增强增韧改性高流动性尼龙6材料的拉伸和弯曲强度分别为98 MPa和103 MPa,常温缺口冲击强度和低温缺口冲击强度则分别为34 kJ /m2 和10. 24 kJ /m2,增强增韧改性高流动性尼龙6 材料具有最佳的综合性能。