高性能無(wú)捻玻璃纖維粗紗增強(qiáng)尼龍回料的研究

章建忠，詹英韜，王 堃，樊家澍，陸建明，陸沈奇，張志堅(jiān)

（巨石集團(tuán)有限公司，桐鄉(xiāng) 314500）

0 前言

聚酰胺（PA，俗稱尼龍）是分子主鏈上含有重復(fù)酰胺基團(tuán)的熱塑性樹(shù)脂總稱，其命名是以二胺和二元酸的碳原子數(shù)來(lái)命名的，如PA66是己二胺和己二酸的共聚物。PA66具有良好的機(jī)械性能、耐磨損性、耐熱性、耐化學(xué)品性和自潤(rùn)滑性，但熱變形溫度低、吸濕性大，吸濕后的PA66制品電絕緣性差、剛性明顯下降且尺寸變化大［1］。工業(yè)生產(chǎn)上，一般采用玻璃纖維增強(qiáng)尼龍（GF/PA）。GF/PA制品的性能受到多方面因素的影響，主要因素有玻纖強(qiáng)度、玻纖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、基體樹(shù)脂、界面狀態(tài)以及注塑加工過(guò)程中的玻纖長(zhǎng)度保持率和纖維分布狀態(tài)等［2］。在GF/PA生產(chǎn)過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生一些廢料，而隨著環(huán)保意識(shí)的提高，人們愈發(fā)重視廢棄物的回收再利用。廢料的回收利用，不僅有利于生態(tài)環(huán)境，且其經(jīng)濟(jì)價(jià)值十分可觀［3］。對(duì)這些廢料進(jìn)行回收再利用，可應(yīng)用于對(duì)力學(xué)要求不高的電子電器領(lǐng)域。尼龍回料中含有2%～4%的水分及少量無(wú)機(jī)雜質(zhì)，在雙螺桿擠出機(jī)的高溫環(huán)境下，水分會(huì)影響玻纖與樹(shù)脂的結(jié)合［4］；無(wú)機(jī)雜質(zhì)會(huì)破壞玻纖的完整性。需要對(duì)尼龍回料進(jìn)行熱風(fēng)干燥處理，再用玻璃纖維進(jìn)行增強(qiáng)，才能達(dá)到應(yīng)用要求。因此，尼龍回料的生產(chǎn)效率較低，生產(chǎn)成本較高，難以推廣應(yīng)用。

本文在988A基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化浸潤(rùn)劑，在浸潤(rùn)劑配方中引入保護(hù)劑，在高溫條件下有效保護(hù)玻璃纖維不被水分侵蝕，保證玻璃纖維在樹(shù)脂內(nèi)的完整性，從而促進(jìn)樹(shù)脂與玻纖的結(jié)合。開(kāi)發(fā)了一款新型無(wú)捻粗紗960A，不僅改善了玻纖增強(qiáng)尼龍回料的力學(xué)性能，同時(shí)有效提高了玻纖增強(qiáng)尼龍回料的生產(chǎn)效率，大大降低了生產(chǎn)成本。

GF/PA復(fù)合材料由于應(yīng)用前景廣闊而備受青睞，針對(duì)其性能的研究很多［5］。本文研究尼龍回料中的水分及無(wú)機(jī)雜質(zhì)對(duì)玻纖增強(qiáng)尼龍性能的影響，并用光學(xué)顯微鏡觀察其微觀結(jié)構(gòu)，分析復(fù)合界面的結(jié)構(gòu)形態(tài)和失效機(jī)理［6］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

PA回料：PA66，美國(guó)杜邦，生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢棄料或使用后的陳舊料。

玻璃纖維無(wú)捻粗紗：EDR14-2000-988A，EDR14-2000-960A，巨石集團(tuán)有限公司。

1.2 設(shè)備與儀器

雙螺桿擠出機(jī)：Φ=25，貝爾斯托夫擠出機(jī)；

注塑機(jī)：S-2000il00A型，日本FANUC；

萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)：Z050型，德國(guó)Zwick公司；

沖擊試驗(yàn)機(jī)：6956.000型，意大利CEAST公司；

精密程控干燥箱：DHG-9440Q，上海翌鳴科貿(mào)有限公司；

熱臺(tái)偏光顯微鏡：DYE-400E，上海點(diǎn)應(yīng)光學(xué)儀器有限公司。

1.3 GF/PA回料復(fù)合材料的制備

設(shè)計(jì)GF/PA回料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；利用雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行擠出、造粒，經(jīng)過(guò)注塑機(jī)注射為測(cè)試樣品。本文中設(shè)計(jì)GF占設(shè)計(jì)GF/PA回料復(fù)合材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的30%，余量為PA回料。

