龍杰明，麥杰鴻，姜蘇俊

（金發科技股份有限公司產品研發中心 塑料改性與加工國家工程實驗室，廣東 廣州 510520）

高玻纖含量尼龍10T材料熔接線性能研究

龍杰明，麥杰鴻，姜蘇俊

（金發科技股份有限公司產品研發中心 塑料改性與加工國家工程實驗室，廣東 廣州 510520）

制備高含量玻纖增強的尼龍10T材料并對材料的熔接線性能進行研究。研究結果表明：尼龍基體樹脂的結晶行為對熔接線性能有明顯的影響，結晶溫度低，結晶慢的材料熔接線強度會相對較高。成核劑、炭黑和尼龍黑色母對材料的結晶行為有影響，從而影響材料的熔接線強度。成型過程中熔體溫度和模具溫度對熔接線強度影響很大。

尼龍10T；熔接線；注塑成型；強度；成核劑；結晶

注塑成型是聚合物加工中最重要的手段之一，在注塑過程中，當采用多澆口或型腔中存在孔洞、嵌件以及制品厚度尺寸變化較大時，塑料熔體在模具內會發生兩個方向以上的流動，當兩股熔體相遇時，就會在制品中形成熔接線，熔接線的形態結構和力學性能完全不同于注塑制件的其他部位［1］。熔接線的存在，不僅影響制品的外觀品質，而且對制品的力學性能影響很大，特別是對于纖維增強材料的影響更為明顯。熔接線影響區的性質主要由熔體流動前沿的流變狀態和分子聚集態結構所決定，凡影響分子鏈纏結、結晶取向和分子熱作用的因素都會影響到熔接線強度。

半芳香族尼龍的優點是耐熱溫度高、吸水率低，能廣泛用于航空、航天、軍工、化工等有特殊要求的領域［2］。聚對苯二甲酰癸二胺（PA10T）是一種新型半芳香族尼龍，由金發股份有限公司研發成功［3］。PA10T是一種生物基材料，其單體之一癸二胺源自可再生資源蓖麻油；與其他尼龍材料（如PA6、PA66）相比，PA10T具有更低的低吸水率，因而具有更好的尺寸穩定性，有著非常廣泛的應用。半芳香族尼龍10T具有優異的機械強度、耐熱性、耐化學藥品性、耐磨損性和自潤滑性，且吸水率極低，能夠克服傳統尼龍材料（PA6、PA66）在使用過程中因吸水導致強度和剛性的大幅度降低，在長期使用過程中能保持高強度、高剛性和高的尺寸穩定性，是以塑代鋼極佳材料。由于PA10T的結晶溫度高而且結晶速度快，因此熔接線強度要比傳統尼龍基材料低，特別在高玻纖含量的材料中，差別就更明顯。在結構性的產品設計和應用上必須重點考慮熔接線強度的影響。

本文研究主要是配方組分和工藝對于高玻纖含量尼龍10T材料熔接線強度的影響，分析主要的影響因素，在此基礎上優化配方，調節工藝，改善熔接線的強度。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

半芳香族尼龍10T樹脂：相對黏度2.3，金發科技股份有限公司。

脂肪族尼龍6樹脂：相對黏度2.7，廣東新會美達有限公司。

脂肪族尼龍66樹脂：相對黏度2.7，河南平頂山神馬集團。

短切玻璃纖維：纖維直徑10 μm，重慶國際復合材料有限公司。

擠出設備：40D型雙螺桿擠出機，南京瑞亞佛斯特高聚物裝備有限公司；

注塑機：HTF86/TJ，寧波海天塑機集團有限公司；

萬能材料試驗機：型號BT2-FR020TEW-A50，德國ZWICK公司；

示差掃描量熱儀： 型號 DSC 209F3，德國耐馳公司。

1.2 樣品制備

1.2.1 尼龍6共混物的制備

將尼龍6樹脂按比例和其他組分（不包括玻纖）預先混合均勻，玻璃纖維側喂。再用特定螺桿組合的雙螺桿擠出機在螺桿轉速為300 r/min，真空度-0.08～-0.04 MPa，螺筒溫度為220～250 ℃的條件下混合均勻。熔融聚合物離開擠出機后用水驟冷，然后造粒，得到玻纖增強尼龍6材料。

1.2.2 尼龍66共混物的制備

將尼龍66樹脂按比例和其他組分（不包括玻纖）預先混合均勻，玻璃纖維側喂。再用特定螺桿組合的雙螺桿擠出機在螺桿轉速為300 r/min，真空度-0.08～-0.04 MPa，螺筒溫度為240～280 ℃的條件下混合均勻。熔融聚合物離開擠出機后用水驟冷，然后造粒，得到玻纖增強尼龍66材料。

