高嶺土填充量對PA66 復(fù)合材料性能的影響

許寧，楊樹娥，徐興亮，李健，馬勤清

（天津長蘆海晶集團(tuán)有限公司，天津300450）

聚合物高分子材料以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)以及易加工、易改性的特點(diǎn)，為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要物質(zhì)基礎(chǔ)，但聚合物高分子材料也存在一些固有的缺點(diǎn)，比如力學(xué)強(qiáng)度低，熱穩(wěn)定性差等[1]。層狀硅酸鹽是一種具有片層結(jié)構(gòu)的粘土礦物，且片層尺度為納米級，其與高分子材料進(jìn)行復(fù)合，既可以改善高分子材料基體強(qiáng)度，熱穩(wěn)定性等，又可以賦予高分子復(fù)合材料某些特殊的性能，因此層狀硅酸鹽聚合物基復(fù)合材料越來越受到人們廣泛關(guān)注[2]。

本文采用經(jīng)插層處理的高嶺土，以熔融共混的方法對PA66 進(jìn)行復(fù)合改性，以期提高復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性等，以拓寬PA66 材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備

原料：聚酰胺66（EP158），河南神馬；高嶺土，中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院；抗氧劑1098、168，巴斯夫。

設(shè)備：TE-35 型雙螺桿擠出機(jī)，南京歐立；SA600 注塑機(jī)，海天塑機(jī)；萬能試驗(yàn)機(jī)、缺口制樣機(jī)、簡支梁試驗(yàn)機(jī)，美斯特；XRW 型熱變形維卡軟化點(diǎn)溫度測定儀，上海群弘儀器設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

以尿素為插層劑，采用超聲波分散法，對高嶺土進(jìn)行插層處理。插層處理后高嶺土經(jīng)低溫煅燒去除尿素和層間水即得到插層高嶺土。

將PA66 顆粒、插層高嶺土、及其他助劑在高速混合機(jī)中均和均勻后，加到雙螺桿擠出機(jī)的喂料口，并調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)速及喂料速度，物料在雙螺桿擠出機(jī)中熔融、擠出、造粒，注塑樣條后進(jìn)行相關(guān)性能檢測。

雙螺桿擠出機(jī)的實(shí)驗(yàn)條件：加熱區(qū)T1～T10 溫度分布在 255～280℃，主機(jī)轉(zhuǎn)速 200～500r/min。注塑機(jī)注塑條件見表1。

表1 注塑機(jī)注塑條件

利用萬能試驗(yàn)機(jī)、缺口制樣機(jī)、簡支梁試驗(yàn)機(jī)等，對注塑機(jī)制備的樣條進(jìn)行檢測，檢測方法和國標(biāo)依據(jù)見表2。

表2 樣條的檢測方法和依據(jù)

表3 高嶺土插層處理對改性材料性能的影響

2 結(jié)果與討論

2.1 插層處理前后高嶺土對PA66 改性效果的對比

考察插層處理前后的高嶺土對PA66 的改性效果，分別將其以6%的添加量與PA66、抗氧化劑等混合均勻后，在雙螺桿擠出機(jī)中進(jìn)行熔融共混改性。改性材料樣品相關(guān)性能檢測結(jié)果見表3。

從表3 可以看出，無論是插層處理與否，高嶺土均能對改性材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、熱變形溫度等起到提高改善作用。但經(jīng)插層處理的高嶺土與PA66 熔融共混后，制得的復(fù)合材料性能提升更加顯著，其缺口沖擊強(qiáng)度損失也更小。這說明插層處理使得高嶺土片層間距擴(kuò)充，在剪切力的作用下高嶺土片層結(jié)構(gòu)與PA66 高分子間產(chǎn)生較強(qiáng)的相互作用，使高嶺土能更加均勻地分布于PA66 基體中，從而使其力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性有較大提升[3]。

2.2 高嶺土添加量對改性PA66 材料力學(xué)性能的影響

分別將插層高嶺土以2%、4%、6%、8%、10%、12%的添加量與PA66、抗氧化劑等混合均勻后，進(jìn)行熔融共混改性。改性材料樣品相關(guān)力學(xué)性能檢測結(jié)果見表4 和圖1。

表4 高嶺土添加量對改性材料力學(xué)性能的影響

如表4 及圖1 所示：在尼龍66/高嶺土復(fù)合材料中，隨著高嶺土添加量的增加，復(fù)合材料的非缺口沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)先下降而后上升，最后趨于平緩的趨勢；拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度則隨著高嶺土添加量的增加而呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，當(dāng)超過8%后變化趨于平緩。

高嶺土等層狀硅酸鹽類礦物材料經(jīng)插層處理后，其單元片層間距增大，在熔融共混過程中，在剪切力及熱力學(xué)驅(qū)動下，可以使PA66 分子嵌入片層結(jié)構(gòu)之間，也可以使部分高嶺土片層剝離，并均勻分布于PA66 高分子基體中[4]。因?yàn)楦邘X土是以嵌入或剝離的形式在微觀尺度上分散于PA66基體之中，使得復(fù)合材料的力學(xué)性能及熱變形溫度均得到提高。但如果高嶺土填充量過多，粉體在高分子基體中難以分散均勻，從而發(fā)生團(tuán)聚形成缺陷，使得材料的綜合性能降低。

2.3 高嶺土添加量對改性PA66 材料熱穩(wěn)定性的影響

雙螺桿擠出機(jī)實(shí)驗(yàn)條件一定，考察高嶺土添加量對PA66 復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見表 5 和圖 2。

圖1 高嶺土添加量對改性材料力學(xué)性能的影響

表5 高嶺土含量對改性材料熱變形溫度的影響

如表5 和圖2 所示：高嶺土的加入可大幅度改善復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，這主要是由于高嶺土片層結(jié)構(gòu)與基體大分子之間產(chǎn)生了交聯(lián)作用[5]。隨著高嶺土添加量的增加，改性后復(fù)合材料的熱變形溫度逐漸升高，當(dāng)高嶺土添加量為8%時，熱變形溫度達(dá)96.2℃，之后隨著高嶺土含量的增大，改性后材料熱變形溫度增加趨于緩慢。

圖2 高嶺土添加量對改性材料熱變形溫度的影響

3 結(jié)論

本文以PA66 為基體樹脂，通過添加插層高嶺土，采用熔融共混改性法，制備得到PA66/高嶺土復(fù)合材料，結(jié)論如下。

經(jīng)插層處理后的高嶺土對PA66 的改性效果明顯優(yōu)于未插層處理的高嶺土。在制備PA66/插層高嶺土復(fù)合材料過程中，隨著高嶺土添加量的增加，改性后復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，當(dāng)高嶺土添加量超過8%后變化趨于平緩，熱變形溫度也呈現(xiàn)類似趨勢；非缺口沖擊強(qiáng)度先下降而后上升，最后趨于平緩。

當(dāng)高嶺土填充量為8%時，改性產(chǎn)品的力學(xué)性能優(yōu)良，材料拉伸強(qiáng)度為91.71 MPa，彎曲強(qiáng)度為115.92 MPa，缺口沖擊強(qiáng)度為4.11 kJ/m2，熱變形溫度96.2℃，能較好的滿足相關(guān)要求。