硅灰石填充尼龙1010复合材料的制备与力学性能

    摘要：利用硅烷偶联剂KH550改性硅灰石，然后通过熔融共混法制备了尼龙(PA)1010／硅灰石复合材料，采用扫描电子显檄镜(SEM)、熔体流动速率(MFR)和力学性能测试及动态力学分析(DMA)等对复合材料进行了分析与表征。结果表明，硅灰石均匀分散在PAIOIO基体中；复合材料的MFR随硅灰石含量的增加而降低，但挤出和注射成型实验表明，当硅灰石质量分数≤70%时，复合材料仍具有良好的加工性能；硅灰石的加入显著提高了PA1010的拉伸性能和弯曲性能，当硅灰石质量分数为70%时，复合材料的拉伸弹性模量与拉伸强度比纯PAI010分别提高了2569ro与29010，弯曲弹性模量与弯曲强度则分别提高了367%与93%；复合材料的动态储能模量随硅灰石含量的增加而大幅提高，当硅灰石质量分数为70%时，在玻璃化转变温度下的动态储能模量提高了约376%。

    尼龙(PA)1010是我国自主研制的工程塑料，其有很多优异的性能而被广泛应用。PA1010作为结构性材料，对其强度、耐磨性能等方面提出了更高的要求。硅灰石作为来源广泛的无机硅酸盐矿物材料，其吸水率低、刚性大、化学和热稳定性好，无毒且价格低廉易得，在增强填充材料应用方面的发

展潜力很大[3-8]。为提高PA1010的强度、模量，从而拓竟其应用领域并降低材料成本，笔者在对针状硅灰石进行表面改性的基础上，通过熔融共混制备PA1010／硅灰石复合材料，探讨了硅灰石的填充量对复合材料力学性能的影响。

1实验部分

1.1主要原材料

    PA1010：熔点205℃，上海臻威股份有限公司；

    硅灰石：长径比小于15：1，长度约20 um，新余市南方硅灰石实业有限公司；硅烷偶联剂：KH-550，纯度≥99.0%，南京曙光

化工集团有限公司。

1.2主要仪器及设备

    高速混合机：SHR-5A型，张家港市瑞达机械制造厂；

    双螺杆挤出机：KS-20型，昆山科信橡塑机械有限公司；

    注塑机：HTF80-W型，宁波海天股份有限公司；

    电子力学性能试验机：CMT-5104型，深圳市程塑料应用新三思材料检测有限公司；

    动态力学分析(DMA)仪：DMA242C型，德国Netzsch公司；

    熔体流动速率(MFR)仪：ZR21452型，美特斯工业系统（中国）有限公司；

    扫描电子显微镜(SEM)：JSM-6700F型，日本Jeol公司。

1.3试样制备

    (1)硅灰石表面改性。

    将硅烷偶联剂KH-550与无水乙醇按体积比1：4配成溶液，再用丙酮稀释成1%的溶液。称取一定量的硅灰石于三口烧瓶中，将上述配制的处理剂溶液倒入三口烧瓶，封口、摇匀，在室温下机械搅拌3h，使硅灰石充分浸渍。之后将硅灰石取出，80℃条件下在真空烘箱内干燥12 h取出备用。

    (2) PAI010／硅灰石复合材料的制备。

    将一定量的PA1010与经过表面改性后的硅灰石置于高速混合机中高速搅拌混合均匀，置于80℃真空烘箱中烘干至恒重。然后用挤出机挤出造粒，挤出机各段温度分别为220，225，225，225，220和215℃，螺杆转速设定为170 r/min。将制得的粒料在真空烘箱中于80℃下干燥24 h，用注塑机制备成标准试样，注塑机各段温度分别为225，230，230和225℃，模具温度为80℃。复含材料中硅灰石的质量分数取10%，20%，30%，40%，50010，60%和70c70。

1.4性能测试与表征

    拉伸性能按GB／T 1040-1992测试，标距50 mm.拉伸速度为10 mm/min，温度19\'C，相对湿度31%；

    弯曲性能按GB /T 9341-2000测试，跨距68 mm，测试速度2mm/min，温度19℃，相对湿度31%：

    DMA测试：试样为矩形，其尺寸为60.0 mm×10.0 mmX4.0 mm，测试频率为1～33 Hz，测试温度为-170—180℃，升温速率为10\'C /nun；

    将标准试样置于液氮中冷冻1.5 h左右后脆断，在60℃的烘箱中干燥6h后在真空下对断面镀金，用SEM观察其断面并拍照，加速电压15 kV：    MFR按GB /T 3682-2000测试，测试条件为230℃，2.16 kg。

