熱穩(wěn)定劑添加量對尼龍改性材料耐熱性的影響

秦增增，姚 利,陳曉杭

(天津長蘆海晶集團(tuán)有限公司，天津 300450)

1 前言

尼龍材料是一種性能優(yōu)良的工程塑料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、突出的耐腐蝕性、耐油性、耐熱性、高模量等優(yōu)點(diǎn)。汽車是尼龍最大的應(yīng)用市場，尤其在世界汽車輕量化的趨勢下，其改性產(chǎn)品在汽車行業(yè)中的應(yīng)用日趨擴(kuò)大。尼龍改性材料吹塑管料，常見用于汽車中冷器進(jìn)氣管，要求材料具有較好的物理機(jī)械性能的同時(shí)還需要較好的熱穩(wěn)定性能。為滿足此要求，在生產(chǎn)過程中添加一定比例的熱穩(wěn)定劑，能較好地提高產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性能。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備

原料：PA6，天津長蘆海晶集團(tuán)有限公司聚合公司生產(chǎn)； 短玻纖(GF)，泰山玻璃纖維有限公司生產(chǎn)；熱穩(wěn)定劑，布呂格曼；其他助劑。

設(shè)備：南京歐立TE-35同向雙螺桿擠出機(jī)；海天塑機(jī)SA600注塑機(jī)；真空干燥箱；萬能試驗(yàn)機(jī)；缺口制樣機(jī)；簡支梁試驗(yàn)機(jī)等。

2.2 理論依據(jù)

實(shí)驗(yàn)中所用熱穩(wěn)定劑為布呂格曼銅鹽類熱穩(wěn)定劑，所選銅鹽類熱穩(wěn)定劑中的碘化亞銅與尼龍中酰氨基團(tuán)的氮原子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物結(jié)構(gòu)，防止氮?dú)滏I受熱脫氫，熱氧化降解產(chǎn)生黃變，可防止內(nèi)酰胺脫水形成亞胺結(jié)構(gòu)，從而有效地提高了尼龍熱穩(wěn)定性能，對尼龍起到強(qiáng)效的保護(hù)，防止尼龍?jiān)诟邷亍⒒瘜W(xué)腐蝕以及惡劣的環(huán)境條件下產(chǎn)生過早的機(jī)械疲勞。

2.3 實(shí)驗(yàn)原輔料(表1)

表1 實(shí)驗(yàn)配方Tab.1 Experimental formula

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

2.4.1 造粒

分七組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)打樣，在原輔料添加量不變的情況下，改變熱穩(wěn)定劑的添加量，添加量分別為1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%，利用35試驗(yàn)機(jī)分別對七組配方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)打樣造粒，實(shí)驗(yàn)過程中要求工藝穩(wěn)定。造粒前，應(yīng)對雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行清洗，啟動(dòng)設(shè)備，設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度，進(jìn)行預(yù)熱，溫度達(dá)到設(shè)定值后，用洗車料對雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行清洗，同時(shí)對加熱區(qū)升溫情況、螺桿轉(zhuǎn)速及喂料量適宜條件、擠出樣條狀態(tài)、切粒機(jī)狀態(tài)進(jìn)行檢查，確定實(shí)驗(yàn)設(shè)備符合運(yùn)行條件，方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)打樣。

2.4.2 注塑

根據(jù)需要，造粒產(chǎn)品在做物理性能測試之前，需在真空干燥箱中烘烤6 h，溫度105 ℃。注塑時(shí)，每組產(chǎn)品注塑拉伸樣條50根，沖擊樣條120根，注塑完成后，每組產(chǎn)品進(jìn)行首次拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度測試，測試結(jié)果作為耐溫性實(shí)驗(yàn)參考基數(shù)。剩余樣條置于真空干燥箱中烘烤，進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)測試。此次測試的樣條均為23 ℃，50%濕度,平衡24 h。

2.4.3 烘烤

將注塑的樣條放于真空干燥箱中，溫度設(shè)置為200 ℃，進(jìn)行不斷電連續(xù)烘烤，當(dāng)烘烤500 h、1 000 h、1 500 h、2 000 h、2 500 h、3 000 h時(shí)，分別取出樣條測試伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組至少取4根樣條進(jìn)行測試。

