高嶺土填充量對PA66 復合材料性能的影響

許寧，楊樹娥，徐興亮，李健，馬勤清

（天津長蘆海晶集團有限公司，天津300450）

聚合物高分子材料以其獨特的結構以及易加工、易改性的特點，為國民經濟發(fā)展提供了重要物質基礎，但聚合物高分子材料也存在一些固有的缺點，比如力學強度低，熱穩(wěn)定性差等[1]。層狀硅酸鹽是一種具有片層結構的粘土礦物，且片層尺度為納米級，其與高分子材料進行復合，既可以改善高分子材料基體強度，熱穩(wěn)定性等，又可以賦予高分子復合材料某些特殊的性能，因此層狀硅酸鹽聚合物基復合材料越來越受到人們廣泛關注[2]。

本文采用經插層處理的高嶺土，以熔融共混的方法對PA66 進行復合改性，以期提高復合材料的力學性能、熱穩(wěn)定性等，以拓寬PA66 材料的應用領域。

1 材料與方法

1.1 實驗原料與設備

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

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

1.2 實驗方法

以尿素為插層劑，采用超聲波分散法，對高嶺土進行插層處理。插層處理后高嶺土經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中均和均勻后，加到雙螺桿擠出機的喂料口，并調整螺桿轉速及喂料速度，物料在雙螺桿擠出機中熔融、擠出、造粒，注塑樣條后進行相關性能檢測。

雙螺桿擠出機的實驗條件：加熱區(qū)T1～T10 溫度分布在 255～280℃，主機轉速 200～500r/min。注塑機注塑條件見表1。

表1 注塑機注塑條件

利用萬能試驗機、缺口制樣機、簡支梁試驗機等，對注塑機制備的樣條進行檢測，檢測方法和國標依據見表2。

表2 樣條的檢測方法和依據

表3 高嶺土插層處理對改性材料性能的影響

2 結果與討論

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，在雙螺桿擠出機中進行熔融共混改性。改性材料樣品相關性能檢測結果見表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度、彎曲強度、熱變形溫度等起到提高改善作用。但經插層處理的高嶺土與PA66 熔融共混后，制得的復合材料性能提升更加顯著，其缺口沖擊強度損失也更小。這說明插層處理使得高嶺土片層間距擴充，在剪切力的作用下高嶺土片層結構與PA66 高分子間產生較強的相互作用，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，進行熔融共混改性。改性材料樣品相關力學性能檢測結果見表4 和圖1。

表4 高嶺土添加量對改性材料力學性能的影響

如表4 及圖1 所示：在尼龍66/高嶺土復合材料中，隨著高嶺土添加量的增加，復合材料的非缺口沖擊強度呈現先下降而后上升，最后趨于平緩的趨勢；拉伸強度及彎曲強度則隨著高嶺土添加量的增加而呈現逐漸增加的趨勢，當超過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，在剪切力及熱力學驅動下，可以使PA66 分子嵌入片層結構之間，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]。因為高嶺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，使得復合材料的力學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

雙螺桿擠出機實驗條件一定，考察高嶺土添加量對PA66 復合材料的熱穩(wěn)定性的影響，結果見表 5 和圖 2。

圖1 高嶺土添加量對改性材料力學性能的影響

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合材料的熱穩(wěn)定性，這主要是由于高嶺土片層結構與基體大分子之間產生了交聯作用[5]。隨著高嶺土添加量的增加，改性后復合材料的熱變形溫度逐漸升高，當高嶺土添加量為8%時，熱變形溫度達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/高嶺土復合材料，結論如下。

經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/插層高嶺土復合材料過程中，隨著高嶺土添加量的增加，改性后復合材料的拉伸強度及彎曲強度均呈現逐漸增加的趨勢，當高嶺土添加量超過8%后變化趨于平緩，熱變形溫度也呈現類似趨勢；非缺口沖擊強度先下降而后上升，最后趨于平緩。

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