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挤出过程对增韧尼龙6 力学性能的影响

栏目:公司新闻 发布时间:2021-02-10

        摘要:对尼龙(PA)6 进行增韧可以改善其低温下的冲击强度,扩展PA6 材料的应用领域。以PA6、聚烯烃增韧剂、抗氧剂为原料,在同向双螺杆挤出机中制备了增韧PA6 材料,考察了一次挤出与二次挤出对增韧PA6 材料力学性能的影响。结果发现,挤出过程对增韧PA6 的拉伸强度、断裂伸长率、拉伸断裂强度以及室温冲击强度影响显著,二次挤出过程得到的增韧PA6 材料的性能下降,这与PA6 在二次挤出过程中发生了更严重的氧化降解有关,但是对拉伸屈服强度和–40℃冲击强度影响不显著,说明这些性能对挤出过程以及氧化降解缺陷不敏感。
        尼龙(PA) 是一种用途最广、种类最多的工程塑料。该材料具有良好的力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学腐蚀性、自润滑性和一定的阻燃性,同时PA加工性能优良,可一体化成型复杂的结构部件,被广泛用于汽车、电子电器、机械、轨道交通、体育器械等领域[1]。但是吸水性强、低温冲击性能差的缺点限制了PA 材料的应用范围[2–3]。
        加入增韧剂可以显著提高PA 在低温和干态下的冲击强度。这种增韧剂一般为马来酸酐类极性单体接枝的聚烯烃[4–5]。增韧剂与PA 在挤出机中进行熔融共混时,聚烯烃上接枝的极性单体的羧基会与PA 端氨基会发生缩合反应,原位生成嵌段型接枝物,这种接枝物可以起到增容剂的作用,显著提高增韧剂在PA 基体中的分散效果。
        由于这种原位增容是在挤出机中完成的,挤出过程对增韧PA6 性能会产生重要影响[6–16]。笔者
采用一次和两次挤出工艺,研究了挤出过程对增韧PA6 力学性能的影响。
1.实验部分
1.1 主要原材料
        PA6 :ZR01–6,平顶山海瑞祥英派瑞科技有限公司;
        增韧剂:KE1–ISM,山东科华赛邦新材料股份有限公司;
        抗氧剂:1010,德国BASF 公司。
1.2 主要仪器及设备
        挤出机:TSE–35 型,南京瑞亚挤出机械制造有限公司;
        注塑机:BT80V 型,博创机械股份有限公司;
        万能材料试验机:Exceed E43 型,美特斯工业系统( 中国) 有限公司深圳分公司;
        摆锤式冲击试验机:ZBC7000 型,美特斯工业系统( 中国) 有限公司深圳分公司;
        缺口制样机:YJ1251 型,美特斯工业系统( 中国) 有限公司深圳分公司;
        低温冰箱:W–FL90 型,中科美菱低温科技有限责任公司;
        天平:MS8001SE 型,瑞士梅特勒托利多仪器(中国)有限公司。
1.3 试样制备
        (1) 一次挤出过程。
        称取一定量的PA6、增韧剂和抗氧剂,在高速混合机中混合30 min,然后加入同向双螺杆挤出机料斗中进行挤出,挤出温度为230~280℃,螺杆转速为100 r/min,挤出料条后经过水冷、牵引,用切粒机造粒备用;将得到的增韧PA6 颗粒在100℃下真空烘箱中干燥12 h 除去水分;将干燥的增韧PA6颗粒采用注塑工艺制备拉伸和冲击试样。
        (2) 二次挤出过程。
        称取一定量的一次挤出增韧的PA6 以及抗氧剂,采用与一次挤出相同的工艺,二次挤出增韧PA6 ;将得到的二次挤出增韧PA6 颗粒在100℃下真空烘箱中干燥12 h 以除去水分;将干燥的增韧PA6 颗粒采用注塑工艺制备拉伸和冲击试样。
1.4 性能测试与结构表征
        拉伸性能按照ISO 527–21–2012 测试,试样尺寸为80 mm×10 mm×4 mm ;
        冲击性能按照ISO 179–2010 测试,试样尺寸为80 mm×10 mm×4 mm。
2结果与讨论
        采用两种不同的挤出工艺:一次挤出和二次挤出过程,制备增韧PA6 材料,研究了不同挤出过程对增韧PA6 材料的拉伸强度、拉伸屈服强度、断裂伸长率、拉伸断裂强度、室温和–40℃冲击强度的影响,结果如表1 所示。

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2.1 挤出工艺对增韧PA6 材料拉伸强度的影响

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图1 为增韧PA6 拉伸过程中的应力– 应变曲线。
        拉伸强度是PA 材料在应用过程中很重要的一个指标,此拉伸强度在材料拉伸曲线中的位置如图1 中的1 点所示。
        从表1 可以看到,挤出过程对增韧PA6 的拉伸强度影响显著,一次挤出过程得到的增韧PA6 材料的拉伸强度为48.18 MPa,但是经过二次挤出过程后,增韧PA6 材料的拉伸强度下降为41.47 MPa。在二次挤出过程中虽然加入了与一次过程等量的抗氧剂,但是增韧PA6 材料仍然发生了明显的氧化现象,一次与二次挤出过程得到的增韧PA6 材料外观如图2 所示。从图2 可以看到,二次挤出过程得到的增韧PA6 颗粒颜色明显比一次挤出过程颗粒颜色深,说明二次挤出过程增韧PA6 材料发生了更多的氧化降解,因此二次挤出过程中得到的增韧PA6材料的拉伸强度更低。

