擠出過程對增韌尼龍6 力學(xué)性能的影響

        摘要：對尼龍(PA)6 進(jìn)行增韌可以改善其低溫下的沖擊強(qiáng)度，擴(kuò)展PA6 材料的應(yīng)用領(lǐng)域。以PA6、聚烯烴增韌劑、抗氧劑為原料，在同向雙螺桿擠出機(jī)中制備了增韌PA6 材料，考察了一次擠出與二次擠出對增韌PA6 材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擠出過程對增韌PA6 的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、拉伸斷裂強(qiáng)度以及室溫沖擊強(qiáng)度影響顯著，二次擠出過程得到的增韌PA6 材料的性能下降，這與PA6 在二次擠出過程中發(fā)生了更嚴(yán)重的氧化降解有關(guān)，但是對拉伸屈服強(qiáng)度和–40℃沖擊強(qiáng)度影響不顯著，說明這些性能對擠出過程以及氧化降解缺陷不敏感。
        尼龍(PA) 是一種用途最廣、種類最多的工程塑料。該材料具有良好的力學(xué)性能、耐熱性、耐磨損性、耐化學(xué)腐蝕性、自潤滑性和一定的阻燃性，同時PA加工性能優(yōu)良，可一體化成型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部件，被廣泛用于汽車、電子電器、機(jī)械、軌道交通、體育器械等領(lǐng)域[1]。但是吸水性強(qiáng)、低溫沖擊性能差的缺點限制了PA 材料的應(yīng)用范圍[2–3]。
        加入增韌劑可以顯著提高PA 在低溫和干態(tài)下的沖擊強(qiáng)度。這種增韌劑一般為馬來酸酐類極性單體接枝的聚烯烴[4–5]。增韌劑與PA 在擠出機(jī)中進(jìn)行熔融共混時，聚烯烴上接枝的極性單體的羧基會與PA 端氨基會發(fā)生縮合反應(yīng)，原位生成嵌段型接枝物，這種接枝物可以起到增容劑的作用，顯著提高增韌劑在PA 基體中的分散效果。
        由于這種原位增容是在擠出機(jī)中完成的，擠出過程對增韌PA6 性能會產(chǎn)生重要影響[6–16]。筆者
采用一次和兩次擠出工藝，研究了擠出過程對增韌PA6 力學(xué)性能的影響。
1.實驗部分
1．1　主要原材料
        PA6 ：ZR01–6，平頂山海瑞祥英派瑞科技有限公司；
        增韌劑：KE1–ISM，山東科華賽邦新材料股份有限公司；
        抗氧劑：1010，德國BASF 公司。
1．2　主要儀器及設(shè)備
        擠出機(jī)：TSE–35 型，南京瑞亞擠出機(jī)械制造有限公司；
        注塑機(jī)：BT80V 型，博創(chuàng)機(jī)械股份有限公司；
        萬能材料試驗機(jī)：Exceed E43 型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)( 中國) 有限公司深圳分公司；
        擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)：ZBC7000 型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)( 中國) 有限公司深圳分公司；
        缺口制樣機(jī)：YJ1251 型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)( 中國) 有限公司深圳分公司；
        低溫冰箱：W–FL90 型，中科美菱低溫科技有限責(zé)任公司；
        天平：MS8001SE 型，瑞士梅特勒托利多儀器（中國）有限公司。
1．3　試樣制備
        (1) 一次擠出過程。