采用海天塑機(jī)SA600注塑機(jī)制備標(biāo)準(zhǔn)樣條，注塑條件如表2。

表2 用注塑機(jī)注塑條件Tab.2 Injection molding conditions with molding machine

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)如表3。

表3 樣條的檢測方法和依據(jù)Tab.3 Detection method and basis of spline

3 結(jié)果與討論

3.1 熱穩(wěn)定劑添加量對尼龍改性材料力學(xué)性能的影響

3.1.1 熱穩(wěn)定劑添加量對尼龍改性材料拉伸力學(xué)性能的影響

不同熱穩(wěn)定劑添加量生產(chǎn)的尼龍改性材料，利用注塑機(jī)注塑拉伸樣條，樣條放于鼓風(fēng)干燥箱中烘烤3 000 h，溫度設(shè)置200 ℃，分別在烘烤0 h、500 h、1 000 h、1 500 h、2 000 h、2 500 h、3 000 h時(shí)測試樣條拉伸強(qiáng)度，觀察強(qiáng)度變化情況，結(jié)果見表4、圖1。

表4 熱穩(wěn)定劑添加量對尼龍改性材料拉伸力學(xué)性能的影響Tab.4 The effect of heat stabilizer addition on tensile mechanical properties of nylon modified materials

如表4和圖1所示，隨著烘烤時(shí)間的增加，改性產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度逐漸降低，烘烤時(shí)間≤2 000 h時(shí)，產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度平穩(wěn)緩慢降低，烘烤時(shí)間2 000 h時(shí)，熱穩(wěn)定劑添加量≤2.0%，產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度明顯下降。從表4和圖1可以看出，隨著熱穩(wěn)定劑添加量的增加，經(jīng)過同等時(shí)間200 ℃的烘烤，產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度變化越小。整體來看，熱穩(wěn)定劑添加量為3.0%～4.0%時(shí)，經(jīng)200 ℃/3 000 h烘烤，產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度變化較小。

圖1 熱穩(wěn)定劑添加量對尼龍改性材料拉伸力學(xué)性能的影響Fig.1 Effect of heat stabilizer addition on tensile mechanical properties of nylon modified materials

3.1.2 熱穩(wěn)定劑添加量對尼龍改性材料彎曲力學(xué)性能的影響

不同熱穩(wěn)定劑添加量生產(chǎn)的尼龍改性材料，利用注塑機(jī)注塑拉伸樣條，樣條放于鼓風(fēng)干燥箱中烘烤3 000 h，溫度設(shè)置200 ℃，分別在烘烤0 h、500 h、1 000 h、1 500 h、2 000 h、2 500 h、3 000 h時(shí)測試樣條彎曲強(qiáng)度，觀察強(qiáng)度變化情況，結(jié)果見表5、圖2。

表5 熱穩(wěn)定劑添加量對尼龍改性材料彎曲力學(xué)性能的影響Tab.5 The effect of heat stabilizer addition on bending mechaical properties of nylon modified materials

圖2 熱穩(wěn)定劑添加量對尼龍改性材料彎曲力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of heat stabilizer addition on bending mechanical properties of nylon modified materials

如表5和圖2所示，烘烤前，不同熱穩(wěn)定劑添加量的情況下，產(chǎn)品彎曲強(qiáng)度相差不大，隨著烘烤時(shí)間的增加，產(chǎn)品的彎曲強(qiáng)度逐漸降低，從圖2能看出，熱穩(wěn)定劑添加量≤3.0%時(shí)，熱穩(wěn)定劑添加量越少，隨著烘烤時(shí)間增加，產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度降低的越明顯，熱穩(wěn)定劑≥3.0%，熱穩(wěn)定劑添加量越多，隨著烘烤時(shí)間的增加，產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度降低的越明顯。整體來看，熱穩(wěn)定劑添加量為3.0%～4.0%時(shí)，經(jīng)200 ℃/3 000 h烘烤，產(chǎn)品彎曲強(qiáng)度變化較小。

3.1.3 熱穩(wěn)定劑添加量對尼龍改性材料沖擊力學(xué)性能的影響(表6、圖3)

表6 熱穩(wěn)定劑添加量對尼龍改性材料沖擊力學(xué)性能的影響Tab.6 The effect of heat stabilizer addition on impact mechaical properties of nylon modified materials

