擠出過(guò)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度，擴展PA6 材料的應用領(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。結果發(fā)現，擠出過(guò)程對增韌PA6 的拉伸強度、斷裂伸長(cháng)率、拉伸斷裂強度以及室溫沖擊強度影響顯著(zhù)，二次擠出過(guò)程得到的增韌PA6 材料的性能下降，這與PA6 在二次擠出過(guò)程中發(fā)生了更嚴重的氧化降解有關(guān)，但是對拉伸屈服強度和–40℃沖擊強度影響不顯著(zhù)，說(shuō)明這些性能對擠出過(guò)程以及氧化降解缺陷不敏感。
        尼龍(PA) 是一種用途最廣、種類(lèi)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(shí)PA加工性能優(yōu)良，可一體化成型復雜的結構部件，被廣泛用于汽車(chē)、電子電器、機械、軌道交通、體育器械等領(lǐng)域[1]。但是吸水性強、低溫沖擊性能差的缺點(diǎn)限制了PA 材料的應用范圍[2–3]。
        加入增韌劑可以顯著(zhù)提高PA 在低溫和干態(tài)下的沖擊強度。這種增韌劑一般為馬來(lái)酸酐類(lèi)極性單體接枝的聚烯烴[4–5]。增韌劑與PA 在擠出機中進(jìn)行熔融共混時(shí)，聚烯烴上接枝的極性單體的羧基會(huì )與PA 端氨基會(huì )發(fā)生縮合反應，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(zhù)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中完成的，擠出過(guò)程對增韌PA6 性能會(huì )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(guò)程對增韌PA6 力學(xué)性能的影響。
1.實(shí)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B(niǎo)ASF 公司。
1．2　主要儀器及設備
        擠出機：TSE–35 型，南京瑞亞擠出機械制造有限公司；
        注塑機：BT80V 型，博創(chuàng )機械股份有限公司；
        萬(wàn)能材料試驗機：Exceed E43 型，美特斯工業(yè)系統( 中國) 有限公司深圳分公司；
        擺錘式?jīng)_擊試驗機：ZBC7000 型，美特斯工業(yè)系統( 中國) 有限公司深圳分公司；
        缺口制樣機：YJ1251 型，美特斯工業(yè)系統( 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(guò)程。
        稱(chēng)取一定量的PA6、增韌劑和抗氧劑，在高速混合機中混合30 min，然后加入同向雙螺桿擠出機料斗中進(jìn)行擠出，擠出溫度為230～280℃，螺桿轉速為100 r／min，擠出料條后經(jīng)過(guò)水冷、牽引，用切粒機造粒備用；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(guò)程。
        稱(chēng)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　性能測試與結構表征
        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(guò)程，制備增韌PA6 材料，研究了不同擠出過(guò)程對增韌PA6 材料的拉伸強度、拉伸屈服強度、斷裂伸長(cháng)率、拉伸斷裂強度、室溫和–40℃沖擊強度的影響，結果如表1 所示。