        稱取一定量的PA6、增韌劑和抗氧劑，在高速混合機(jī)中混合30 min，然后加入同向雙螺桿擠出機(jī)料斗中進(jìn)行擠出，擠出溫度為230～280℃，螺桿轉(zhuǎn)速為100 r／min，擠出料條后經(jīng)過水冷、牽引，用切粒機(jī)造粒備用；將得到的增韌PA6 顆粒在100℃下真空烘箱中干燥12 h 除去水分；將干燥的增韌PA6顆粒采用注塑工藝制備拉伸和沖擊試樣。
        (2) 二次擠出過程。
        稱取一定量的一次擠出增韌的PA6 以及抗氧劑，采用與一次擠出相同的工藝，二次擠出增韌PA6 ；將得到的二次擠出增韌PA6 顆粒在100℃下真空烘箱中干燥12 h 以除去水分；將干燥的增韌PA6 顆粒采用注塑工藝制備拉伸和沖擊試樣。
1．4　性能測試與結(jié)構(gòu)表征
        拉伸性能按照ISO 527–21–2012 測試，試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm ；
        沖擊性能按照ISO 179–2010 測試，試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm。
2結(jié)果與討論
        采用兩種不同的擠出工藝：一次擠出和二次擠出過程，制備增韌PA6 材料，研究了不同擠出過程對增韌PA6 材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸屈服強(qiáng)度、斷裂伸長率、拉伸斷裂強(qiáng)度、室溫和–40℃沖擊強(qiáng)度的影響，結(jié)果如表1 所示。

2．1　擠出工藝對增韌PA6 材料拉伸強(qiáng)度的影響

圖1 為增韌PA6 拉伸過程中的應(yīng)力– 應(yīng)變曲線。
        拉伸強(qiáng)度是PA 材料在應(yīng)用過程中很重要的一個指標(biāo)，此拉伸強(qiáng)度在材料拉伸曲線中的位置如圖1 中的1 點所示。
        從表1 可以看到，擠出過程對增韌PA6 的拉伸強(qiáng)度影響顯著，一次擠出過程得到的增韌PA6 材料的拉伸強(qiáng)度為48.18 MPa，但是經(jīng)過二次擠出過程后，增韌PA6 材料的拉伸強(qiáng)度下降為41.47 MPa。在二次擠出過程中雖然加入了與一次過程等量的抗氧劑，但是增韌PA6 材料仍然發(fā)生了明顯的氧化現(xiàn)象，一次與二次擠出過程得到的增韌PA6 材料外觀如圖2 所示。從圖2 可以看到，二次擠出過程得到的增韌PA6 顆粒顏色明顯比一次擠出過程顆粒顏色深，說明二次擠出過程增韌PA6 材料發(fā)生了更多的氧化降解，因此二次擠出過程中得到的增韌PA6材料的拉伸強(qiáng)度更低。

2．2　擠出工藝對增韌PA6 材料拉伸屈服強(qiáng)度影響
        拉伸屈服強(qiáng)度指PA6 材料在發(fā)生屈服時拉伸強(qiáng)度，當(dāng)增韌PA6 材料發(fā)生屈服后，伴隨著顯著的塑性變形而失去使用價值，此拉伸屈服強(qiáng)度在增韌PA6 材料拉伸曲線中的位置如圖1 中的2 點所示。
        從表1 可看出，擠出過程對增韌PA6 材料的拉伸屈服強(qiáng)度影響不顯著，一次擠出過程得到的增韌PA6 材料拉伸屈服強(qiáng)度為42.25 MPa，經(jīng)過二次擠出過程后，增韌PA6 材料的拉伸屈服強(qiáng)度略有下降，為41.47 MPa。雖然增韌PA6 材料在二次擠出過程中發(fā)生了更多的氧化降解，但是對增韌PA6 材料拉伸屈服強(qiáng)度的影響并不大，說明增韌PA6 材料拉伸屈服強(qiáng)度對擠出過程以及氧化降解缺陷不敏感。
2．3　擠出工藝對增韌PA6 材料斷裂伸長率的影響
