PA6弹性体OMMT复合材料的性能研究论文
聚酰胺6(PA6)工程塑料的生产主要其集中在发达国家,大部分是大型石化和化工综合企业,如美国的Dupont、Ticona公司,欧洲的BASF、DSM、Radicl塑料、Honywell公司,以及日本的宇部兴产、东丽、三菱瓦斯化学公司等。这些公司生产规模大、产品性能好、技术开发能力强,每年均有大批新牌号进入市场。目前,国内PA6的生产能力及技术水平虽不断增长,但改性PA6的产业化程度还有所不足,产品种类、性能均远不能满足市场的要求,因此我国每年仍需进口大量PA6树脂及其改性品种。因此,开发新型高性能改性PA6产品已成为当务之急。
为此,本研究将PA6、三元乙丙橡胶/三元乙丙橡胶接枝马来酸酐(EPDM/EPDM-g-MAH)弹性体和有机蒙脱土(OMMT)进行三元复合,使EPDM的韧性和蒙脱土的刚性相结合,以同时提高PA6的韧性、模量和拉伸强度,从而得到综合性能更加优良的材料,同时进一步探讨蒙脱土增强增韧理论。
1.1 原料
OMMT,DK2,浙江丰虹粘土化工有限公司;
PA6,1013B,日本宇部兴产株式会社;
EPDM,4045,中国石油吉林石化公司;
EPDM-g-MAH,F410,宁波能之光有限公司;
二甲苯,分析纯,市售。
1.2 仪器与设备
塑料注塑成型机,SZ-100/80,上海塑料机械厂;
万能制样机,ZHY-W,河北承德试验机总厂;
同向双螺杆挤出机,SHJ-36,南京诚盟化工机械有限公司;
微机控制电子万能试验机,CMT6104,深圳市新三思材料检测有限公司;
悬臂梁冲击试验机,XJU-22,承德试验机有限责任公司;
扫描电子显微镜(SEM),S-530,日本日立公司;
X射线衍射仪(XRD),D8 ADVANCE,德国Bruker公司。
1.3 样品制备
将干燥处理过的PA6、弹性体(EPDM/EPDM-g-MAH)、OMMT按一定比例混合后,利用双螺杆挤出机熔融共混(机筒温度205~230℃,螺杆转速90 r/min),经造粒得到PA6/弹性体/OMMT共混粒料,其中PA6/弹性体=80/20。所得粒料经干燥后采用注塑成型机制成标准测试样条。
1.4 性能测试与表征
XRD测试:采用X射线衍射仪测定OMMT片层间距的变化和OMMT用量对PA6晶型的影响。Cu靶Kα辐射源,石墨单色器;管电压40 kV,管电流30 mA;连续扫描记谱,扫描速度1℃/min,扫描范围0.5~6°。
力学性能测试:冲击强度按GB 1834—1980进行测试;拉伸强度和断裂伸长率按GB/T 1040—1992进行测试,标准距离25 mm,拉伸速度50 mm/min;弯曲强度和弯曲模量按GB/T 9341— 2000进行测试,试验速度1 mm/min,试样长度120 mm,支点间距48 mm,规定挠度8 mm。
SEM观察:将冲击样条断面常温下喷金处理后,利用扫描电子显微镜观察断面微观形貌;将冲击样条在液氮中浸泡2 h后取出脆断,然后将脆断面在沸腾的二甲苯中刻蚀2 h,喷金处理后利用扫描电子显微镜观察刻蚀断面微观形貌。
2 结果与讨论
本研究利用X射线衍射仪研究了OMMT片层在PA6基体中的分散状态,图1为OMMT、PA6及PA6/OMMT复合材料的XRD曲线。从图1可以看出,OMMT在2θ为2.85°处出现衍射峰,根据X射线衍射条件及Bragg方程计算出对应的层间距为3.096 nm。OMMT与PA6通过熔融插层法共混后,所得复合材料的特征峰中出现OMMT衍射峰。当OMMT用量为2%时,复合材料在2θ为2.02°处出现OMMT衍射峰,其强度相对纯OMMT明显减弱,衍射曲线变得比较平缓,且衍射峰向小角度方向偏移,其对应的OMMT 层间距为4.368 nm,表明此时形成了插层型复合材料。当OMMT用量为5%时,复合材料的OMMT衍射峰几乎消失,这表明此时OMMT片层在PA6基体中剥离,即得到了剥离型复合材料。
2.1 OMMT用量对PA6/弹性体/OMMT复合材料微观形态结构的影响
为了更进一步研究OMMT用量对PA6/弹性体/OMMT复合材料形态结构的影响,本研究将复合材料低温脆断,并采用二甲苯对脆断面进行刻蚀。由于弹性体能溶于二甲苯,而OMMT和PA6则不溶,因此复合材料刻蚀断面SEM照片(如图6所示)中的孔洞为刻蚀 弹性体后所留下的,其直观地反映了弹性体在PA6基体中的形态结构分布。
3 结论
(1)当OMMT用量为2%时,PA6分子插层进入到OMMT片层中,当OMMT用量增至5%时则得到剥离型复合材料。
(2)随着OMMT用量的增加,PA6/弹性体/OMMT复合材料的冲击强度先增大后减小,其中当OMMT用量为2%时复合材料的冲击强度出现极大值(54.29kJ/m2),是纯PA6(4.15 kJ/m2)的`13.08倍。随OMMT用量的增加,复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量均随之增大,而断裂伸长率则随着OMMT用量的增加先增大后减小,并在OMMT用量为2%时出现极大值。
(3)不含OMMT的PA6/弹性体共混物的断面凹凸不平,出现空洞化现象,并有少量微裂纹产生,表现出韧性断裂的特征;而加入少量(2%)OMMT之后,材料断面出现明显、规则的拉丝现象,并伴随大量微纤生成,这表明该材料在受到冲击时能吸收更多的冲击能,因而具有良好的韧性;另外当OMMT用量增加至10%时,材料冲击断面比较光滑,表现出脆性断裂的特征。
(4)当OMMT用量较少时,其基本分布在PA6基体中,此时弹性体粒径较小,OMMT用量对弹性体粒径的大小影响不大。而当OMMT用量超过5%时,OMMT片层开始进入弹性体中并形成了核壳结构,增加了弹性体的模量和粒径,从而使PA6/弹性体/OMMT复合材料的冲击韧性降低。
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