1.2.3 尼龍10T共混物的制備

將尼龍6樹脂按比例和其他組分（不包括玻纖）預先混合均勻，玻璃纖維側喂。再用特定螺桿組合的雙螺桿擠出機在螺桿轉速為300 r/min，真空度-0.08～-0.04 MPa，螺筒溫度為270～320 ℃的條件下混合均勻。熔融聚合物離開擠出機后用水驟冷，然后造粒，得到玻纖增強尼龍10T材料。

1.3 材料測試和標準

拉伸和熔接線強度測試：將材料在120 ℃下干燥6 h后按標準注塑成型進行測試。拉伸強度和熔接線拉伸強度按照ISO 527-1/-2標準測試，拉伸速率10 mm/min，各個材料測量10個數據取平均值。

DSC測試條件：保護氣為高純N2氣；升溫程序： 30 ℃恒溫3 min，10 ℃/min升到340 ℃，恒溫5 min，10 ℃/min降到30 ℃，恒溫3 min，10 ℃/ min升到340 ℃。

2 結果與討論

2.1 不同基體尼龍材料熔接線強度對比

由表1數據可以看出，不同尼龍基體材料的熔接線強度有較大的差異，在正常的加工溫度下，脂肪族尼龍（PA6和PA66）的熔接線強度要明顯高于半芳香族尼龍PA10T的熔接線強度。表1中尼龍材料的結晶溫度從高到低排列為PA10T＞ PA66＞PA6，相應的熔接線強度為PA6＞PA66 ＞ PA10T。熔接線強度的高低取決于界面處高分子鏈是否有足夠時間和能量來進行擴散，以形成分子鏈之間的有效纏結。在相同的模具溫度下，材料結晶溫度越高，冷卻速度就最快，熔接線位置的分子鏈無法進行有效的纏結，因而強度比較低。

表1 不同尼龍材料的熔接線強度對比

2.2 成核劑和黑種對于熔接線強度的影響

成核劑和黑種對于熔接線強度的影響如表2所示。

表2 成核劑和黑種對于材料熔接線強度的影響

尼龍改性材料中通常會用到成核劑和黑種，而這兩種添加劑對于材料的性能都有影響。成核劑對于材料拉伸強度和熔接線強度都有影響，隨著成核劑量的增加，材料拉伸強度會有一定的提高，但熔接線強度卻明顯降低。加入1%的成核劑，熔接線強度由59 MPa降低至35 MPa，下降幅度超過40%。材料的結晶溫度由原來的271.3 ℃升高到278.4 ℃，并且結晶峰半高寬由原來的10.3 ℃降低到8.7 ℃。成核劑在玻纖增強尼龍體系中能明顯提高結晶溫度和加快結晶速率。和沒有成核劑的材料相比，材料冷卻的速度會更快，熔接線位置的分子鏈有效纏結的效果會變差，因而材料的熔接線強度會有明顯降低。另外，成核劑在PA10T材料的加工溫度下會有部分分解產生小分子的瓦斯氣，瓦斯氣的存在會使熔接線位置的分子鏈擴散纏結受阻從而使熔接線強度降低。成核劑的含量越高，瓦斯氣的含量也就相對增加，熔接線強度就越低。

表2數據表明：炭黑對于材料熔接線強度也有明顯的影響，炭黑含量越高，熔接線強度越低。對于50%玻纖增強的PA10T材料，添加1%的炭黑，熔接線強度降低22%。炭黑在玻纖增強尼龍體系中有對材料結晶行為也有影響，有點類似成核劑的作用，使材料結晶溫度提高，并且結晶速度加快，但影響的效果都不是很明顯。但實際上炭黑的添加會使材料熔接線強度有明顯的降低，跟炭黑在材料中分散效果有關。炭黑的比表面積大，在材料中容易團聚，團聚態的炭黑附在分子鏈上，會使分子鏈的纏結效果減弱，因而使得熔接線強度明顯降低。尼龍黑色母和碳黑的作用完全相反，加入1%的尼龍黑色母，材料結晶溫度降低6.2 ℃，并且結晶峰半高寬也由原來的10.3 ℃增加至15.7 ℃。尼龍黑色母能明顯降低材料的結晶溫度，并且材料結晶速度也明顯變慢，因而熔接線位置的分子鏈能有更多的時間來擴散進行有效纏結，材料熔接線強度不會降低反而會有明顯的提高。

2.3 注塑工藝對于材料熔接線強度的影響

能對熔接線強度影響的工藝參數包括：熔體溫度，模具溫度，注塑速度，注塑壓力和保壓壓力等。高分子鏈活動非常依賴溫度，升高溫度可以加速分子鏈的擴散和纏結，同時可以降低材料的熔體黏度，使得分子鏈有更好的纏結，因而能提高熔接線強度。由于溫度是工藝中影響最大的因素，所以重點考察了成型溫度和模具溫度對于50%玻纖增強PA10T材料熔接線強度的影響。