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2.2 挤出工艺对增韧PA6 材料拉伸屈服强度影响
        拉伸屈服强度指PA6 材料在发生屈服时拉伸强度,当增韧PA6 材料发生屈服后,伴随着显著的塑性变形而失去使用价值,此拉伸屈服强度在增韧PA6 材料拉伸曲线中的位置如图1 中的2 点所示。
        从表1 可看出,挤出过程对增韧PA6 材料的拉伸屈服强度影响不显著,一次挤出过程得到的增韧PA6 材料拉伸屈服强度为42.25 MPa,经过二次挤出过程后,增韧PA6 材料的拉伸屈服强度略有下降,为41.47 MPa。虽然增韧PA6 材料在二次挤出过程中发生了更多的氧化降解,但是对增韧PA6 材料拉伸屈服强度的影响并不大,说明增韧PA6 材料拉伸屈服强度对挤出过程以及氧化降解缺陷不敏感。
2.3 挤出工艺对增韧PA6 材料断裂伸长率的影响
        从表1 可以看到,挤出过程对增韧PA6 材料的断裂伸长率影响非常显著,一次挤出过程得到的增韧PA6 材料的断裂伸长率为198.67%,但是经过二次挤出过程后,增韧PA6 材料的断裂伸长率显著下降到152.73%,下降幅度达到23%。这是由于二次挤出过程得到的增韧PA6 材料发生了更多的氧化降解,造成PA6 链段缺陷增加,使得增韧PA6 材料断裂伸长率显著下降,说明增韧PA6 材料的断裂伸长率对挤出过程以及氧化降解缺陷非常敏感。
2.4 挤出工艺对材料拉伸断裂强度的影响
        断裂强度是指增韧PA6 材料在发生断裂时的拉伸强度,此断裂强度在增韧PA6 材料拉伸曲线中的位置如图1 中的3 点所示。
从表1 可看到,挤出过程对增韧PA6 材料的断裂强度影响显著,一次挤出过程得到的增韧PA6 材料断裂强度为48.18 MPa,经过二次挤出过程后,增韧PA6 材料的断裂强度下降到40.78 MPa,这与2挤出工艺对增韧PA6 材料拉伸强度的影响十分相似,说明这一性能对挤出过程以及氧化降解缺陷非常敏感。
2.5 挤出工艺对增韧PA6 材料室温冲击强度影响
        从表1 可以看到,挤出过程对增韧PA6 材料的室温冲击强度影响显著,一次挤出过程得到的增韧PA6 材料室温冲击强度为99.53 kJ/m2,经过二次挤出过程后,增韧PA6 材料的室温冲击强度下降到89.03 kJ/m2,下降幅度达到10%。这说明增韧PA6材料的室温冲击强度对挤出过程以及氧化降解缺陷非常敏感,良好的抗氧剂体系是增韧PA6 材料韧性的良好保障。
2.6 挤出工艺对增韧PA6 材料–40℃冲击强度的影响
为了满足增韧PA6 材料在低温下也能保持良好的抗冲击性能,需要在低温下( 一般为–40℃ ) 考核增韧PA6 材料的冲击强度。
        从表1 可以看到,挤出过程对增韧PA6 材料的–40℃冲击强度影响不显著,一次挤出过程得到
的增韧PA6 材料低温冲击强度为16.75 kJ/m2,经过二次挤出过程后,增韧PA6 材料的低温冲击强度略有下降,为15.11 kJ/m2。这说明增韧PA6 材料–40℃的冲击强度对挤出过程以及氧化降解缺陷不敏感,这与室温的冲击强度的影响截然不同,但是随着温度的下降,增韧PA6 材料冲击强度下降非常明显。
3结论
        (1) 以PA6、增韧剂和抗氧剂为原料,在同向双螺杆挤出机中制备了增韧PA6 材料,采用不同的挤出过程:一次挤出与二次挤出,并对不同挤出过程得到增韧PA6 材料的拉伸强度、拉伸屈服强度、断裂伸长率、断裂强度、室温和–40℃冲击强度进行了测试。
        (2) 二次挤出过程得到的增韧PA6 材料与一次挤出过程相比发生了更显著的氧化现象,氧化降解给增韧PA6 材料造成的缺陷也更为严重。
        (3) 挤出过程对增韧PA6 材料的拉伸强度、断裂伸长率、拉伸断裂强度以及室温冲击强度影响显著,二次挤出过程得到的增韧PA6 材料性能显著下降,这与增韧PA6 材料在二次挤出过程中发生更严重的氧化降解有关,但是对拉伸屈服强度和–40℃冲击强度影响不显著,说明这两种性能对增韧PA6材料挤出过程以及氧化降解缺陷不敏感。

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