均勻設計法在POE/POE-g-MAH 增韌PA6研究中的應用

陳 坤,鄭梯和,曹 喆

(株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007)

0 前言

PA 6具有力學性能好、電氣性能佳、耐磨、耐油、耐弱酸堿等一系列優異性能,是一種應用廣泛的工程塑料[1]。但是PA 6在干態和低溫時沖擊強度較低,表現出明顯的缺口敏感性,這使得它不能滿足當前高科技對材料高性能的要求,也引發人們對其進行增韌改性的關注[2]。使用POE增韌PA 6是當前常用的增韌方法,雖然有一定的研究基礎[3],但是均是使用常用的單因素變量法進行研究。當因素的數目和水平數較多時,使用單因素變量試驗法常常會得到錯誤的結論,不能夠達到預期目的[4]。

均勻設計法[3]是我國著名的數學家方開泰和王元合作首創的試驗設計法,已在國防、科技、工業、農業等領域有了成效顯著的應用[5]。和正交試驗相比,均勻試驗設計具有試驗次數少,優化效果明顯,便于實施等優點[6]。

本文旨在運用均勻設計方法研究 POE/POE-g-MA H對 PA 6沖擊強度的影響,力求較全面了解不同配比的POE/POE-g-MA H對PA 6的增韌效果。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PA 6,YH700,岳陽石油化工總廠;

POE-g-MA H,接枝率1.2%,佛山市南海柏晨高分子新材料有限公司;

POE,9071,美國?？松梨诠?

其他助劑,市售。

1.2 主要設備及儀器

雙螺桿擠出機,FY-35,南京富亞橡塑機械制造有限公司;

注塑機,WG-80,無錫格蘭機械集團有限公司;

沖擊試驗機,XJC-2225,承德精密實驗機有限公司。

1.3 樣品制備

將PA 6在110℃干燥箱中干燥4 h,然后和 POE-g-MA H,POE按比例混合均勻后用雙螺桿擠出機擠出造粒,將上述粒料在100～110℃下鼓風干燥4～8 h,用注塑機注塑成標準試樣用于性能測試。

1.4 性能測試與結構表征

按GB/T 1843—2008測試材料的懸臂梁缺口沖擊性能,用缺口制樣機r=0.1 mm的銑刀制得“V”形缺口,缺口深度為2 mm,擺錘為22 J。

2 結果與討論

2.1 均勻設計實驗方案和結果

試驗設計是研究有關試驗的設計理論方法,以概率論、數理統計和線性代數等為理論基礎,科學地安排試驗方案,正確地分析試驗結果,盡快地獲得優化方案的一種數學方法。試驗設計的目的是為了獲得試驗條件與試驗結果之間規律性的認識。目前試驗設計在化工、食品、材料工業領域中,常采用有約束的配方均勻設計理論,其基本思路如下:

設在一配方中有S個成分X1,X2……XS,他們有約束條件如下:

當某個因子Xi沒有約束時,相應的ai=0,bi=100。

在本實驗中根據材料的可加工性分別設定條件如式(3)、(4)、(5)、(6)所示:

式中X1——POE-g-MA H含量,%

設計過程中根據均勻性好壞和可實施性決定采用U17＊(175)均勻設計表進行有約束變量的均勻實驗設計篩選,實驗配方及測試結果如表1示。

表1 實驗安排及結果Tab.1 Experimental arrangement and results

2.2 各因數影響分析

回歸分析法是均勻設計分析數據的基礎[3]。有了表1的基本數據便可進行回歸分析。使用Matlab對表1中的數據進行回歸分析,得出回歸方程,如式(7)所示。

式中Z——PA 6的缺口沖擊強度,kJ/m2

回歸模型式(7)的復相關系數R2為99.8%(R2越接近1,則模型貢獻越大)[7];查F檢驗的臨界表知F=232.7＞F0.005(10,2)=199.4,所以式 (7)在α=0.005下顯著。

對式(7)作曲面圖得到圖1的結果。由圖1可以看出,當POE-g-MA H含量為7%時,隨著 POE含量的增加,PA 6的沖擊強度迅速增加;當 POE含量為18%時,PA 6的沖擊強度最大達到87.5 kJ/m2。

2.3 實驗驗證

圖1 POE/POE-g-MAH增韌PA 6的缺口沖擊強度Fig.1 The notched impact strength ofPOE/POE-g-MAH toughened PA 6

通過上述實驗及數據分析得出在考察區間內各個考察因素與考察指標之間的關系,現對均勻設計得出回歸方程進行驗證。表2是試驗證實結果和方程預測結果,從表2可以看出,當 POE-g-MAH含量為7%時,PA 6的沖擊強度隨著 POE含量的增加而增加;當POE含量達到 18%時,PA 6的沖擊強度達到86.8 kJ/m2;進一步增加 POE的含量,PA 6的沖擊強度有所降低,這與試驗模型的預測是一致的。同時從表2可以看出,實際和預測結果相對誤差較小,從驗證試驗進一步證明了均勻試驗設計POE/POE-g-MAH增韌PA 6的沖擊強度的模型的可靠性。

表2 實驗結果和方程預測結果Tab.2 Test and equation predicted results

3 結論

(1)通過均勻設計得到的POE/POE-g-MAH協效增韌PA 6的數學模型是可靠的;

(2)當POE-g-MA H含量為7%時,隨著 POE含量的增加,PA 6的沖擊強度迅速增加;當 POE含量達到18%時,增韌 PA 6的沖擊強度最高達到86.8 kJ/m2;

(3)與正交試驗相比,均勻試驗的效率較高,可實施性較好。

[1] 張 堅,辛集忠,鄭海忠,等.選區激光燒結中能量密度對尼龍制品性能影響的研究[J].塑料,2008,37(3):39-40.

[2] 付 瑤,金日光.尼龍6合金的超韌新材料[J].化工新型材料,1999,(7):23-34.

[3] 宋 波,楊 丹,黃 銳,等.尼龍 6/POE/POE-MAH 形態與性能研究[J].塑膠工業,2003,(9):10-13.

[4] 方開泰.均勻設計與均勻設計表[M].北京:科學出版社,1994:10-11.

[5] 姚鐘堯.回歸分析法在均勻設計數據分析中的地位[J].特種橡膠制品,1998,(2):35-41.

[6] 寇林元,凌建春.正交試驗與均勻試驗優化效果比較[J].中國衛生統計,2009,26(2):139-142.

[7] 王彩紅,洪 升,錢志軍,等.均勻設計在低熔點尼龍6制備中的應用[J].塑料,2009,38(6):53-56.