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硅灰石填充改性尼龍1212復合材料性能研究 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2015-05-21 10:15:52 瀏覽次數: |
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(中國粉體技術網/龍小水)將無機粉料加入聚合物中,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,提高產品的市場競爭力。
但是由于無機填料與基體樹脂之間的差異,二者之間的相容性較差;同時由于無機粉狀粒子具有較高的表面活性,導致無機填料在基體樹脂中很容易發生團聚,從而影響其復合材料的綜合性能。因此單純地無機粉狀填料的加入并不會提高復合材料的綜合性能。需要對不同的影響因素進行深入的探究,以提高復合材料的綜合性能。
1 硅灰石表面處理對復合材料力學性能的影響
無機填充材料與基體樹脂的界面結合情況是影響復合材料力學性能的重要因素。用偶聯劑對硅灰石表面進行處理可以改善硅灰石與尼龍1212之間的界面粘結性能,從而提高復合材料的綜合力學性能。在硅灰石填充量相同的情況下,經過表面處理的硅灰石填充尼龍1212復合材料與沒有經過表面處理的硅灰石填充尼龍1212復合材料相比,拉伸強度、彎曲強度和彎曲模量等都有所提高,原因是偶聯劑是一種兩性結構的物質,其分子結構中含有兩個性能截然不同的反應基團。其中一個基團可以與硅灰石表面的化學基團羥基發生反應,另一個與尼龍1212的表面基團發生反應,從而將兩者緊緊連接在一起,就相當于起到一個“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。當材料受到拉力或壓力等外力作用時,通過此界面層將應力從局部傳遞到整個物體,從而提高復合材料的力學性能。
當偶聯劑用量為1.5%時,復合材料的力學性能比偶聯劑用量為1.0%時復合材料的力學性能反而有所下降,這是由于當偶聯劑的用量為1.0%時,硅灰石表面上的羥基已經反應的比較完全。此時再增加偶聯劑的用量已經沒有太大意義,反而成為無效組分,因此偶聯劑的用量有一最佳值(1.0%),當超過最佳用量(1.0%)時,材料的力學性能并不會提高,反而會有所下降。
2 硅灰石粒度對復合材料力學性能的影響
研究表明在硅灰石含量和偶聯劑用量均保持不變時,隨著硅灰石粒度的減小,復合材料的拉伸強度、彎曲強度及缺口沖擊強度均有所提高。
硅灰石的目數越大,其粒徑越小,硅灰石顆粒就越細,反之,則其粒徑就越大,硅灰石顆粒就越顯得粗。無機填料的粒度是表征其質量品級的一個主要指標,它對復合材料的力學性能有著重要的影響。硅灰石越細,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,復合材料的力學性能就越好。但是,并非硅灰石粉顆粒越細越好。因為在實驗過程中發現,當硅灰石用量較高(>50%)時,由于硅灰石太細,會出現粉體表面處理不均勻,并且擠出過程中也會出現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,復合材料的成本就越高。因此,硅灰石目數的選擇應根據硅灰石在尼龍1212中的填充量多少來決定。
3 硅灰石含量對復合材料力學性能的影響
研究表明,硅灰石的加入對于提高尼龍1212的力學性能有明顯的作用,且在一定范圍內,基體樹脂中硅灰石含量越高,其增強效果越明顯。在硅灰石含量為10%時,復合材料的拉伸強度比純尼龍1212的拉伸強度要低,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,反而起到了應力集中物的作用,降低了復合材料的拉伸強度,在硅灰石含量達到40%以前,隨著硅灰石含量的逐漸增加,復合材料的拉伸強度也在逐漸變大。在硅灰石含量達到40%以前,隨著硅灰石含量的增加,復合材料的彎曲強度及彎曲模量也在增加。這說明40%的硅灰石含量為復合材料拉伸強度、彎曲強度及彎曲模量的臨界含量。
分析認為,經過表面改性的硅灰石與基體樹脂的界面粘結強度增大,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動,在受到外力作用時不易產生形變,從而提高了復合材料的拉伸強度和彎曲強度。但是當超過一定含量之后,基體樹脂的連續相就會被破壞,無機填料出現團聚現象,從而影響了復合材料的力學性能。
在開始時復合材料的缺口沖擊強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,材料的沖擊強度會大幅度下降。
4 硅灰石對復合材料熱性能的影響
硅灰石的加入對復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及其復合材料的熱膨脹系數均是先增加后降低,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,復合材料的熱膨脹系數在逐漸降低,這是因為硅灰石為無機非金屬填料,與尼龍1212相比其具有良好的耐熱性和較低的熱膨脹系數,并且由于硅灰石經過偶聯劑表面處理,與基體樹脂形成了良好的界面層,因此,當復合材料受熱后,基體樹脂的高分子鏈段的熱運動不但要克服相鄰分子鏈之間的內聚力,而且還要克服無機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動減弱,復合材料的熱膨脹系數降低。
5 硅灰石對復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,尤其是當硅灰石含量為40%時,復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合材料的吸水率,對提高復合材料的尺寸穩定性有很大的幫助。這是由于硅灰石粉體本身的疏水性比較強,并且填充尼龍1212后,也降低了復合材料吸水基團的密度。
6 復合材料的斷口微觀結構分析
將尼龍1212/硅灰石復合材料試條放在液氮中進行脆斷,然后截取長度為2-3mm的試樣(截取過程中注意保護好斷面,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,對其斷面進行觀察,結果表明以看出當硅灰石含量為50%時,復合材料的斷面已經出現了硅灰石顆粒的團聚,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生團聚,在宏觀上的表現就是復合材料的力學性能大幅下降。
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