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| 硅灰石填充改性尼龍1212復(fù)合材料性能研究 |
| 來源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時間：2015-05-21 10:15:52 瀏覽次數(shù)： |
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（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/龍小水）將無機(jī)粉料加入聚合物中，不僅可以改善聚合物材料的某些性能如：力學(xué)性能、熱性能、吸水性能等，而且還可以有效降低制品的成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。
但是由于無機(jī)填料與基體樹脂之間的差異，二者之間的相容性較差；同時由于無機(jī)粉狀粒子具有較高的表面活性，導(dǎo)致無機(jī)填料在基體樹脂中很容易發(fā)生團(tuán)聚，從而影響其復(fù)合材料的綜合性能。因此單純地?zé)o機(jī)粉狀填料的加入并不會提高復(fù)合材料的綜合性能。需要對不同的影響因素進(jìn)行深入的探究，以提高復(fù)合材料的綜合性能。
1 硅灰石表面處理對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響
無機(jī)填充材料與基體樹脂的界面結(jié)合情況是影響復(fù)合材料力學(xué)性能的重要因素。用偶聯(lián)劑對硅灰石表面進(jìn)行處理可以改善硅灰石與尼龍1212之間的界面粘結(jié)性能，從而提高復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。在硅灰石填充量相同的情況下，經(jīng)過表面處理的硅灰石填充尼龍1212復(fù)合材料與沒有經(jīng)過表面處理的硅灰石填充尼龍1212復(fù)合材料相比，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量等都有所提高，原因是偶聯(lián)劑是一種兩性結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，其分子結(jié)構(gòu)中含有兩個性能截然不同的反應(yīng)基團(tuán)。其中一個基團(tuán)可以與硅灰石表面的化學(xué)基團(tuán)羥基發(fā)生反應(yīng)，另一個與尼龍1212的表面基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，從而將兩者緊緊連接在一起，就相當(dāng)于起到一個“橋梁"的作用，同時兩者之間還形成具有一定厚度的柔性界面層。當(dāng)材料受到拉力或壓力等外力作用時，通過此界面層將應(yīng)力從局部傳遞到整個物體，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。
當(dāng)偶聯(lián)劑用量為1.5％時，復(fù)合材料的力學(xué)性能比偶聯(lián)劑用量為1.0％時復(fù)合材料的力學(xué)性能反而有所下降，這是由于當(dāng)偶聯(lián)劑的用量為1.0％時，硅灰石表面上的羥基已經(jīng)反應(yīng)的比較完全。此時再增加偶聯(lián)劑的用量已經(jīng)沒有太大意義，反而成為無效組分，因此偶聯(lián)劑的用量有一最佳值(1.0％)，當(dāng)超過最佳用量(1.0％)時，材料的力學(xué)性能并不會提高，反而會有所下降。
2 硅灰石粒度對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響
研究表明在硅灰石含量和偶聯(lián)劑用量均保持不變時，隨著硅灰石粒度的減小，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及缺口沖擊強(qiáng)度均有所提高。
硅灰石的目數(shù)越大，其粒徑越小，硅灰石顆粒就越細(xì)，反之，則其粒徑就越大，硅灰石顆粒就越顯得粗。無機(jī)填料的粒度是表征其質(zhì)量品級的一個主要指標(biāo)，它對復(fù)合材料的力學(xué)性能有著重要的影響。硅灰石越細(xì)，則其粒子的平均粒徑就越小，硅灰石在尼龍212基體中就越易分散，且分散的均勻性越好，所以，復(fù)合材料的力學(xué)性能就越好。但是，并非硅灰石粉顆粒越細(xì)越好。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硅灰石用量較高(>50％)時，由于硅灰石太細(xì)，會出現(xiàn)粉體表面處理不均勻，并且擠出過程中也會出現(xiàn)粉體難以下料以及粉體與基體樹脂混合不均等工藝問題；此外，硅灰石越細(xì)，復(fù)合材料的成本就越高。因此，硅灰石目數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)硅灰石在尼龍1212中的填充量多少來決定。
