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        擠出過(guò)程對增韌尼龍6 力學(xué)性能的影響

        欄目:公司新聞 發(fā)布時(shí)間:2021-02-10

                摘要:對尼龍(PA)6 進(jìn)行增韌可以改善其低溫下的沖擊強度,擴展PA6 材料的應用領(lǐng)域。以PA6、聚烯烴增韌劑、抗氧劑為原料,在同向雙螺桿擠出機中制備了增韌PA6 材料,考察了一次擠出與二次擠出對增韌PA6 材料力學(xué)性能的影響。結果發(fā)現,擠出過(guò)程對增韌PA6 的拉伸強度、斷裂伸長(cháng)率、拉伸斷裂強度以及室溫沖擊強度影響顯著(zhù),二次擠出過(guò)程得到的增韌PA6 材料的性能下降,這與PA6 在二次擠出過(guò)程中發(fā)生了更嚴重的氧化降解有關(guān),但是對拉伸屈服強度和–40℃沖擊強度影響不顯著(zhù),說(shuō)明這些性能對擠出過(guò)程以及氧化降解缺陷不敏感。
                尼龍(PA) 是一種用途最廣、種類(lèi)最多的工程塑料。該材料具有良好的力學(xué)性能、耐熱性、耐磨損性、耐化學(xué)腐蝕性、自潤滑性和一定的阻燃性,同時(shí)PA加工性能優(yōu)良,可一體化成型復雜的結構部件,被廣泛用于汽車(chē)、電子電器、機械、軌道交通、體育器械等領(lǐng)域[1]。但是吸水性強、低溫沖擊性能差的缺點(diǎn)限制了PA 材料的應用范圍[2–3]。
                加入增韌劑可以顯著(zhù)提高PA 在低溫和干態(tài)下的沖擊強度。這種增韌劑一般為馬來(lái)酸酐類(lèi)極性單體接枝的聚烯烴[4–5]。增韌劑與PA 在擠出機中進(jìn)行熔融共混時(shí),聚烯烴上接枝的極性單體的羧基會(huì )與PA 端氨基會(huì )發(fā)生縮合反應,原位生成嵌段型接枝物,這種接枝物可以起到增容劑的作用,顯著(zhù)提高增韌劑在PA 基體中的分散效果。
                由于這種原位增容是在擠出機中完成的,擠出過(guò)程對增韌PA6 性能會(huì )產(chǎn)生重要影響[6–16]。筆者
        采用一次和兩次擠出工藝,研究了擠出過(guò)程對增韌PA6 力學(xué)性能的影響。
        1.實(shí)驗部分
        1.1 主要原材料
                PA6 :ZR01–6,平頂山海瑞祥英派瑞科技有限公司;
                增韌劑:KE1–ISM,山東科華賽邦新材料股份有限公司;
                抗氧劑:1010,德國B(niǎo)ASF 公司。
        1.2 主要儀器及設備
                擠出機:TSE–35 型,南京瑞亞擠出機械制造有限公司;
                注塑機:BT80V 型,博創(chuàng )機械股份有限公司;
                萬(wàn)能材料試驗機:Exceed E43 型,美特斯工業(yè)系統( 中國) 有限公司深圳分公司;
                擺錘式?jīng)_擊試驗機:ZBC7000 型,美特斯工業(yè)系統( 中國) 有限公司深圳分公司;
                缺口制樣機:YJ1251 型,美特斯工業(yè)系統( 中國) 有限公司深圳分公司;
                低溫冰箱:W–FL90 型,中科美菱低溫科技有限責任公司;
                天平:MS8001SE 型,瑞士梅特勒托利多儀器(中國)有限公司。
        1.3 試樣制備
                (1) 一次擠出過(guò)程。
                稱(chēng)取一定量的PA6、增韌劑和抗氧劑,在高速混合機中混合30 min,然后加入同向雙螺桿擠出機料斗中進(jìn)行擠出,擠出溫度為230~280℃,螺桿轉速為100 r/min,擠出料條后經(jīng)過(guò)水冷、牽引,用切粒機造粒備用;將得到的增韌PA6 顆粒在100℃下真空烘箱中干燥12 h 除去水分;將干燥的增韌PA6顆粒采用注塑工藝制備拉伸和沖擊試樣。
                (2) 二次擠出過(guò)程。
                稱(chēng)取一定量的一次擠出增韌的PA6 以及抗氧劑,采用與一次擠出相同的工藝,二次擠出增韌PA6 ;將得到的二次擠出增韌PA6 顆粒在100℃下真空烘箱中干燥12 h 以除去水分;將干燥的增韌PA6 顆粒采用注塑工藝制備拉伸和沖擊試樣。
        1.4 性能測試與結構表征
                拉伸性能按照ISO 527–21–2012 測試,試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm ;
                沖擊性能按照ISO 179–2010 測試,試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm。
        2結果與討論
                采用兩種不同的擠出工藝:一次擠出和二次擠出過(guò)程,制備增韌PA6 材料,研究了不同擠出過(guò)程對增韌PA6 材料的拉伸強度、拉伸屈服強度、斷裂伸長(cháng)率、拉伸斷裂強度、室溫和–40℃沖擊強度的影響,結果如表1 所示。

