PA6是當(dāng)下應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛的材料之一，僅在汽車配件中，該材料就可用于保險杠、座椅骨架、車頭燈、風(fēng)扇、散熱器格柵、儀表盤托架等配件的制造。

 

 

       但遺憾的是，PA6的吸水率較高，且低溫沖擊韌性和尺寸穩(wěn)定性較差。所以當(dāng)下最常見的方法是采用玻纖（GF）對PA6進(jìn)行共混改性。

       今天我們就一起來看GF體系下，PA6復(fù)合材料在力學(xué)性能方面的研究。

 

1、GF含量對PA復(fù)合材料的影響

       研究發(fā)現(xiàn)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，含量指標(biāo)往往是最大的影響因素。

       GF含量提高，材料單位面積上的GF數(shù)目就會增多，意味著GF之間的PA6基體就會變薄。這一變化，決定了GF增強(qiáng)PA6復(fù)合材料在沖擊韌性、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等力學(xué)性能方面的變化。

       沖擊性能方面，GF含量的提高會大大增加PA6的缺口沖擊強(qiáng)度，以長玻纖（LGF）填充PA6為例，當(dāng)填充量提高到35 %時，缺口沖擊強(qiáng)度就由原本的24.8 J/m提高到128.5 J/m。

 

 

       但GF含量并非多多益善，短玻纖（SGF）填充量達(dá)到42 %時，材料的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最高點17.4 kJ/㎡，但繼續(xù)添加則會讓缺口沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢。

       彎曲強(qiáng)度方面，GF用量增大，GF之間的PA6樹脂層會變薄，這就讓彎曲應(yīng)力能夠通過樹脂層在GF之間傳遞；同時GF從樹脂中抽出或斷裂時，都會吸收大量的能量，從而提高材料的彎曲強(qiáng)度。

實驗驗證了上述理論，數(shù)據(jù)顯示：當(dāng)使用LGF填充至35 %時，彎曲彈性模量提高到了4.99 GPa；SGF含量為42 %時，彎曲彈性模量達(dá)到10410 MPa，是純PA6的5倍左右。

 

2、GF保留長度對PA復(fù)合材料的影響

       GF的纖維長度也會對材料的力學(xué)性能有明顯的影響。當(dāng)GF長度小于臨界長度（剛能使材料具有原纖維抗張強(qiáng)度時的纖維長度），GF與樹脂的界面結(jié)合面積隨著GF長度的增加而增加，復(fù)合材料斷裂時，GF從樹脂中抽出的阻力也更大，從而提升承受拉伸載荷的能力；

       當(dāng)GF長度超過臨界時，在沖擊載荷作用下，較長的GF能夠吸收更多沖擊能量。此外，GF的端部是裂紋增長的引發(fā)點，長度較長的GF端頭數(shù)量相對更少，沖擊強(qiáng)度也能明顯提升。

 

 

       實驗顯示，當(dāng)GF含量保持為40 %時，GF長度從4 mm增加到13 mm后，材料的拉伸強(qiáng)度從154.8 MPa提高到了164.4 MPa；彎曲強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度分別提高了24 %和28 %。

       不僅如此，國內(nèi)學(xué)者研究表明，當(dāng)GF原始長度在7mm以下時，材料性能的增長更加明顯；且相對于SGF，LGF增強(qiáng)PA材料具有更好的耐外觀翹曲性，且在高溫高濕工況下能更好地保持力學(xué)性能。

 

3、GF種類對PA復(fù)合材料的影響

       GF的種類與強(qiáng)度會對材料整體強(qiáng)度產(chǎn)生差異。目前，GF的主要種類有無堿GF、高強(qiáng)度GF以及抗堿GF等。

       其中，單絲強(qiáng)度較高的GF品類承載力更強(qiáng)，國內(nèi)學(xué)者高志秋等人的實驗結(jié)果表明，高強(qiáng)GF增強(qiáng)的PA6比普通無堿纖維增強(qiáng)的PA6具有更好的力學(xué)性能。

       由此可見，選擇高強(qiáng)度、高長度、適當(dāng)填充量的GF纖維能夠有效幫助符合材料提高韌性、抗沖擊性等力學(xué)性能。

 

