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| 硅灰石填充改性尼龍1212復合材料性能研究 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2015-05-21 10:15:52 瀏覽次數： |
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（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/龍小水）將無(wú)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(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(chǎng)競爭力。
但是由于無(wú)機填料與基體樹(shù)脂之間的差異，二者之間的相容性較差；同時(shí)由于無(wú)機粉狀粒子具有較高的表面活性，導致無(wú)機填料在基體樹(shù)脂中很容易發(fā)生團聚，從而影響其復合材料的綜合性能。因此單純地無(wú)機粉狀填料的加入并不會(huì )提高復合材料的綜合性能。需要對不同的影響因素進(jìn)行深入的探究，以提高復合材料的綜合性能。
1 硅灰石表面處理對復合材料力學(xué)性能的影響
無(wú)機填充材料與基體樹(shù)脂的界面結合情況是影響復合材料力學(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之間的界面粘結性能，從而提高復合材料的綜合力學(xué)性能。在硅灰石填充量相同的情況下，經(jīng)過(guò)表面處理的硅灰石填充尼龍1212復合材料與沒(méi)有經(jīng)過(guò)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(lián)劑是一種兩性結構的物質(zhì)，其分子結構中含有兩個(gè)性能截然不同的反應基團。其中一個(gè)基團可以與硅灰石表面的化學(xué)基團羥基發(fā)生反應，另一個(gè)與尼龍1212的表面基團發(fā)生反應，從而將兩者緊緊連接在一起，就相當于起到一個(gè)“橋梁"的作用，同時(shí)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(shí)，通過(guò)此界面層將應力從局部傳遞到整個(gè)物體，從而提高復合材料的力學(xué)性能。
當偶聯(lián)劑用量為1.5％時(shí)，復合材料的力學(xué)性能比偶聯(lián)劑用量為1.0％時(shí)復合材料的力學(xué)性能反而有所下降，這是由于當偶聯(lián)劑的用量為1.0％時(shí)，硅灰石表面上的羥基已經(jīng)反應的比較完全。此時(shí)再增加偶聯(lián)劑的用量已經(jīng)沒(méi)有太大意義，反而成為無(wú)效組分，因此偶聯(lián)劑的用量有一最佳值(1.0％)，當超過(guò)最佳用量(1.0％)時(shí)，材料的力學(xué)性能并不會(huì )提高，反而會(huì )有所下降。
2 硅灰石粒度對復合材料力學(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(shí)，隨著(zhù)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(wú)機填料的粒度是表征其質(zhì)量品級的一個(gè)主要指標，它對復合材料的力學(xué)性能有著(zhù)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(xué)性能就越好。但是，并非硅灰石粉顆粒越細越好。因為在實(shí)驗過(guò)程中發(fā)現，當硅灰石用量較高(>50％)時(shí)，由于硅灰石太細，會(huì )出現粉體表面處理不均勻，并且擠出過(guò)程中也會(huì )出現粉體難以下料以及粉體與基體樹(shù)脂混合不均等工藝問(wèn)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(lái)決定。
3 硅灰石含量對復合材料力學(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，基體樹(shù)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(shí)，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(shù)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(zhù)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(zhù)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(shuō)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(jīng)過(guò)表面改性的硅灰石與基體樹(shù)脂的界面粘結強度增大，同時(shí)由于硅灰石自身剛性較大，限制了基體樹(shù)脂中一些分子的運動(dòng)，在受到外力作用時(shí)不易產(chǎn)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(guò)一定含量之后，基體樹(shù)脂的連續相就會(huì )被破壞，無(wú)機填料出現團聚現象，從而影響了復合材料的力學(xué)性能。
在開(kāi)始時(shí)復合材料的缺口沖擊強度隨著(zhù)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(lái)基體樹(shù)脂的韌性，但是從40％開(kāi)始，隨著(zhù)硅灰石含量的增加，材料的缺口沖擊強度開(kāi)始大幅下降。這表明，40％的硅灰石含量是個(gè)臨界值，超過(guò)此含量后，材料的沖擊強度會(huì )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(zhù)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(zhù)很大作用。
此外，隨著(zhù)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(guò)對比不同的曲線(xiàn)，可以看出隨著(zhù)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(wú)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(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑表面處理，與基體樹(shù)脂形成了良好的界面層，因此，當復合材料受熱后，基體樹(shù)脂的高分子鏈段的熱運動(dòng)不但要克服相鄰分子鏈之間的內聚力，而且還要克服無(wú)機剛性粒子與高分子鏈之間的摩擦力。因此基體樹(shù)脂的高分子鏈段運動(dòng)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(zhù)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(shí)，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(guān)結構分析
將尼龍1212／硅灰石復合材料試條放在液氮中進(jìn)行脆斷，然后截取長(cháng)度為2-3mm的試樣(截取過(guò)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(jìn)行觀(guān)察，結果表明以看出當硅灰石含量為50％時(shí)，復合材料的斷面已經(jīng)出現了硅灰石顆粒的團聚，這說(shuō)明隨著(zhù)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)生團聚，在宏觀(guān)上的表現就是復合材料的力學(xué)性能大幅下降。
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