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        2.1 擠出工藝對增韌PA6 材料拉伸強度的影響

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        圖1 為增韌PA6 拉伸過(guò)程中的應力– 應變曲線(xiàn)。
                拉伸強度是PA 材料在應用過(guò)程中很重要的一個(gè)指標,此拉伸強度在材料拉伸曲線(xiàn)中的位置如圖1 中的1 點(diǎn)所示。
                從表1 可以看到,擠出過(guò)程對增韌PA6 的拉伸強度影響顯著(zhù),一次擠出過(guò)程得到的增韌PA6 材料的拉伸強度為48.18 MPa,但是經(jīng)過(guò)二次擠出過(guò)程后,增韌PA6 材料的拉伸強度下降為41.47 MPa。在二次擠出過(guò)程中雖然加入了與一次過(guò)程等量的抗氧劑,但是增韌PA6 材料仍然發(fā)生了明顯的氧化現象,一次與二次擠出過(guò)程得到的增韌PA6 材料外觀(guān)如圖2 所示。從圖2 可以看到,二次擠出過(guò)程得到的增韌PA6 顆粒顏色明顯比一次擠出過(guò)程顆粒顏色深,說(shuō)明二次擠出過(guò)程增韌PA6 材料發(fā)生了更多的氧化降解,因此二次擠出過(guò)程中得到的增韌PA6材料的拉伸強度更低。

