PA6與PTT共混制備低吸水率尼龍復(fù)合材料

許 寧，徐興亮，馬勤清，左玉偉，邊亞微，李 建

(天津長蘆海晶集團(tuán)有限公司，天津 300450)

尼龍是一種重要工程塑料，具有良好機(jī)械性能，以及優(yōu)良的耐磨損性、自潤滑性、耐油性、耐腐蝕、加工流動性等，應(yīng)用十分廣泛[1]。尼龍具有很強(qiáng)的親水性，容易吸水而導(dǎo)致性能下降[2-3]。

文章采用熔融共混法，在PA6基質(zhì)中加入低吸水率的PTT，考察PTT添加量對復(fù)合材料吸水率及各項(xiàng)機(jī)械性能的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備

原料。PA6(3816BR)，天津海晶?。籔TT(503WS)，美國殼牌；POE-g-MAH(GR216)，美國陶氏；抗氧劑H161，德國布呂格曼。

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。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 熔融共混

將PA6顆粒、PTT顆粒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。物料在雙螺桿擠出機(jī)中熔融、擠出、造粒，干燥后得到試驗(yàn)樣品。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235 ℃～250 ℃，主機(jī)轉(zhuǎn)速200 r/min～500 r/min。將干燥后的改性樣品在SA600注塑機(jī)上注塑樣條。

1.2.2 吸水率檢測

將樣條編號稱重后浸泡水中，于72 h后取出擦干稱重。通過樣條浸水前后的重量差，計(jì)算得到樣品的吸水率。

1.2.3 機(jī)械性能檢測

測試樣品干態(tài)下的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、缺口抗沖擊強(qiáng)度等機(jī)械性能指標(biāo)。測試樣品浸水72 h后濕態(tài)下的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、缺口抗沖擊強(qiáng)度等機(jī)械性能指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 與PTT熔融共混降低尼龍復(fù)合材料吸水率的可行性

將PA6與PTT以7 ∶3的比例配比，采用POE-g-MAH為相容劑，其添加量為3%，原料混合均勻后，在雙螺桿擠出機(jī)上進(jìn)行熔融共混，測試樣品吸水率及濕態(tài)下的機(jī)械性能。PA6、PA6/PTT、PA6/PTT/POE-g-MAH三種樣品的吸水率及濕態(tài)機(jī)械性能的數(shù)據(jù)見表1。

表1 PA6、PA6/PTT、PA6/PTT/POE-g-MAH性能對比Tab.1 Performance comparison of PA6,PA6/PTT and PA6/PTT/POE-g-MAH

從表1數(shù)據(jù)可以看出，純PA6樣品在水中浸泡72 h后，吸水率高達(dá)4.22%。當(dāng)加入30%PTT時，復(fù)合材料的吸水率為2.00%，比純PA6樣品的吸水率降低50%以上。PA6分子中具有較強(qiáng)極性的酰胺鍵從而導(dǎo)致其容易吸水，降低尼龍材料吸水率的主要機(jī)理有極性屏蔽作用、結(jié)構(gòu)屏蔽作用、結(jié)晶屏蔽作用等[4]。PTT分子雖然也具有較強(qiáng)極性，但本身吸水率極低，當(dāng)其與PA6共混時，一方面PTT分子結(jié)構(gòu)中的酯基與尼龍分子的酰胺基會發(fā)生氫鍵締合，在高溫及雙螺桿剪切力的雙重作用下還可能發(fā)生酯酰胺交換反應(yīng)[5]，從而產(chǎn)生極性屏蔽作用，減弱復(fù)合材料的吸水性；另一方面PTT作為低吸水率的分散相分散于尼龍基質(zhì)中，減少了材料對水分子的吸收和滲透，起到結(jié)構(gòu)屏蔽作用[6]。

同時，從表1可以看出，當(dāng)在原料中加入3%的相容劑POE-g-MAH時，復(fù)合材料的吸水率降至1.19%，比未加入相容劑時降低約40%，比純PA6樣品降低約70%。相容劑POE-g-MAH的加入，可以在PA6和PTT分子界面處形成接枝共聚物，使得兩種高分子之間更加緊密的結(jié)合在一起，從而改善兩相的相容性，進(jìn)一步降低了材料的吸水率。從表1中還可以看出，除了缺口抗沖擊強(qiáng)度之外，PTT加入后的濕態(tài)性能較之干態(tài)均有一定程度降低，而加入相容劑之后的復(fù)合材料其干態(tài)與濕態(tài)下的缺口抗沖擊強(qiáng)度較之未加相容劑時有所提高。

因此，PTT的加入可以顯著降低尼龍材料的吸水率，相容劑的加入則使吸水率進(jìn)一步降低，采用熔融共混法在PA6基質(zhì)中混入PTT來降低復(fù)合材料的吸水率的方法具有一定的可行性。文章接下來根據(jù)PTT的加入量對復(fù)合材料吸水率及干態(tài)和濕態(tài)下機(jī)械性能的影響做進(jìn)一步的研究。

2.2 PTT添加量對尼龍復(fù)合材料吸水率及機(jī)械性能的影響

2.2.1 PTT添加量對復(fù)合材料吸水率的影響

相容劑POE-g-MAH的添加量固定為3%，PTT的添加量分別為10%、20%、30%、40%，制備不同PTT含量下的PA6/PTT/POE-g-MAH復(fù)合材料。改性后復(fù)合材料的吸水率指標(biāo)如表2及圖1。

