高性能无捻玻璃纤维粗纱增强尼龙回料的研究

章建忠，詹英韬，王 堃，樊家澍，陆建明，陆沈奇，张志坚

（巨石集团有限公司，桐乡 314500）

0 前言

聚酰胺（PA，俗称尼龙）是分子主链上含有重复酰胺基团的热塑性树脂总称，其命名是以二胺和二元酸的碳原子数来命名的，如PA66是己二胺和己二酸的共聚物。PA66具有良好的机械性能、耐磨损性、耐热性、耐化学品性和自润滑性，但热变形温度低、吸湿性大，吸湿后的PA66制品电绝缘性差、刚性明显下降且尺寸变化大［1］。工业生产上，一般采用玻璃纤维增强尼龙（GF/PA）。GF/PA制品的性能受到多方面因素的影响，主要因素有玻纤强度、玻纤的质量分数、基体树脂、界面状态以及注塑加工过程中的玻纤长度保持率和纤维分布状态等［2］。在GF/PA生产过程中难免会产生一些废料，而随着环保意识的提高，人们愈发重视废弃物的回收再利用。废料的回收利用，不仅有利于生态环境，且其经济价值十分可观［3］。对这些废料进行回收再利用，可应用于对力学要求不高的电子电器领域。尼龙回料中含有2%～4%的水分及少量无机杂质，在双螺杆挤出机的高温环境下，水分会影响玻纤与树脂的结合［4］；无机杂质会破坏玻纤的完整性。需要对尼龙回料进行热风干燥处理，再用玻璃纤维进行增强，才能达到应用要求。因此，尼龙回料的生产效率较低，生产成本较高，难以推广应用。

本文在988A基础上，通过优化浸润剂，在浸润剂配方中引入保护剂，在高温条件下有效保护玻璃纤维不被水分侵蚀，保证玻璃纤维在树脂内的完整性，从而促进树脂与玻纤的结合。开发了一款新型无捻粗纱960A，不仅改善了玻纤增强尼龙回料的力学性能，同时有效提高了玻纤增强尼龙回料的生产效率，大大降低了生产成本。

GF/PA复合材料由于应用前景广阔而备受青睐，针对其性能的研究很多［5］。本文研究尼龙回料中的水分及无机杂质对玻纤增强尼龙性能的影响，并用光学显微镜观察其微观结构，分析复合界面的结构形态和失效机理［6］。

1 实验部分

1.1 原料

PA回料：PA66，美国杜邦，生产中产生的废弃料或使用后的陈旧料。

玻璃纤维无捻粗纱：EDR14-2000-988A，EDR14-2000-960A，巨石集团有限公司。

1.2 设备与仪器

双螺杆挤出机：Φ=25，贝尔斯托夫挤出机；

注塑机：S-2000il00A型，日本FANUC；

万能材料试验机：Z050型，德国Zwick公司；

冲击试验机：6956.000型，意大利CEAST公司；

精密程控干燥箱：DHG-9440Q，上海翌鸣科贸有限公司；

热台偏光显微镜：DYE-400E，上海点应光学仪器有限公司。

1.3 GF/PA回料复合材料的制备

设计GF/PA回料的质量分数；利用双螺杆挤出机进行挤出、造粒，经过注塑机注射为测试样品。本文中设计GF占设计GF/PA回料复合材料质量分数的30%，余量为PA回料。

表1 GF/PP复合材料制备工艺参数

1.4 性能测试

（1）拉伸强度按照ISO527《纤维增强塑料拉伸性能测试标准》；

（2）弯曲强度按照ISO178《纤维增强塑料弯曲性能测试标准》；

（3）简支梁冲击强度按照ISO179《纤维增强塑料冲击性能测试标准》；

利用偏光显微镜分别观察4个试样的冲击断面形貌。

2 结果与讨论

2.1 干态条件GF/PA回料性能对比

实验前，将PA回料在干燥箱105 ℃的条件下，烘制5 h，将尼龙回料里面的水分烘干，并测得实际水分占复合材料的质量分数为2.64%。再经双螺杆挤出机挤出，设计GF占GF/PP复合材料质量分数的30%，对比测试EDR14-2000-960A/PA回料、EDR14-2000-988A/PA回料的复合材料的力学性能。

从表2可以明显看出，PA回料烘干后，960A增强PA回料试样的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度都高于988A增强。PA回料中含有少量的无机杂质，在双螺杆挤出机中，会对玻纤造成破坏。从图1可以看出，由于960A玻纤表面经过特殊表面处理，提高了玻纤的单丝韧性，经过挤出机混炼剪切后，不易被破坏，960A残留长度明显长于988A。因此960A单丝完整性要明显好于988A，使得960A/PA回料复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度均具有明显优势。

表2 干态下30%GF/PA回料的力学性能

图1 冲击断面的偏光显微镜照片

2.2 GF/PA回料性能对比

PA回料使用前不经烘干，直接经双螺杆挤出机挤出，设计GF占GF/PP复合材料质量分数的30%，对比测试EDR14-2000-960A/PA回料、EDR14-2000-988A/PA回料的复合材料的力学性能。

从表2及表3可以明显看出，PA回料中的水分对988A增强PA回料力学性能影响较大，力学性能衰减20%左右；对960A增强PA回料力学性能影响较小。从图2a可以看出，988A玻纤及回料经过挤出机混炼剪切后，由于水分没有及时排出，影响了玻纤表面处理剂的界面性能，导致玻纤与尼龙树脂的结合较差，并且布满了致密的孔隙［7］，从而导致力学性能下降。从图2b可以看出，覆盖960A玻纤周围的尼龙树脂较为紧实，由于960A玻纤表面经过特殊的涂敷处理，没有被水分侵蚀，与尼龙树脂结合较好，经挤出机高温混炼剪切，及时将熔体内部的水分排出，所以力学性能衰减较小。结果表明：960A的疏水性明显优于988A。

表3 30%GF/PA回料的力学性能

图2 冲击断面的偏光显微镜照片

3 结论

（1）960A同尼龙回料经过双螺杆挤出机混炼、剪切，单丝完整性要明显好于988A，使得960A/PA回料复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度均具有明显优势。

（2）PA回料中的水分对988A增强PA回料力学性能影响较大，力学性能衰减20%左右；而对960A增强PA回料力学性能影响较小。由于960A玻纤表面经过特殊的涂敷处理，没有被水分侵蚀，与尼龙树脂结合较好，经挤出机高温混炼剪切，可及时将熔体内部的水分排出，不易在复合材料内部形成孔隙，所以力学性能衰减较小，能够满足产品应用的设计使用要求。