2结果与讨论

2.1 MFR

    表l是不同硅灰石填充量下的PA1010／硅灰石复合材料的MFR。由表1可见，随硅灰石填充量增加，MFR逐渐下降。挤出和注射成型实验表明，当硅灰石质量分数≤70%时，纯PA1010与复合材料均能在相同温度和压力下顺利成型，成型试样表面光滑，且无毛边。但当硅灰石填充量再增加时，则

挤出时秃法顺利出料，造成螺杆旋转困难。因此笔者制备的复合材料中硅灰石最大质量分数为70010。

    2.2力学性能

    图l和图2分别为硅灰石填充量对PA1010／硅灰石复合材料的拉伸性能和弯曲性能的影响。

   图2硅灰石填充量对PA1010／硅灰石复合材料弯曲性能的影响

    由图l和图2可以看出，硅灰石的加入显著提高了PA1010的拉伸性能和弯曲性能，随着硅灰石填充量的增加，复合材料的拉伸弹性模量、拉伸强度和弯蓝弹性模量、弯曲强度均逐渐提高，其中当硅灰石质量分数为70%时，复合材料的拉伸弹性模量与拉伸强度比纯PA1010分别提高了256%和29%，弯曲弹性模量与弯曲强度则分别提高了367%和93%。由此可见，硅灰石短纤维在PA1010基体中起到增强作用，由于硅灰石自身刚性比较大，并限制了基体树脂中大分子链的运动，在受到外力作用时不生形变，因而提高了复合材料的拉伸性能和弯能。但当硅灰石含量较高时，复合材料的韧性下降较多，当硅灰石质量分数为70%时，复合材料的悬臂梁缺口冲击强度约为PA1010原样的一半，由此复合材料的应用领域可能会受到一定限制，这是下一步研究工作需致力于解决的问题。

    图3是PA1010／硅灰石复合材料断面不同部位的SEM照片(其中硅灰石质量分数为20%)。由图3可以看出，硅灰石在PA1010中既有短纤维形态，也有颗粒形态，两种形态的硅灰石均匀分布在PA1010基体中，刚性大的硅灰石短纤维和颗粒起到桥梁支架作用，提高PA1010的强度，使其可以承载更高的弯曲及拉伸应力。

  图3   PA1010／硅灰石复合材料断面不同部位的SEM照片

2.3动态力学性能

    图4为10 Hz下纯PA1010及PAI010／硅灰石复合材料的动态储能模量(E’)与温度的关系曲线。由图4可以看出，纯PA1010及其复合材料的E，均随温度升高而逐渐下降，在玻璃化转变温度(Tg)（约70℃）附近下降最快。复合材料在Tg以下处于玻璃态，树脂基体内部大分子链段被冻结，只有小运动单元可以远动。同一温度下随硅灰石填充量的增加，复合材料的E总体上逐渐增大。

    -200 -150 -100 -50 0 50  100 150 200

    温度／℃硅灰石质量分数：a-0%．b-10%；c-20%；d-30%；e-40%5

    f-50%：g-60%；h-70%

    图4纯PA1010及复合材料的E’与温度的关系曲线

    图5为复合材料在Tg时的E’与硅灰石填充量之间的关系曲线。由图5可以看出，复合材料的，随硅灰石填充量的增加而增大。纯PA1010在Tg时的E，为0.93 GPa，而当硅灰石质量分数为70010时复合材料的E，为4,43 GPa，比纯PA1010提高了376%，这表明硅灰石对PA1010有很好的增强作用，

硅灰石的加入大幅提高了PA1010的刚性。    硅灰石质量分数

    图5复合材料在t时的E’与硅灰石填充量的关系曲线

3结论

    (1)通过熔融共混法制备了PA1010硅灰石复合材料，SEM表明硅灰石均匀分散于PA1010基体中。

    (2)随硅灰石填充量增加，复合材料的MFR逐渐下降，但挤出和注塑实验表明，当硅灰石质量分数≤70%时，复合材料仍具有良好的成型加工性能。

    (3)硅灰石的加入显著提高了PA1010的强度和刚性。与纯PAI010楣比，复合材料的拉伸性能和弯曲性能均有较大幅度提升，其中拉伸强度与拉伸弹性模量最大分别提高了29%与256%，弯曲强度与弯曲弹性模量最大分别提高了93010与367%。

    (4)复合材料的动态储能模量随硅灰石填充量的增加而大幅提高，当硅灰石质量分数为70%时，与纯PA1010相比，在Tg时的动态储能模量增加了约376%。

    (5)硅灰石填充PA1010复合材料具有良好的综合性能，材料制备方法简单易操作，硅灰石填充量可高达70%，由此可大幅降低复合材料成本。