        從表1 可以看到，擠出過程對增韌PA6 材料的斷裂伸長率影響非常顯著，一次擠出過程得到的增韌PA6 材料的斷裂伸長率為198.67%，但是經(jīng)過二次擠出過程后，增韌PA6 材料的斷裂伸長率顯著下降到152.73%，下降幅度達(dá)到23%。這是由于二次擠出過程得到的增韌PA6 材料發(fā)生了更多的氧化降解，造成PA6 鏈段缺陷增加，使得增韌PA6 材料斷裂伸長率顯著下降，說明增韌PA6 材料的斷裂伸長率對擠出過程以及氧化降解缺陷非常敏感。
2．4　擠出工藝對材料拉伸斷裂強(qiáng)度的影響
        斷裂強(qiáng)度是指增韌PA6 材料在發(fā)生斷裂時的拉伸強(qiáng)度，此斷裂強(qiáng)度在增韌PA6 材料拉伸曲線中的位置如圖1 中的3 點所示。
從表1 可看到，擠出過程對增韌PA6 材料的斷裂強(qiáng)度影響顯著，一次擠出過程得到的增韌PA6 材料斷裂強(qiáng)度為48.18 MPa，經(jīng)過二次擠出過程后，增韌PA6 材料的斷裂強(qiáng)度下降到40.78 MPa，這與2擠出工藝對增韌PA6 材料拉伸強(qiáng)度的影響十分相似，說明這一性能對擠出過程以及氧化降解缺陷非常敏感。
2．5　擠出工藝對增韌PA6 材料室溫沖擊強(qiáng)度影響
        從表1 可以看到，擠出過程對增韌PA6 材料的室溫沖擊強(qiáng)度影響顯著，一次擠出過程得到的增韌PA6 材料室溫沖擊強(qiáng)度為99.53 kJ／m2，經(jīng)過二次擠出過程后，增韌PA6 材料的室溫沖擊強(qiáng)度下降到89.03 kJ／m2，下降幅度達(dá)到10%。這說明增韌PA6材料的室溫沖擊強(qiáng)度對擠出過程以及氧化降解缺陷非常敏感，良好的抗氧劑體系是增韌PA6 材料韌性的良好保障。
2．6　擠出工藝對增韌PA6 材料–40℃沖擊強(qiáng)度的影響
為了滿足增韌PA6 材料在低溫下也能保持良好的抗沖擊性能，需要在低溫下( 一般為–40℃ ) 考核增韌PA6 材料的沖擊強(qiáng)度。
        從表1 可以看到，擠出過程對增韌PA6 材料的–40℃沖擊強(qiáng)度影響不顯著，一次擠出過程得到
的增韌PA6 材料低溫沖擊強(qiáng)度為16.75 kJ／m2，經(jīng)過二次擠出過程后，增韌PA6 材料的低溫沖擊強(qiáng)度略有下降，為15.11 kJ／m2。這說明增韌PA6 材料–40℃的沖擊強(qiáng)度對擠出過程以及氧化降解缺陷不敏感，這與室溫的沖擊強(qiáng)度的影響截然不同，但是隨著溫度的下降，增韌PA6 材料沖擊強(qiáng)度下降非常明顯。
3結(jié)論
        (1) 以PA6、增韌劑和抗氧劑為原料，在同向雙螺桿擠出機(jī)中制備了增韌PA6 材料，采用不同的擠出過程：一次擠出與二次擠出，并對不同擠出過程得到增韌PA6 材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸屈服強(qiáng)度、斷裂伸長率、斷裂強(qiáng)度、室溫和–40℃沖擊強(qiáng)度進(jìn)行了測試。
        (2) 二次擠出過程得到的增韌PA6 材料與一次擠出過程相比發(fā)生了更顯著的氧化現(xiàn)象，氧化降解給增韌PA6 材料造成的缺陷也更為嚴(yán)重。
        (3) 擠出過程對增韌PA6 材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、拉伸斷裂強(qiáng)度以及室溫沖擊強(qiáng)度影響顯著，二次擠出過程得到的增韌PA6 材料性能顯著下降，這與增韌PA6 材料在二次擠出過程中發(fā)生更嚴(yán)重的氧化降解有關(guān)，但是對拉伸屈服強(qiáng)度和–40℃沖擊強(qiáng)度影響不顯著，說明這兩種性能對增韌PA6材料擠出過程以及氧化降解缺陷不敏感。