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        2.2 擠出工藝對增韌PA6 材料拉伸屈服強度影響
                拉伸屈服強度指PA6 材料在發(fā)生屈服時(shí)拉伸強度,當增韌PA6 材料發(fā)生屈服后,伴隨著(zhù)顯著(zhù)的塑性變形而失去使用價(jià)值,此拉伸屈服強度在增韌PA6 材料拉伸曲線(xiàn)中的位置如圖1 中的2 點(diǎn)所示。
                從表1 可看出,擠出過(guò)程對增韌PA6 材料的拉伸屈服強度影響不顯著(zhù),一次擠出過(guò)程得到的增韌PA6 材料拉伸屈服強度為42.25 MPa,經(jīng)過(guò)二次擠出過(guò)程后,增韌PA6 材料的拉伸屈服強度略有下降,為41.47 MPa。雖然增韌PA6 材料在二次擠出過(guò)程中發(fā)生了更多的氧化降解,但是對增韌PA6 材料拉伸屈服強度的影響并不大,說(shuō)明增韌PA6 材料拉伸屈服強度對擠出過(guò)程以及氧化降解缺陷不敏感。
        2.3 擠出工藝對增韌PA6 材料斷裂伸長(cháng)率的影響
                從表1 可以看到,擠出過(guò)程對增韌PA6 材料的斷裂伸長(cháng)率影響非常顯著(zhù),一次擠出過(guò)程得到的增韌PA6 材料的斷裂伸長(cháng)率為198.67%,但是經(jīng)過(guò)二次擠出過(guò)程后,增韌PA6 材料的斷裂伸長(cháng)率顯著(zhù)下降到152.73%,下降幅度達到23%。這是由于二次擠出過(guò)程得到的增韌PA6 材料發(fā)生了更多的氧化降解,造成PA6 鏈段缺陷增加,使得增韌PA6 材料斷裂伸長(cháng)率顯著(zhù)下降,說(shuō)明增韌PA6 材料的斷裂伸長(cháng)率對擠出過(guò)程以及氧化降解缺陷非常敏感。
        2.4 擠出工藝對材料拉伸斷裂強度的影響
                斷裂強度是指增韌PA6 材料在發(fā)生斷裂時(shí)的拉伸強度,此斷裂強度在增韌PA6 材料拉伸曲線(xiàn)中的位置如圖1 中的3 點(diǎn)所示。
        從表1 可看到,擠出過(guò)程對增韌PA6 材料的斷裂強度影響顯著(zhù),一次擠出過(guò)程得到的增韌PA6 材料斷裂強度為48.18 MPa,經(jīng)過(guò)二次擠出過(guò)程后,增韌PA6 材料的斷裂強度下降到40.78 MPa,這與2擠出工藝對增韌PA6 材料拉伸強度的影響十分相似,說(shuō)明這一性能對擠出過(guò)程以及氧化降解缺陷非常敏感。
        2.5 擠出工藝對增韌PA6 材料室溫沖擊強度影響
                從表1 可以看到,擠出過(guò)程對增韌PA6 材料的室溫沖擊強度影響顯著(zhù),一次擠出過(guò)程得到的增韌PA6 材料室溫沖擊強度為99.53 kJ/m2,經(jīng)過(guò)二次擠出過(guò)程后,增韌PA6 材料的室溫沖擊強度下降到89.03 kJ/m2,下降幅度達到10%。這說(shuō)明增韌PA6材料的室溫沖擊強度對擠出過(guò)程以及氧化降解缺陷非常敏感,良好的抗氧劑體系是增韌PA6 材料韌性的良好保障。
        2.6 擠出工藝對增韌PA6 材料–40℃沖擊強度的影響
        為了滿(mǎn)足增韌PA6 材料在低溫下也能保持良好的抗沖擊性能,需要在低溫下( 一般為–40℃ ) 考核增韌PA6 材料的沖擊強度。
                從表1 可以看到,擠出過(guò)程對增韌PA6 材料的–40℃沖擊強度影響不顯著(zhù),一次擠出過(guò)程得到
        的增韌PA6 材料低溫沖擊強度為16.75 kJ/m2,經(jīng)過(guò)二次擠出過(guò)程后,增韌PA6 材料的低溫沖擊強度略有下降,為15.11 kJ/m2。這說(shuō)明增韌PA6 材料–40℃的沖擊強度對擠出過(guò)程以及氧化降解缺陷不敏感,這與室溫的沖擊強度的影響截然不同,但是隨著(zhù)溫度的下降,增韌PA6 材料沖擊強度下降非常明顯。
        3結論
                (1) 以PA6、增韌劑和抗氧劑為原料,在同向雙螺桿擠出機中制備了增韌PA6 材料,采用不同的擠出過(guò)程:一次擠出與二次擠出,并對不同擠出過(guò)程得到增韌PA6 材料的拉伸強度、拉伸屈服強度、斷裂伸長(cháng)率、斷裂強度、室溫和–40℃沖擊強度進(jìn)行了測試。
                (2) 二次擠出過(guò)程得到的增韌PA6 材料與一次擠出過(guò)程相比發(fā)生了更顯著(zhù)的氧化現象,氧化降解給增韌PA6 材料造成的缺陷也更為嚴重。
                (3) 擠出過(guò)程對增韌PA6 材料的拉伸強度、斷裂伸長(cháng)率、拉伸斷裂強度以及室溫沖擊強度影響顯著(zhù),二次擠出過(guò)程得到的增韌PA6 材料性能顯著(zhù)下降,這與增韌PA6 材料在二次擠出過(guò)程中發(fā)生更嚴重的氧化降解有關(guān),但是對拉伸屈服強度和–40℃沖擊強度影響不顯著(zhù),說(shuō)明這兩種性能對增韌PA6材料擠出過(guò)程以及氧化降解缺陷不敏感。

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