增韧剂对碳纤维增强尼龙改性材料性能的影响
2022-06-20姚利秦增增韩璐
姚利，秦增增，韩璐
(天津长芦海晶集团有限公司，天津 300450）
随着汽车小型化、轻量化的需求，工程塑料逐渐取代部分金属材料在汽车零部件中的应用，尼龙作为三大塑料之首，其改性产品在汽车行业中的应用日趋扩大。 尼龙作为结构性材料，可以通过玻璃纤维和其它填料填充的方式， 增强改性，提高产品强度，扩大应用范围，碳纤维具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特点，与玻璃纤维相比，模量高3～5 倍，因而是一种获得高刚性和高强度尼龙材料的优良增强材料[1，2]。
1 实验部分
1.1 实验原料与设备
原料：PA6， 天津长芦海晶集团有限公司生产；碳纤维，AMOS 公司生产；增韧剂沈阳科通公司生产；其他助剂。
设备： 南京欧立TE-35 同向双螺杆挤出机；海天塑机SA600 注塑机；真空干燥箱；万能试验机；缺口制样机；简支梁试验机等。
1.2 理论依据
本论文中选择常见碳纤维作为增强填充物质，在切片、碳纤维、其他助剂种类及添加量确定的情况下， 不改变增韧剂添加量，改变增韧剂种类， 查看产品性能变化， 从而选
出适合的增韧剂， 适用于增强改性尼龙材料的增韧剂最常见的为K 系增韧剂和N 系增韧剂， 根据以往实验经验， 初步选定增韧剂添加量为10%， 考察不同增韧剂对产品性能的影响[3，4]。
1.3 实验配方（见表1，2）
表1 增韧剂种类对产品性能的影响配方
1.4 实验步骤
1.4.1 造粒 利用35 试验机分别对表1 中方案一、方案二、方案三和表2 中方案一、方案二、方案三、方案四、方案五、方案六、方案七进行实验打样造粒，实验过程中要求工艺稳定。 造粒前，应对双螺杆挤出机进行清洗，启动设备，设定实验温度，进行预热，温度达到设定值后，用洗车料对双螺杆挤出机进行清洗，同时对加热区升温情况、螺杆转速及喂料量适宜条件、挤出样条状态、切粒机状态进行检查，确定实验设备符合运行条件，方可进行实验打样。
表2 增韧剂种类对产品性能的影响配方
1.4.2 注塑 根据需要， 造粒产品在做物理性能测试之前， 需在真空干燥箱中烘烤6h， 温度105℃。 注塑时，每组产品注塑拉伸样条10 根，冲击样条10 根，色板5 个。
采用海天塑机SA600 注塑机制备标准样条，注塑条件如表3。
表3 用注塑机注塑条件
对注塑机制备的样条进行检测，检测方法和国标依据如表4。
表4 样条的检测方法和依据
2 结果与讨论
2.1 增韧剂种类对产品性能的影响
在切片、碳纤维、其他助剂种类及添加量不变的情况下，改变增韧剂的种类，即仅添加10%K系增韧剂或仅添加10%N 系增韧剂或K 系增韧剂和N 系增韧剂各添加5%， 查看产品力学性能的变化，增韧剂种类对产品性能的影响如表5、图1～5 所示。
表5 不同增韧剂对产品性能的影响
图1 不同增韧剂对产品拉伸强度的影响
图2 不同增韧剂对产品弯曲强度的影响
图3 不同增韧剂对产品简支梁缺口冲击强度的影响
图4 不同增韧剂对产品简支梁非缺口冲击强度的影响
图5 不同增韧剂对产品表面电阻率的影响
从表5 和图1～5 中可以看出：在增韧剂添加量相同的情况下，不同种类的增韧剂，产品的密度相差不大，产品拉伸强度、弯曲强度、简支梁缺口冲击强度、简支梁非缺口冲击强度、表面电阻率均是单独添加10%N 系增韧剂最好，添加5%N系增韧剂和5%K 系增韧剂复配次之，添加10%K系增韧剂最差，因此在增韧剂添加量为10%的情况下，选择单独添加N 系增韧剂，生产的产品力学性能和表面电阻率最好。
2.2 增韧剂添加量对产品性能的影响
选择常见碳纤维作为增强填充物质， 在切片、碳纤维、其他助剂种类及添加量确定的情况下，增韧剂选择N 系增韧剂，改变增韧剂添加量，查看产品性能变化， 增韧剂添加量分别为2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%。 涉及到的成分按重量百分比计，包括以下成分：在切片，碳纤维、其他助剂种类及添加量不变的情况下，改变增韧剂的种类，即仅添加10%K 系增韧剂或仅添加10%N 系增韧剂或K 系增韧剂和N 系增韧剂各添加5%，查看产品力学性能的变化，增韧剂种类对产 品性能的影响如表6、图6～8 所示。
图6 增韧剂不同添加量对产品拉伸强度、弯曲强度的影响
图7 增韧剂不同添加量对产品冲击强度的影响
图8 增韧剂不同添加量对产品表面电阻率的影响
从表6 和图6～8 中，可以看出：随着增韧剂添加量的增加，产品的密度呈减小趋势，产品的拉伸强度，弯曲强度逐渐降低，产品的简支梁缺口冲击强度和简支梁非缺口冲击强度逐渐增加，产品表面电阻率整体呈降低趋势，当增韧剂添加量为2%时，产品表面电阻率最高，当增韧剂添加量为10%时，产品表面电阻率最低。 本项目为碳纤增强尼龙改性材料，拉伸强度和弯曲强度为首要考察指标，当增韧剂添加量为2%时，产品的拉伸强度、弯曲强度最高，故而进行下一步实验时建议增韧剂添加量为2%。
表6 增韧剂不同添加量对产品性能的影响
3 结论
经上述实验研究可知：增韧剂对产品性能的影响较大，选择单独添加N 系增韧剂，生产的产品力学性能和表面电阻率最好，在增韧剂种类确定的情况下，增韧剂添加量为2%时，产品的拉伸强度、弯曲强度最高。