       了解了GF本身對PA復(fù)合材料可能產(chǎn)生的影響之后，另一大要素就是加工和成型過程中，不同的工藝選擇對最終產(chǎn)品的影響：

 

4、GF添加工藝對PA復(fù)合材料的影響

       國外學(xué)者在研究GF與樹脂共混中加料位置對材料性能影響時發(fā)現(xiàn)，GF加入較早的話，纖維容易被破壞，殘余GF的長度也更小；加入較晚時，GF難以和樹脂均勻共混，結(jié)合較弱。這兩種情況都會讓材料的整體性能大打折扣。

       國內(nèi)學(xué)者陳桂蘭等人實驗發(fā)現(xiàn)，使用側(cè)加料加入GF更便于控制GF含量，且能減少纖維的折斷。同時，在擠出造粒過程中，適當(dāng)提高擠出溫度，并降低擠出壓力可以在一定程度上提高GF的長度。

 

5、擠出工藝對GF增強(qiáng)PA材料的影響

       實驗證明，較低的擠出溫度不利于GF的包覆浸潤，而溫度過高則會降低材料本身性能。所以在GF添加量較高時，擠出溫度應(yīng)當(dāng)略高于聚合物的熔點，才能達(dá)成更佳的效果。

       在使用螺桿擠出機(jī)制備GF增強(qiáng)粒料時，隨著主機(jī)轉(zhuǎn)速從70 r/min增加到230 r/min，材料的拉伸彈性模量、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量等指標(biāo)均逐漸增加，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速再增加到270 r/min時，材料的各項性能變化不大，或略有降低。

 

PA6+30GF 汽車水箱

 

       此外，喂料速度會影響物料在螺桿中的停留時間。在主機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，隨喂料速度從8 r/min上升到26 r/min，復(fù)合材料的拉伸彈性模量、拉伸強(qiáng)度、彎曲彈性模量、彎曲強(qiáng)度，甚至沖擊強(qiáng)度都逐漸降低。

       因此，所以實際制備過程當(dāng)中，需要在材料性能和產(chǎn)量之間進(jìn)行適當(dāng)選擇，才可以得到產(chǎn)量較大，同時性能又相對較好的產(chǎn)品。

 

6、注射成型工藝對GF增強(qiáng)PA材料性能的影響

       說完擠出，我們再看一下注射成型工藝。當(dāng)采用兩步法（先讓GF與樹脂基相互結(jié)合造粒，再以造出的粒料進(jìn)行成型加工）制備GF增強(qiáng)PA6材料時，第二步通常會選擇注射成型。

       而注射過程中諸如料筒模具溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、注射壓力、保壓壓力、背壓、注射速度等因素都會影響到成型產(chǎn)品的性能。

       研究發(fā)現(xiàn)，GF增強(qiáng)PA6材料的拉伸強(qiáng)度與進(jìn)料口的溫度成正比，而與注射速度和螺桿轉(zhuǎn)速成反比，其中，注射速度增加會使GF的斷裂現(xiàn)象更嚴(yán)重。

 

7、總結(jié)

       GF增強(qiáng)體系的尼龍材料逐漸成為了主流選材方案，無論是汽車、家電、電子電氣行業(yè)，都更青睞于性能更好的GF增強(qiáng)尼龍。

       通過上述內(nèi)容，我們可以總結(jié)出如下幾點提升GF增強(qiáng)PA6材料的關(guān)鍵要素：

        A、GF用量是首要因素

       在0-35 %的用量范圍內(nèi)，增加GF用量可以極為顯著地改善PA6復(fù)合材料的力學(xué)性能；

       B、GF最終保留長度決定增強(qiáng)效率

       GF初始長度的選擇，以及加工過程中對GF的破壞程度共同決定了保留長度；

       選用LGF，且在加工與成型過程中通過調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速、控制GF加入位置等方法盡可能減少對GF的破壞，是提高GF增強(qiáng)PA6材料力學(xué)性能的要點；

       C、加工工藝決定GF分散水平

       保證GF能夠均勻分散是重點，通過調(diào)節(jié)參數(shù)加強(qiáng)混煉過程的剪切作用、延長GF參與混煉的時間可以有效提高均勻性；

       盡可能保證PA6基體中GF均勻分散對改善GF增強(qiáng)PA6材料的力學(xué)性能更有幫助。

 

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