硫酸钙晶须短玻纤协同增强尼龙6复合材料的力学性能*

曾斌，李海鹏，刘书萌，付里才

(广东高怡新工程塑料有限公司，广东顺德528306)

众所周知尼龙6用玻纤增强后，其力学性能、热性能和尺寸稳定性大幅提高，材料成本也明显降低［1－2］。硫酸钙晶须是以石膏为原料，通过人为控制，以单晶形式生长，具有均匀横截面、完整外形、完善内部结构的纤维状单晶体。硫酸钙晶须具有高强度、高模量、高耐磨性、高绝缘性、耐腐蚀而且价廉等特点，其价格仅为碳化硅等晶须的1/200～1/300，是一种新型塑料增强剂［3－4］。目前有关硫酸钙晶须增强尼龙6材料性能已有报道［5］，但是硫酸钙晶须与玻纤协同增强尼龙6的研究国内鲜有报道。笔者用玻纤为主增强剂辅以硫酸钙晶须，研究了晶须含量、晶须品种、不同加料方式等因素对复合材料力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原材料

尼龙6:台湾集盛4208型;短切玻璃纤维:重庆国际ECS303A型;硫酸钙晶须:郑州博利凯，L002和L003两种型号，其中L002经表面处理，L003未经表面处理;润滑剂，抗氧剂等助剂均来自市售。

1.2 实验方法

1.2.1增强尼龙6材料的制备

首先尼龙6在110℃干燥3至4小时。方式一:将设计配方中除短玻纤和硫酸钙晶须外的其他组分加入高速混合机中混合均匀。从南京宝铭橡塑机械厂的TE－35型双螺杆挤出机的主加料口加入经高速混合搅拌后的物料，采用自行研发侧向喂料装置将短玻纤和硫酸钙在双螺杆挤出机的第二加料口计量加入，控制挤出温度在230℃～250℃之间，确保各组分在挤出过程中充分混合均匀，然后经过水冷切粒，得到硫酸钙晶须和玻纤共同增强尼龙6复合材料样品。方式二:将短玻纤、硫酸钙晶须、润滑剂、抗氧剂和尼龙6在高速混合机中混合均匀后，从双螺杆挤出机主加料口将所有物料挤出，挤出过程温度控制在230℃～250℃之间，同样经水冷切粒得到样品。

1.2.2性能测试

所有试样在110℃干燥4小时后经注塑机按相关标准制得样条。拉伸和弯曲实验采用美特斯公司CMT6104型微机控制电子万能实验机，分别按照GB/T1040－2006和GB/T9341－2008进行操作。简支梁缺口冲击用美特斯公司ZBC－1400－1型摆锤式简支梁冲击试验机测试，按照GB/T1043－2008操作。悬臂梁缺口冲击用美特斯公司ZBC－1400－1型摆锤式悬臂梁冲击试验机测试，按照GB/T1843－2008操作。

2 结果与讨论

2.1 晶须含量对复合材料力学性能的影响

采用制备方式一，保持短玻纤和硫酸钙晶须总含量30%不变，将L002型晶须加入量从5%至25%变化，观察其对复合材料力学性能的影响。

图1和图2显示，在硫酸钙晶须加入量不超过10%情况下，复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量均比不加硫酸钙晶须明显提高，断裂伸长率则变化不明显，当晶须含量达到10%时，复合材料拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量分别达到149MPa、200MPa和7300MPa，比30%短玻纤增强尼龙6提高了8.7%、7.5%和8%，显示了良好的协同效应。这是因为硫酸钙晶须体积比玻纤要小得多(晶须外表为粉末状)，少量硫酸钙晶须加入时分布于玻纤之间缝隙中，和玻纤一起构成增强骨架。当复合材料受外界应力作用时，应力通过尼龙基体传递到玻纤上，玻纤承受了外来大部分应力，可是当玻纤之间存在有硫酸钙晶须时，当裂纹绕过或折断晶须都会延长裂纹路径，从而加大断裂能量吸收，使硫酸钙晶须和玻纤发生协同效应。

图1和图2还显示，硫酸钙晶须含量继续加大时，复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量均急剧下降，这是因为晶须在尼龙基体中的长度比玻纤要短得多，其增强效果远不如玻纤。因此增大晶须含量复合材料的强度和模量会明显损失。