表3 熔體溫度和模具溫度對于材料熔接線強度的影響

由圖1可以看出，熔體溫度對熔接線強度有明顯影響，熔接線強度隨著注塑溫度的提高先明顯增加而后趨于平緩。當熔體溫度由310 ℃升高到350 ℃，熔接線強度可以提高大約20%。提高熔體溫度是有利于改善熔接線強度，但這種改善是有一定限度的，當熔體溫度升高到一定程度，再提高成型溫度對于熔接線強度的影響不大。模具溫度對于熔接線強度的影響最為明顯（圖2），在實驗溫度范圍內，熔接線強度隨著模具問題升高而增加。模具溫度由50 ℃升高至160 ℃，熔接線強度由59 MPa升高到90 MPa，提高53%。

圖1 熔體溫度對熔接線強度的影響

圖2 模具溫度對熔接線強度的影響

對于纖維增強注射成型制件，在非熔接線區域，纖維取向是典型的“表層—中心”結構，表層纖維取向平行于流動方向，而在中心纖維取向垂直于流動方向，中心層的比例隨制件的厚度增加而增加。而在熔接線區域，在整個厚度方向上部分纖維取向平行于熔接線方向，熔體溫度和模具溫度的升高，將加速高分子和纖維的運動、松弛、擴散和纏結，從而使分子鏈有較好的纏結，增加了纖維在熔接界面的穿越密度，從而提高了熔接處的強度。同時隨著溫度的提高，會增加表層沿流動方向取向程度的增加，進而增加熔接線的強度。

有文獻報道［5，6］，在玻纖增強PA66材料中，在影響材料熔接線強度的因素中熔體溫度的貢獻最大，熔體溫度的影響因子可以達到70%。由于高溫尼龍PA10T成型溫度比較高，加工窗口相對較窄，因此熔體溫度對熔接線強度的貢獻沒有PA66材料大，模具溫度的貢獻相對要大一些。在實際的應用中，用適當高的成型溫度和高的模具溫度，能夠非常有效的提高材料的熔接線強度。

3 結果與討論

（1）不同尼龍基體材料的熔接線強度有明顯差異，結晶溫度低，結晶速度慢的材料熔接線強度相對要高；

（2）成核劑和炭黑會讓材料的結晶溫度提高，結晶加快，從而導致熔接線強度降低，尼龍黑色母使得材料結晶溫度降低，結晶變慢，可以提高材料的熔接線強度；

（3）熔體溫度和模具溫度對于材料的熔接線強度影響很大，特別是模具溫度。在材料不分解的條件下，升高成型溫度和模具溫度能明顯改善材料的熔接線強度。

［1]鄧如生. 共混改性工程塑料［M］. 北京：化學工業出版社，2003：68.

［2]馬建民，宋詩文，郭健. 新型耐熱尼龍［J］. 現代塑料加工應用，2003，15（2）：41～44.

［3]曹民，章明秋，黃險波等.聚對苯二甲酸酰癸二胺的合成與表征［J］. 石油化工，2008，37（7）：714～717.

［4]楊揚，董斌斌，劉春太. 成型溫度對纖維增強注塑熔接線拉伸性能的影響. 鄭州大學學報（工學版），2004，25（1）：102～104.

［5]劉春太，趙延軍，黃霞，等. 纖維增強PA66注塑熔接線拉伸性能的研究. 中國塑料，2004，18（1）：55～58.

（R-01）

Performance of high glass content nylon 10T material weld lines

Research on the weld line performance of high content glass fi ber reinforced Nylon 10T material

Long Jie-ming，Mai Jie-hong，Jiang Su-jun
Research and Development Center，National Engineering Laboratory for Plastic Modifi cation and Processing，Kingfa Science and Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 510520，Guangdong, China

The weld line performance of high content glass fiber reinforced nylon 10T materials was studied. The results of research show that the crystallization behaviors of nylon resin have signifi cant effect on the performance of weld line; the material with lower crystallization temperature and slower crystallization rate will have higher weld line strength. Nucleating agent，carbon black and nylon black female have infl uence on the crystallization behavior of material，which affect the weld line strength. In the process of forming the melt temperature and mold temperature have a great infl uence on the weld line strength.

nylon 10T; weld line; injection molding; strength; nucleating agent; crystallization

TQ327.1

1009-797X（2016）02-0020-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.02.007

龍杰明（1978-），男，博士，從事特種工程塑料合成及共混改性研究。

2015-08-04