PA6与PTT共混制备低吸水率尼龙复合材料

许 宁，徐兴亮，马勤清，左玉伟，边亚微，李 建

(天津长芦海晶集团有限公司，天津 300450)

尼龙是一种重要工程塑料，具有良好机械性能，以及优良的耐磨损性、自润滑性、耐油性、耐腐蚀、加工流动性等，应用十分广泛[1]。尼龙具有很强的亲水性，容易吸水而导致性能下降[2-3]。

文章采用熔融共混法，在PA6基质中加入低吸水率的PTT，考察PTT添加量对复合材料吸水率及各项机械性能的影响。

1 材料与方法

1.1 实验原料与设备

原料。PA6(3816BR)，天津海晶隆；PTT(503WS)，美国壳牌；POE-g-MAH(GR216)，美国陶氏；抗氧剂H161，德国布吕格曼。

设备。TE-35型双螺杆挤出机，南京欧立；SA600注塑机，海天塑机；万能试验机、缺口制样机、简支梁试验机，美斯特。

1.2 实验方法

1.2.1 熔融共混

将PA6颗粒、PTT颗粒及其他助剂在高速混合机中均和均匀后，加到双螺杆挤出机的喂料口。物料在双螺杆挤出机中熔融、挤出、造粒，干燥后得到试验样品。双螺杆挤出机的实验条件：加热区T1～T10温度分布在235 ℃～250 ℃，主机转速200 r/min～500 r/min。将干燥后的改性样品在SA600注塑机上注塑样条。

1.2.2 吸水率检测

将样条编号称重后浸泡水中，于72 h后取出擦干称重。通过样条浸水前后的重量差，计算得到样品的吸水率。

1.2.3 机械性能检测

测试样品干态下的拉伸强度、弯曲强度、缺口抗冲击强度等机械性能指标。测试样品浸水72 h后湿态下的拉伸强度、弯曲强度、缺口抗冲击强度等机械性能指标。

2 结果与讨论

2.1 与PTT熔融共混降低尼龙复合材料吸水率的可行性

将PA6与PTT以7 ∶3的比例配比，采用POE-g-MAH为相容剂，其添加量为3%，原料混合均匀后，在双螺杆挤出机上进行熔融共混，测试样品吸水率及湿态下的机械性能。PA6、PA6/PTT、PA6/PTT/POE-g-MAH三种样品的吸水率及湿态机械性能的数据见表1。

表1 PA6、PA6/PTT、PA6/PTT/POE-g-MAH性能对比Tab.1 Performance comparison of PA6,PA6/PTT and PA6/PTT/POE-g-MAH

从表1数据可以看出，纯PA6样品在水中浸泡72 h后，吸水率高达4.22%。当加入30%PTT时，复合材料的吸水率为2.00%，比纯PA6样品的吸水率降低50%以上。PA6分子中具有较强极性的酰胺键从而导致其容易吸水，降低尼龙材料吸水率的主要机理有极性屏蔽作用、结构屏蔽作用、结晶屏蔽作用等[4]。PTT分子虽然也具有较强极性，但本身吸水率极低，当其与PA6共混时，一方面PTT分子结构中的酯基与尼龙分子的酰胺基会发生氢键缔合，在高温及双螺杆剪切力的双重作用下还可能发生酯酰胺交换反应[5]，从而产生极性屏蔽作用，减弱复合材料的吸水性；另一方面PTT作为低吸水率的分散相分散于尼龙基质中，减少了材料对水分子的吸收和渗透，起到结构屏蔽作用[6]。

同时，从表1可以看出，当在原料中加入3%的相容剂POE-g-MAH时，复合材料的吸水率降至1.19%，比未加入相容剂时降低约40%，比纯PA6样品降低约70%。相容剂POE-g-MAH的加入，可以在PA6和PTT分子界面处形成接枝共聚物，使得两种高分子之间更加紧密的结合在一起，从而改善两相的相容性，进一步降低了材料的吸水率。从表1中还可以看出，除了缺口抗冲击强度之外，PTT加入后的湿态性能较之干态均有一定程度降低，而加入相容剂之后的复合材料其干态与湿态下的缺口抗冲击强度较之未加相容剂时有所提高。

因此，PTT的加入可以显著降低尼龙材料的吸水率，相容剂的加入则使吸水率进一步降低，采用熔融共混法在PA6基质中混入PTT来降低复合材料的吸水率的方法具有一定的可行性。文章接下来根据PTT的加入量对复合材料吸水率及干态和湿态下机械性能的影响做进一步的研究。