图1 硫酸钙晶须含量对尼龙6复合材料拉伸性能的影响Fig.1 Influence of calcium sulphate whiskers usage on tensile properties of nylon-6 composite

图2 硫酸钙晶须含量对尼龙6复合材料弯曲性能的影响Fig.2 Influence of calcium sulphate whiskers usage on bending properties of nylon-6 composite

从图3可以看出，硫酸钙晶须加入总体而言对复合材料冲击性能有不利影响，随晶须加入量增大冲击强度呈现下降趋势。这是因为一方面晶须长度比玻纤短得多，其增强增韧效果比不上玻纤，另一方面，晶须加入量超过一定范围时可能发生团聚，其与尼龙基体界面粘接出现问题［6］，最终导致复合材料冲击强度的下降。

图3 硫酸钙晶须含量对尼龙6复合材料冲击性能的影响Fig.3 Influence of calcium sulphate whiskers usage on impact properties of nylon-6 composite

2.2 不同型号晶须对复合材料力学性能的影响

仍然采用制备方式一，固定晶须含量10%、短玻纤含量20%不变，不同型号晶须对复合材料力学性能影响如表1所示。

表1 不同型号硫酸钙晶须短玻纤增强尼龙6复合材料力学性能Tab.1Mechanical properties of nylon 6 composites modified by short glass fiber and calcium sulphate whiskers with different types

从表1可以看出，L002型晶须与短玻纤复配增强尼龙6材料综合力学性能要明显好于L003与短玻纤的复配。L002型晶须是经过表面处理的，而L003型未经表面处理，很显然，表面处理后的晶须与尼龙基体结合力加强了，二者界面粘结强度的改善有利于应力的传导，使其力学性能优于未表面处理的晶须。

2.3 不同制备方式对复合材料力学性能的影响

固定L002型晶须含量10%、短玻纤含量20%不变，分别采用方式一和方式二制备尼龙6复合材料，它们力学性能的差异如表2所示。

表2 不同制备方式所得硫酸钙晶须短玻纤增强尼龙6复合材料力学性能Tab.2Mechanical properties of nylon 6 composites modified by short glass fiber and calcium sulphate whiskers from different ways

表2数据显示，采用侧向加入短玻纤和晶须的方式制备得到的尼龙6复合材料力学性能远好于主料口加入方式，这是因为如果玻纤和晶须从主料口加入，在挤出过程中全程经螺杆的强烈剪切，它们最终长度肯定比侧向加料方式短，这样一来降低了玻纤和晶须长径比［7］，从而使主料口加入方式制备的复合材料力学性能较侧向加料方式大幅下降。

3 结论

(1)在硫酸钙晶须含量不超过10%情况下，晶须与短玻纤有协同增强作用，当晶须含量10%、短玻纤含量20%时，它们共同增强尼龙6复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量分别比30%短玻纤增强尼龙6提高8.7%、7.5%和8%，但是冲击性能有所下降。

(2)相同晶须含量下，经过表面处理后的晶须与短玻纤复配所得增强尼龙6材料力学性能明显优于未经表面处理的晶须与短玻纤复配体系。

(3)采用侧向加入短玻纤和晶须的方式制备得到的尼龙6复合材料力学性能要远好于主料口加入方式。

［1］张士华，熊党生，崔崇.国内尼龙6增强改性进展［J］.塑料科技，2003，(4):57－59.

［2］杨旭宇.玻璃纤维改性尼龙6性能的研究［J］.塑料科技，2012，(12):54－58.

［3］王莹，李彦生.硫酸钙晶须的研究现状及进展［J］.化工新型材料，2006，(12):30－32.

［4］师存杰，张兴儒，郭祖鹏，等.硫酸钙晶须的制备及其应用进展［J］.当代化工，2010，(04):436－438.

［5］邱亮，蔡方昌，周勤，等.氯化钙对尼龙6/硫酸钙晶须增强材料结构与力学性能的影响研究［J］.胶体与聚合物，2010，(02):81－84.

［6］何敏，王丽娥，鲁圣军，等.硫酸钙晶须改性低熔点PA6复合材料的性能［J］.塑料，2010，(04):24－26.

［7］王冲，郝源增，郝建鑫，等.高光泽高玻纤含量增强增韧PA6复合材料的开发［C］.2010年中国工程塑料复合材料技术研讨会论文集.山东泰安:《工程塑料应用》杂志出版社，2010:81－83.