探析PA66/SEBS复合材料的制备及性能论文

时间:2018-09-27 材料毕业论文 我要投稿

  聚酰胺66(PA66)因其众所周知的工程应用性而具有很大的商业价值。作为一种工程应用型材料,PA66具有很多优点,如良好的力学性能(包括强度和韧性)、耐热性、耐腐蚀性、自润滑性以及成型加工性。由于PA66的熔点、弹性模量较高,耐热性优良,因而广泛应用于车辆、电子电气、机械和光学领域。随着汽车、电器、机械产业的快速发展,对PA66类产品性能的要求也愈来愈高,这亦加速了PA66及其复合材料的发展进程。因此,近年来有关PA66复合材料的高性能化研究越来越受到众人的关注。

  虽然PA66的工业生产成本较低,但是其吸水性大、尺寸稳定性差,因而制约了它在现代工业中的应用,所以需要通过改性的方法以改善其冲击强度等性能,从而扩大其应用范围。其中,橡胶弹性体增韧被认为是一种经济有效的增加聚酰胺(PA)韧性并扩大其使用范围的方法,而且没有增加生产成本或是降低产品的工程应用价值。因此,人们开始用橡胶弹性体来提高材料的韧性或是通过改善弹性体的性能来间接提高材料的力学性能。许多橡胶弹性体,如乙丙橡胶(EPR)、丁苯橡胶(SBR)和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)等,已被成功地应用于热塑性聚合物增韧改性。橡胶弹性体的增强增韧效果与其自身的种类、分散相粒子大小、界面结合性能、分散相粒子分布以及分散相的结构等有关。

  然而,大部分的橡胶弹性体与PA之间不具有良好的相容性,且不能很好地分散在PA基体中。橡胶弹性体需要在塑料基体中以很小的尺寸分散才能起到增韧作用,而未改性的弹性体分散相只能形成平均粒径为50 μm的颗粒,因此需要通过改性使其能够形成微小粒子以起到增韧作用。在橡胶弹性体上接枝极性或活性单体,如马来酸酐(MAH)等,可以增加橡胶粒子与PA基体之间的相容性。

  PA66是一种极性高分子,而SEBS则是一种非极性三嵌段聚合物,将两者混合后其界面相容性很差,因此需要加入增容剂以改善界面相容性,从而提高界面结合力。在SEBS分子链上接枝MAH形成SEBS-g-MAH接枝物后,其可以在熔融共混过程中与PA66分子链中的胺基进行反应,从而增大两者之间的界面结合力,大大改善共混物的界面相容性,进一步提高共混体系的韧性。

  本研究以SEBS为增韧剂,将其与PA66共混以对PA66进行增韧改性;同时加入SEBS-g-MAH作为增容剂,以改善PA66与SEBS之间的界面相容性。研究了弹性体SEBS的添加量对PA66/SEBS共混体系结晶性能、热性能、相容性和力学性能的影响。

  1 实验部分

  1.1 原料

  PA66,CM3006G-30,注塑级,密度1.37 g/cm3,日本东丽工业株式会社;

  SEBS,4055,注塑级,密度0.890 g/cm3,日本可乐丽公司;

  SEBS-g-MAH,M1911,日本旭化成株式会社。

  1.2 仪器与设备

  双螺杆挤出机,SJSZ-10A,武汉瑞鸣塑料机械制造公司;

  微型注射机,SZS-15,武汉瑞鸣塑料机械制造公司;

  电子万能拉伸试验机,YG065H,莱州市电子仪器有限公司;

  X射线衍射仪(XRD),D8 ADVANCE,德国Bruker公司;

  扫描电子显微镜(SEM),Quanta 250,美国FEI公司;

  差示扫描量热仪(DSC),DSC-100,南京大展机电技术研究所。

  1.3 PA66/SEBS共混试样的制备

  以PA66为基体,弹性体SEBS为分散相,SEBS-g-MAH为增容剂,采用熔融共混法制备不同比例的PA66/SEBS复合材料。其中,SEBS的用量(相对于100份PA66)分别为10、20、30和50份,SEBS-g-MAH的用量则固定为3份。将上述材料按比例混合后,加入3~4滴石蜡,采用双螺杆挤出机将材料熔融挤出(一区245℃、二区260℃;转速17.5 r/min)后直接注入微型注射机中注塑成型。

  1.4 性能测试

  XRD测试:采用X射线衍射仪测试样品的结晶性能。电压40 kV,电流30 mA,扫描范围7~35°。DSC测试:采用差示扫描量热仪测试共混物的热性能。升温速率10℃/min,氮气流速50 ml/min。SEM观察:采用扫描电子显微镜观察样品的断面(液氮脆断)形貌,放大倍数1 500倍。力学性能测试:采用电子万能拉伸试验机,按照GB/T 1040—1992测试材料的拉伸性能。

  2 结果与讨论

  2.1 SEBS用量对PA66/SEBS复合材料结晶性能的影响

  PA66是一种常见的半结晶性聚合物,由于PA66分子链中含有众多氢键,因此利于其结晶。PA66还是一种多晶型聚合物,通常以较为稳定的α晶型而不是γ晶型存在。在升温的过程中,三斜α晶转变为另一种三斜γ晶,这是PA66典型的Brill转变。

  2.2 SEBS用量对PA66/SEBS复合材料力学性能的影响

  PA66/SEBS复合材料的拉伸强度随SEBS用量的变化,同时对比了加增容剂和未加增容剂的复合材料的拉伸强度。从图5可以看出,随着SEBS用量的增加,复合材料的拉伸强度均呈现逐渐减小的趋势。这是由于SEBS作为分散相分散在基体树脂中,随着其含量的增加,基体树脂的相对含量下降,而复合材料的强度主要由基体PA66提供,SEBS之间的相互作用力远小于SEBS与基体高分子之间的相互作用力,因此随着SEBS用量的增加,材料的力学强度会有所下降。另外,随着SEBS用量的增加,其在基体相中的分散变得不均匀,甚至出现局部团聚现象,导致材料在受到外力作用时能量不能及时地被弹性体分散相吸收或分散,从而形成应力开裂中心,造成复合材料的力学强度下降。

  3 结论

  (1)XRD测试结果表明,SEBS的加入没有改变PA66的晶型,仅改变了α1和α2晶的相对含量。

  (2)SEBS的加入降低了PA66的熔融温度,并且随着SEBS用量的增加,复合材料的熔融温度呈逐渐下降的趋势。

  (3)随着SEBS用量的增加,SEBS在基体相中发生团聚现象,容易引起应力集中,导致复合材料中两组分之间的界面相容性下降。

  (4)随着SEBS用量的增加,复合材料的拉伸强度均逐渐减小;未加增容剂的复合材料的断裂伸长率也呈逐渐减小的趋势,而添加了3份增容剂的复合材料的断裂伸长率则呈现先增大后减小的趋势,并且在SEBS用量为30份时达到最大值。

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