表2 PTT添加量對復(fù)合材料吸水率的影響Tab.2 The influence of PTT content on the water absorption of modified material %

表2及圖1數(shù)據(jù)中可以看出，PTT的加入能夠顯著降低尼龍材料的吸水率，10%的加入量時，復(fù)合材料的吸水率即由純PA6時的4.22%降至2.44%，隨著PTT添加量的增加，復(fù)合材料吸水率進(jìn)一步降低。當(dāng)PTT添加量為40%時，材料吸水率僅為0.70%。

圖1 PTT添加量對復(fù)合材料吸水率的影響Fig.1 The influence of PTT content on the water absorption of modified material

2.2.2 PTT添加量對復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響

相容劑POE-g-MAH的添加量固定為3%，PTT的添加量分別為10%、20%、30%、40%，制備不同PTT含量下的PA6/PTT/POE-g-MAH復(fù)合材料。改性后復(fù)合材料干態(tài)及濕態(tài)下的彎曲強(qiáng)度指標(biāo)如表3及圖2。

表3 PTT添加量對復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響Tab.3 The influence of PTT content on the flexural strength of modified material %

圖2 PTT添加量對復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響Fig.2 The influence of PTT content on the flexural strength of modified material

由表3及圖2可知，隨著PTT加入量的增加，改性后復(fù)合材料干態(tài)下的彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低然后又有所增加的趨勢。當(dāng)樣品在水中浸泡72 h后，復(fù)合材料的濕態(tài)彎曲強(qiáng)度較之干態(tài)下均有所下降，且下降幅度隨著PTT含量的增加大致呈減小趨勢，這是因?yàn)殡S著PTT含量的增加，PA6含量也在降低，尼龍分子吸水對彎曲強(qiáng)度造成的負(fù)面影響也隨著降低。

2.2.3 PTT添加量對復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

相容劑POE-g-MAH的添加量固定為3%，PTT的添加量分別為10%、20%、30%、40%，制備不同PTT含量下的PA6/PTT/POE-g-MAH復(fù)合材料。改性后復(fù)合材料干態(tài)及濕態(tài)下的拉伸強(qiáng)度指標(biāo)如表4及圖3。

表4 PTT添加量對復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響Tab.4 The influence of PTT content on the tensile strength of modified material

圖3 改性后材料的拉伸強(qiáng)度Fig.3 The influence of PTT content on the tensile strength of modified material

從表4及圖3可知，樣品在水中浸泡72 h，復(fù)合材料的濕態(tài)彎曲強(qiáng)度均明顯低于干態(tài)，且隨著PTT含量的增加其降低幅度也大致呈減小趨勢。

2.2.4 PTT添加量對復(fù)合材料缺口抗沖擊強(qiáng)度的影響

相容劑POE-g-MAH的添加量固定為3%，PTT的添加量分別為10%、20%、30%、40%，制備不同PTT含量下的PA6/PTT/POE-g-MAH復(fù)合材料。改性后復(fù)合材料干態(tài)及濕態(tài)下的缺口抗沖擊強(qiáng)度指標(biāo)如表5及圖4。

表5 PTT添加量對復(fù)合材料缺口抗沖擊強(qiáng)度的影響Tab.5 The influence of PTT content on the notched impact strength of modified material

從圖4、表5數(shù)據(jù)可知，尼龍材料吸水以后其缺口抗沖擊強(qiáng)度會顯著增加，這是因?yàn)樗肿幼鳛橐环N廣義的增塑劑，對尼龍材料起到塑化作用，提高了尼龍分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在所試驗(yàn)的PTT添加量范圍內(nèi)，復(fù)合材料的濕態(tài)缺口抗沖擊強(qiáng)度均高于干態(tài)缺口沖擊強(qiáng)度。

圖4 PTT添加量對復(fù)合材料缺口抗沖擊強(qiáng)度的影響Fig.4 The influence of PTT content on the notched impact strength of modified material

3 結(jié)論

文章采用熔融共混法，通過在PA6基質(zhì)中添加PTT填料來降低復(fù)合材料的吸水率，制備低吸水率尼龍復(fù)合材料，結(jié)論如下：

PTT的加入可顯著降低尼龍復(fù)合材料的吸水率，且相容劑POE-g-MAH的加入可以改善PA6與PTT兩相相容性，進(jìn)一步降低吸水率。PTT與PA6基質(zhì)共混來降低復(fù)合材料的吸水率具有可行性。

當(dāng)PTT加入量為10%時，復(fù)合材料的吸水率即降低了40%左右，隨著PTT添加量的增加，復(fù)合材料吸水率進(jìn)一步降低，PTT添加量40%時，復(fù)合材料吸水率為0.70%。

水分子進(jìn)入尼龍材料以后，會對復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響，對缺口抗沖擊強(qiáng)度則有正面增加作用。在所試驗(yàn)的PTT添加量范圍內(nèi)，復(fù)合材料的濕態(tài)下的拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度均低于干態(tài)，濕態(tài)缺口抗沖擊強(qiáng)度則高于干態(tài)缺口沖擊強(qiáng)度。