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聚酰胺(PA)应用广泛,尤其是PA6和PA66的需求不断增长,利用玻璃纤维(GF)与无机纳米颗粒改性PA6/PA66对其制品的开发和应用具有重要意义。本文首先通过优化工艺,制备了高强度玻璃纤维增强聚酰胺复合材料;并进一步利用静电自组装技术,制备结构可控的纳米二氧化硅(nano-SiO2)、碳纳米管(MWNTs)包覆玻璃纤维复合增强体,考察了PA6/复合增强体纳米复合材料的微观结构与性能,分析了其增强机理。经过优化制备工艺解决了放大问题,获得了高强度高刚性抗静电的PA6纳米复合材料。
1.通过优化挤出机的螺杆结构及转速,控制玻璃纤维在基体中的平均长度及分布。结果表明,复合材料的拉伸强度与玻纤的平均长度呈线性关系,当采用弱剪切螺杆、螺杆转速为120rpm时,25%含量的玻纤增强PA66复合材料中纤维的平均长度为309um,这时材料的拉伸强度和模量分别达到173MPa、8646MPa,相比采用强剪切螺杆、螺杆转速为480rpm工艺条件制备的复合材料分别提升了9.8%和9.0%。但流变性能测试表明,玻纤增强PA66复合材料相比纯PA66的粘度大幅提高,且玻纤长度越长,熔体粘度越大,材料的可加工性降低。
2.利用静电自组装技术,在玻璃纤维表面构筑纳米颗粒,通过转矩流变仪制备了5%含量的复合增强体/PA6复合材料。SEM结果显示nano-SiO2及MWNTs可以在玻纤表面达到纳米级分散,纳米颗粒的存在改善了玻纤与PA6基体的界面结合;玻纤表面的纳米颗粒可以起到异相成核作用,尤其是MWNTs的存在显著提高了PA6的结晶温度;复合增强体使材料的玻璃化温度、动态储存模量、拉伸强度等各项指标明显提高,其中GF-MWNTs对复合材料性能提高最明显,相比纯PA6拉伸强度提升了21%,动态储存模量提高了28%,玻璃化温度提高了3.8℃。
3.利用静电自组装技术在商品玻纤表面构筑纳米颗粒,通过挤出机制备了PA6/复合增强体(75/25wt%)材料。刻蚀后样品的SEM照片表明纳米颗粒的存在不能进一步增强商品化玻纤和PA6之间的界面作用,但这种方法使纳米颗粒均匀分散在基体中。PA6/GF-SiO2中的SiO2做为应力集中点使复合材料的各项性能降低;而均匀分散在基体中的MWNTs和玻纤起到协同增强的作用,复合材料的各项力学性能相比PA6/GF(75/25wt%)均有一定程度地提高,且MWNTs的存在使材料的表面电阻降低4个数量级,成为理想的抗静电材料。