3 硅灰石含量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響
研究表明，硅灰石的加入對于提高尼龍1212的力學(xué)性能有明顯的作用，且在一定范圍內(nèi)，基體樹脂中硅灰石含量越高，其增強(qiáng)效果越明顯。在硅灰石含量為10％時，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度比純尼龍1212的拉伸強(qiáng)度要低，這是由于所加入的硅灰石粉體量較少，未能與尼龍1212基體樹脂之間形成良好的界面層，反而起到了應(yīng)力集中物的作用，降低了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，在硅灰石含量達(dá)到40％以前，隨著硅灰石含量的逐漸增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度也在逐漸變大。在硅灰石含量達(dá)到40％以前，隨著硅灰石含量的增加，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度及彎曲模量也在增加。這說明40％的硅灰石含量為復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及彎曲模量的臨界含量。
分析認(rèn)為，經(jīng)過表面改性的硅灰石與基體樹脂的界面粘結(jié)強(qiáng)度增大，同時由于硅灰石自身剛性較大，限制了基體樹脂中一些分子的運(yùn)動，在受到外力作用時不易產(chǎn)生形變，從而提高了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。但是當(dāng)超過一定含量之后，基體樹脂的連續(xù)相就會被破壞，無機(jī)填料出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，從而影響了復(fù)合材料的力學(xué)性能。
在開始時復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度隨著硅灰石含量的增加有所下降，但是下降幅度并不是太大，仍能保持原來基體樹脂的韌性，但是從40％開始，隨著硅灰石含量的增加，材料的缺口沖擊強(qiáng)度開始大幅下降。這表明，40％的硅灰石含量是個臨界值，超過此含量后，材料的沖擊強(qiáng)度會大幅度下降。
4 硅灰石對復(fù)合材料熱性能的影響
硅灰石的加入對復(fù)合材料的熱變形溫度有很大的提高，且隨著硅灰石含量的增加，復(fù)合的熱變形溫度逐漸增加，這表明硅灰石的加入對尼龍1212的熱變形溫度的改善起著很大作用。
此外，隨著溫度的上升，純尼龍1212及其復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)均是先增加后降低，通過對比不同的曲線，可以看出隨著硅灰石含量的不斷增加，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)在逐漸降低，這是因?yàn)楣杌沂癁闊o機(jī)非金屬填料，與尼龍1212相比其具有良好的耐熱性和較低的熱膨脹系數(shù)，并且由于硅灰石經(jīng)過偶聯(lián)劑表面處理，與基體樹脂形成了良好的界面層，因此，當(dāng)復(fù)合材料受熱后，基體樹脂的高分子鏈段的熱運(yùn)動不但要克服相鄰分子鏈之間的內(nèi)聚力，而且還要克服無機(jī)剛性粒子與高分子鏈之間的摩擦力。因此基體樹脂的高分子鏈段運(yùn)動減弱，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)降低。
5 硅灰石對復(fù)合材料吸水性的影響
隨著硅灰石含量的增加，制品的吸水率逐漸降低，尤其是當(dāng)硅灰石含量為40％時，復(fù)合材料的吸水率降到了0.1％，由此可知硅灰石的加入明顯的降低了復(fù)合材料的吸水率，對提高復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性有很大的幫助。這是由于硅灰石粉體本身的疏水性比較強(qiáng)，并且填充尼龍1212后，也降低了復(fù)合材料吸水基團(tuán)的密度。
6 復(fù)合材料的斷口微觀結(jié)構(gòu)分析
將尼龍1212／硅灰石復(fù)合材料試條放在液氮中進(jìn)行脆斷，然后截取長度為2-3mm的試樣(截取過程中注意保護(hù)好斷面，防止粘上碎屑)，在斷面處噴碳，用掃描電子顯微鏡(SEM)在加速電壓15kV下，對其斷面進(jìn)行觀察，結(jié)果表明以看出當(dāng)硅灰石含量為50％時，復(fù)合材料的斷面已經(jīng)出現(xiàn)了硅灰石顆粒的團(tuán)聚，這說明隨著硅灰石填充量的逐漸增加，硅灰石顆粒在尼龍1212中的分散性也逐漸變差，硅灰石粒子很容易發(fā)生團(tuán)聚，在宏觀上的表現(xiàn)就是復(fù)合材料的力學(xué)性能大幅下降。
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