圖3 熱穩(wěn)定劑添加量對尼龍改性材料沖擊力學(xué)性能的影響Fig.3 Effect of heat stabilizer addition on impact mechanical properties of nylon modified materials

如表6和圖3所示，烘烤前，不同熱穩(wěn)定劑添加量的情況下，產(chǎn)品的沖擊強(qiáng)度相差不大，隨著烘烤時(shí)間的增加，產(chǎn)品的沖擊強(qiáng)度總體呈下降趨勢，從圖2能看出，熱穩(wěn)定劑添加量≤3.0%時(shí)，熱穩(wěn)定劑添加量越少，隨著烘烤時(shí)間的增加，產(chǎn)品沖擊強(qiáng)度降低的越明顯，熱穩(wěn)定劑≥3.0%，熱穩(wěn)定劑添加量越多，隨著烘烤時(shí)間的增加，產(chǎn)品沖擊強(qiáng)度降低的越明顯。整體來看，熱穩(wěn)定劑添加量為3.0%～4.0%時(shí)，經(jīng)200 ℃/3 000 h烘烤，產(chǎn)品沖擊強(qiáng)度變化較小。

3.2 熱穩(wěn)定劑添加量對尼龍改性材料力學(xué)性能保持率的影響

改變熱穩(wěn)定劑添加量，添加量1.0%～4.0%，其他原輔料不變的情況下實(shí)驗(yàn)打樣，產(chǎn)品在相同注塑條件下注塑拉伸樣條，彎曲樣條，測試樣條烘烤前和在200 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中烘烤3 000 h后的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度，比對數(shù)值，查看各力學(xué)性能的保持情況，用保持率表示如下：

式中:最終數(shù)值——200 ℃/3 000 h烘烤后測試數(shù)值；原始數(shù)值——樣品注塑后直接測試數(shù)值，未經(jīng)烘烤。

不同熱穩(wěn)定劑添加量的情況下，注塑樣條烘烤前后性能對比見表7、圖4。

表7 熱穩(wěn)定劑添加量對尼龍改性材料力學(xué)性能保持率的影響Tab.7 Effect of heat stabilizer addition on mechanical properities retention of nylon modified materials

圖4 熱穩(wěn)定劑添加量對尼龍改性材料力學(xué)性能保持率的影響Fig.4 Effect of heat stabilizer addition on mechanical properities retention of nylon modified materials

如表7和圖4， 熱穩(wěn)定劑添加量在1.0%～3.0%時(shí)，隨著熱穩(wěn)定添加量的增多，經(jīng)200 ℃/3 000 h烘烤，產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度保持率逐漸 增高；熱穩(wěn)定劑添加量在3.0%～4.0%時(shí)，隨著熱穩(wěn)定添加量的增多，經(jīng)200 ℃/3 000 h烘烤，產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度保持率逐漸降低；從圖7看出，熱穩(wěn)定劑添加量≥2.5%時(shí)，經(jīng)200 ℃/3 000 h烘烤，產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度保持率達(dá)70%以上，熱穩(wěn)定劑添加量≥1.5%時(shí)，經(jīng)200 ℃/3 000 h烘烤，產(chǎn)品的彎曲強(qiáng)度保持率能達(dá)到70%以上，熱穩(wěn)定劑添加量≥3%時(shí)，經(jīng)200 ℃/3 000 h烘烤，產(chǎn)品的沖擊強(qiáng)度保持率能達(dá)到70%以上。

4 結(jié)論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究可知，熱穩(wěn)定劑添加量對玻纖增強(qiáng)尼龍改性材料耐溫性影響較大，當(dāng)熱穩(wěn)定劑添加量在1.0%～3.0%時(shí)，隨著熱穩(wěn)定劑添加量的增加，經(jīng)200 ℃/3 000 h烘烤，產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度保持率呈遞增的趨勢。當(dāng)熱穩(wěn)定劑添加量在3.0%～4.0%時(shí)，隨著熱穩(wěn)定劑添加量的增加，經(jīng)200 ℃/3 000 h烘烤，產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度保持率呈遞減的趨勢。考慮到所有力學(xué)指標(biāo)要求烘烤后保持率能達(dá)到70%以上，建議熱穩(wěn)定劑添加量為3.0%。