2.2 PTT添加量对尼龙复合材料吸水率及机械性能的影响

2.2.1 PTT添加量对复合材料吸水率的影响

相容剂POE-g-MAH的添加量固定为3%，PTT的添加量分别为10%、20%、30%、40%，制备不同PTT含量下的PA6/PTT/POE-g-MAH复合材料。改性后复合材料的吸水率指标如表2及图1。

表2 PTT添加量对复合材料吸水率的影响Tab.2 The influence of PTT content on the water absorption of modified material %

表2及图1数据中可以看出，PTT的加入能够显著降低尼龙材料的吸水率，10%的加入量时，复合材料的吸水率即由纯PA6时的4.22%降至2.44%，随着PTT添加量的增加，复合材料吸水率进一步降低。当PTT添加量为40%时，材料吸水率仅为0.70%。

图1 PTT添加量对复合材料吸水率的影响Fig.1 The influence of PTT content on the water absorption of modified material

2.2.2 PTT添加量对复合材料弯曲强度的影响

相容剂POE-g-MAH的添加量固定为3%，PTT的添加量分别为10%、20%、30%、40%，制备不同PTT含量下的PA6/PTT/POE-g-MAH复合材料。改性后复合材料干态及湿态下的弯曲强度指标如表3及图2。

表3 PTT添加量对复合材料弯曲强度的影响Tab.3 The influence of PTT content on the flexural strength of modified material %

图2 PTT添加量对复合材料弯曲强度的影响Fig.2 The influence of PTT content on the flexural strength of modified material

由表3及图2可知，随着PTT加入量的增加，改性后复合材料干态下的弯曲强度呈现先降低然后又有所增加的趋势。当样品在水中浸泡72 h后，复合材料的湿态弯曲强度较之干态下均有所下降，且下降幅度随着PTT含量的增加大致呈减小趋势，这是因为随着PTT含量的增加，PA6含量也在降低，尼龙分子吸水对弯曲强度造成的负面影响也随着降低。

2.2.3 PTT添加量对复合材料拉伸强度的影响

相容剂POE-g-MAH的添加量固定为3%，PTT的添加量分别为10%、20%、30%、40%，制备不同PTT含量下的PA6/PTT/POE-g-MAH复合材料。改性后复合材料干态及湿态下的拉伸强度指标如表4及图3。

表4 PTT添加量对复合材料拉伸强度的影响Tab.4 The influence of PTT content on the tensile strength of modified material

图3 改性后材料的拉伸强度Fig.3 The influence of PTT content on the tensile strength of modified material

从表4及图3可知，样品在水中浸泡72 h，复合材料的湿态弯曲强度均明显低于干态，且随着PTT含量的增加其降低幅度也大致呈减小趋势。

2.2.4 PTT添加量对复合材料缺口抗冲击强度的影响

相容剂POE-g-MAH的添加量固定为3%，PTT的添加量分别为10%、20%、30%、40%，制备不同PTT含量下的PA6/PTT/POE-g-MAH复合材料。改性后复合材料干态及湿态下的缺口抗冲击强度指标如表5及图4。

表5 PTT添加量对复合材料缺口抗冲击强度的影响Tab.5 The influence of PTT content on the notched impact strength of modified material

从图4、表5数据可知，尼龙材料吸水以后其缺口抗冲击强度会显著增加，这是因为水分子作为一种广义的增塑剂，对尼龙材料起到塑化作用，提高了尼龙分子结构的稳定性。在所试验的PTT添加量范围内，复合材料的湿态缺口抗冲击强度均高于干态缺口冲击强度。

图4 PTT添加量对复合材料缺口抗冲击强度的影响Fig.4 The influence of PTT content on the notched impact strength of modified material

3 结论

文章采用熔融共混法，通过在PA6基质中添加PTT填料来降低复合材料的吸水率，制备低吸水率尼龙复合材料，结论如下：

PTT的加入可显著降低尼龙复合材料的吸水率，且相容剂POE-g-MAH的加入可以改善PA6与PTT两相相容性，进一步降低吸水率。PTT与PA6基质共混来降低复合材料的吸水率具有可行性。

当PTT加入量为10%时，复合材料的吸水率即降低了40%左右，随着PTT添加量的增加，复合材料吸水率进一步降低，PTT添加量40%时，复合材料吸水率为0.70%。

水分子进入尼龙材料以后，会对复合材料的拉伸强度与弯曲强度产生负面影响，对缺口抗冲击强度则有正面增加作用。在所试验的PTT添加量范围内，复合材料的湿态下的拉伸强度与弯曲强度均低于干态，湿态缺口抗冲击强度则高于干态缺口冲击强度。