表1 GF/PP復(fù)合材料制備工藝參數(shù)

1.4 性能測(cè)試

（1）拉伸強(qiáng)度按照ISO527《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》；

（2）彎曲強(qiáng)度按照ISO178《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》；

（3）簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度按照ISO179《纖維增強(qiáng)塑料沖擊性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》；

利用偏光顯微鏡分別觀察4個(gè)試樣的沖擊斷面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 干態(tài)條件GF/PA回料性能對(duì)比

實(shí)驗(yàn)前，將PA回料在干燥箱105 ℃的條件下，烘制5 h，將尼龍回料里面的水分烘干，并測(cè)得實(shí)際水分占復(fù)合材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.64%。再經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)擠出，設(shè)計(jì)GF占GF/PP復(fù)合材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的30%，對(duì)比測(cè)試EDR14-2000-960A/PA回料、EDR14-2000-988A/PA回料的復(fù)合材料的力學(xué)性能。

從表2可以明顯看出，PA回料烘干后，960A增強(qiáng)PA回料試樣的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都高于988A增強(qiáng)。PA回料中含有少量的無(wú)機(jī)雜質(zhì)，在雙螺桿擠出機(jī)中，會(huì)對(duì)玻纖造成破壞。從圖1可以看出，由于960A玻纖表面經(jīng)過(guò)特殊表面處理，提高了玻纖的單絲韌性，經(jīng)過(guò)擠出機(jī)混煉剪切后，不易被破壞，960A殘留長(zhǎng)度明顯長(zhǎng)于988A。因此960A單絲完整性要明顯好于988A，使得960A/PA回料復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均具有明顯優(yōu)勢(shì)。

表2 干態(tài)下30%GF/PA回料的力學(xué)性能

圖1 沖擊斷面的偏光顯微鏡照片

2.2 GF/PA回料性能對(duì)比

PA回料使用前不經(jīng)烘干，直接經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)擠出，設(shè)計(jì)GF占GF/PP復(fù)合材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的30%，對(duì)比測(cè)試EDR14-2000-960A/PA回料、EDR14-2000-988A/PA回料的復(fù)合材料的力學(xué)性能。

從表2及表3可以明顯看出，PA回料中的水分對(duì)988A增強(qiáng)PA回料力學(xué)性能影響較大，力學(xué)性能衰減20%左右；對(duì)960A增強(qiáng)PA回料力學(xué)性能影響較小。從圖2a可以看出，988A玻纖及回料經(jīng)過(guò)擠出機(jī)混煉剪切后，由于水分沒(méi)有及時(shí)排出，影響了玻纖表面處理劑的界面性能，導(dǎo)致玻纖與尼龍樹(shù)脂的結(jié)合較差，并且布滿了致密的孔隙［7］，從而導(dǎo)致力學(xué)性能下降。從圖2b可以看出，覆蓋960A玻纖周?chē)哪猃垬?shù)脂較為緊實(shí)，由于960A玻纖表面經(jīng)過(guò)特殊的涂敷處理，沒(méi)有被水分侵蝕，與尼龍樹(shù)脂結(jié)合較好，經(jīng)擠出機(jī)高溫混煉剪切，及時(shí)將熔體內(nèi)部的水分排出，所以力學(xué)性能衰減較小。結(jié)果表明：960A的疏水性明顯優(yōu)于988A。

表3 30%GF/PA回料的力學(xué)性能

圖2 沖擊斷面的偏光顯微鏡照片

3 結(jié)論

（1）960A同尼龍回料經(jīng)過(guò)雙螺桿擠出機(jī)混煉、剪切，單絲完整性要明顯好于988A，使得960A/PA回料復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均具有明顯優(yōu)勢(shì)。

（2）PA回料中的水分對(duì)988A增強(qiáng)PA回料力學(xué)性能影響較大，力學(xué)性能衰減20%左右；而對(duì)960A增強(qiáng)PA回料力學(xué)性能影響較小。由于960A玻纖表面經(jīng)過(guò)特殊的涂敷處理，沒(méi)有被水分侵蝕，與尼龍樹(shù)脂結(jié)合較好，經(jīng)擠出機(jī)高溫混煉剪切，可及時(shí)將熔體內(nèi)部的水分排出，不易在復(fù)合材料內(nèi)部形成孔隙，所以力學(xué)性能衰減較小，能夠滿足產(chǎn)品應(yīng)用的設(shè)計(jì)使用要求。