2．1　擠出工藝對增韌PA6 材料拉伸強度的影響

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

2．2　擠出工藝對增韌PA6 材料拉伸屈服強度影響
        拉伸屈服強度指PA6 材料在發(fā)生屈服時(shí)拉伸強度，當增韌PA6 材料發(fā)生屈服后，伴隨著(zhù)顯著(zhù)的塑性變形而失去使用價(jià)值，此拉伸屈服強度在增韌PA6 材料拉伸曲線(xiàn)中的位置如圖1 中的2 點(diǎn)所示。
        從表1 可看出，擠出過(guò)程對增韌PA6 材料的拉伸屈服強度影響不顯著(zhù)，一次擠出過(guò)程得到的增韌PA6 材料拉伸屈服強度為42.25 MPa，經(jīng)過(guò)二次擠出過(guò)程后，增韌PA6 材料的拉伸屈服強度略有下降，為41.47 MPa。雖然增韌PA6 材料在二次擠出過(guò)程中發(fā)生了更多的氧化降解，但是對增韌PA6 材料拉伸屈服強度的影響并不大，說(shuō)明增韌PA6 材料拉伸屈服強度對擠出過(guò)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(cháng)率的影響
        從表1 可以看到，擠出過(guò)程對增韌PA6 材料的斷裂伸長(cháng)率影響非常顯著(zhù)，一次擠出過(guò)程得到的增韌PA6 材料的斷裂伸長(cháng)率為198.67%，但是經(jīng)過(guò)二次擠出過(guò)程后，增韌PA6 材料的斷裂伸長(cháng)率顯著(zhù)下降到152.73%，下降幅度達到23%。這是由于二次擠出過(guò)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(cháng)率顯著(zhù)下降，說(shuō)明增韌PA6 材料的斷裂伸長(cháng)率對擠出過(guò)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度的影響
        斷裂強度是指增韌PA6 材料在發(fā)生斷裂時(shí)的拉伸強度，此斷裂強度在增韌PA6 材料拉伸曲線(xiàn)中的位置如圖1 中的3 點(diǎn)所示。
從表1 可看到，擠出過(guò)程對增韌PA6 材料的斷裂強度影響顯著(zhù)，一次擠出過(guò)程得到的增韌PA6 材料斷裂強度為48.18 MPa，經(jīng)過(guò)二次擠出過(guò)程后，增韌PA6 材料的斷裂強度下降到40.78 MPa，這與2擠出工藝對增韌PA6 材料拉伸強度的影響十分相似，說(shuō)明這一性能對擠出過(guò)程以及氧化降解缺陷非常敏感。
2．5　擠出工藝對增韌PA6 材料室溫沖擊強度影響
        從表1 可以看到，擠出過(guò)程對增韌PA6 材料的室溫沖擊強度影響顯著(zhù)，一次擠出過(guò)程得到的增韌PA6 材料室溫沖擊強度為99.53 kJ／m2，經(jīng)過(guò)二次擠出過(guò)程后，增韌PA6 材料的室溫沖擊強度下降到89.03 kJ／m2，下降幅度達到10%。這說(shuō)明增韌PA6材料的室溫沖擊強度對擠出過(guò)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℃沖擊強度的影響
為了滿(mǎn)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 材料的沖擊強度。
        從表1 可以看到，擠出過(guò)程對增韌PA6 材料的–40℃沖擊強度影響不顯著(zhù)，一次擠出過(guò)程得到
的增韌PA6 材料低溫沖擊強度為16.75 kJ／m2，經(jīng)過(guò)二次擠出過(guò)程后，增韌PA6 材料的低溫沖擊強度略有下降，為15.11 kJ／m2。這說(shuō)明增韌PA6 材料–40℃的沖擊強度對擠出過(guò)程以及氧化降解缺陷不敏感，這與室溫的沖擊強度的影響截然不同，但是隨著(zhù)溫度的下降，增韌PA6 材料沖擊強度下降非常明顯。
3結論
        (1) 以PA6、增韌劑和抗氧劑為原料，在同向雙螺桿擠出機中制備了增韌PA6 材料，采用不同的擠出過(guò)程：一次擠出與二次擠出，并對不同擠出過(guò)程得到增韌PA6 材料的拉伸強度、拉伸屈服強度、斷裂伸長(cháng)率、斷裂強度、室溫和–40℃沖擊強度進(jìn)行了測試。
        (2) 二次擠出過(guò)程得到的增韌PA6 材料與一次擠出過(guò)程相比發(fā)生了更顯著(zhù)的氧化現象，氧化降解給增韌PA6 材料造成的缺陷也更為嚴重。
        (3) 擠出過(guò)程對增韌PA6 材料的拉伸強度、斷裂伸長(cháng)率、拉伸斷裂強度以及室溫沖擊強度影響顯著(zhù)，二次擠出過(guò)程得到的增韌PA6 材料性能顯著(zhù)下降，這與增韌PA6 材料在二次擠出過(guò)程中發(fā)生更嚴重的氧化降解有關(guān)，但是對拉伸屈服強度和–40℃沖擊強度影響不顯著(zhù)，說(shuō)明這兩種性能對增韌PA6材料擠出過(guò)程以及氧化降解缺陷不敏感。