Нейлон (ПА) 1010 — это инженерный пластик, разработанный в Китае на основе собственных исследований; он обладает множеством выдающихся свойств и широко применяется. Как конструкционный материал, ПА1010 предъявляет повышенные требования к прочности, износостойкости и другим характеристикам. Тальк — широко распространённый неорганический силикатный минерал — отличается низким водопоглощением, высокой жёсткостью, хорошей химической и термической стабильностью, нетоксичностью, а также невысокой стоимостью и доступностью, что делает его перспективным для использования в качестве армирующего наполнителя. С целью повышения прочности и модуля упругости ПА1010, расширения областей его применения и снижения материальных затрат автор подготовил композиты ПА1010/тальк методом расплавного смешивания с предварительной поверхностной модификации игловидного талька, исследуя влияние содержания талька на механические свойства этих композитов.

1 Экспериментальный раздел

1.1 Основное сырьё

PA1010: Температура плавления 205°C, компания «Шанхай Чжэньвэй»

Тальк: соотношение длины к диаметру менее 15:1, длина около 20 мкм, компания «Синьюй Южная тальковая промышленность»; силановый связующий агент: KH-550, чистота ≥ 99,0%, компания «Нанкин Шугуань химическая группа».

Химическая промышленная группа ООО.

1.2 Основные приборы и оборудование

Высокоскоростной смеситель: тип SHR-5A, завод по производству машин Zhangjiagang Ruida;

Шнековый экструдер: тип KS-20, компания «Куньшань Кэсинь Резиново-Пластмассовое Оборудование»;

Пресс-формовочная машина: тип HTF80-W, компания «Нинбо Хайтянь»;

Электронно-механический испытательный станок: тип CMT-5104, ООО «Шэньчжэнь Чэн Пластик Аппликашн Нью Сри Тхинкс Материал Тестинг»;

Прибор для динамического механического анализа (DMA): тип DMA242C, компания Netzsch, Германия;

Прибор для определения скорости течения расплава (MFR): тип ZR21452, компания «Метис Индастриал Системс» (Китай) Лтд.;

Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ): тип JSM-6700F, компания Jeol, Япония.

1.3 Подготовка образца

(1) Поверхностная модификация талька.

Растворите кремнийорганический связующий агент KH-550 в безводном этаноле в соотношении по объёму 1:4, затем разбавьте ацетоном до получения 1%-ного раствора. Взвесьте определённое количество талька в трёхгорлой колбе, влейте в неё приготовленный обрабатывающий раствор, герметично закройте колбу, тщательно встряхните и проводите механическое перемешивание при комнатной температуре в течение 3 часов для полного пропитывания талька. Затем извлеките тальк и высушите его в вакуумной печи при 80 °C в течение 12 часов для последующего использования.

(2) Приготовление композитов PA1010/тальк.

Смешивают определённое количество PA1010 с поверхностно модифицированным тальком в высокоскоростном смесителе и перемешивают на высокой скорости до однородности, после чего сушат в вакуумной печи при 80 °C до постоянной массы. Затем осуществляют экструзию и гранулирование на экструдере, устанавливая температуру каждой зоны на уровне 220, 225, 225, 225, 220 и 215 °C и скорость вращения шнека — 170 об/мин. Полученные гранулы сушат в вакуумной печи при 80 °C в течение 24 часов, после чего готовят стандартные образцы на машине для литья под давлением, устанавливая температуру каждой зоны на уровне 225, 230, 230 и 225 °C и температуру формы — 80 °C. Массовые доли талька в композитных материалах задаются на уровнях 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60% и 70%.

1.4 Тестирование производительности и характеристика

Показатели растяжения определяли в соответствии с ГБ/Т 1040-1992 при испытательной длине образца 50 мм. Скорость растяжения составляла 10 мм/мин, температура — 19 °C, относительная влажность — 31%;

Испытания на изгиб проводились в соответствии с GB/T 9341-2000 при пролёте 68 мм, скорости испытания 2 мм/мин, температуре 19°C и относительной влажности 31%.

Испытание методом ДМА: образец имеет прямоугольную форму с размерами 60,0 мм × 10,0 мм × 4,0 мм; частота испытания — от 1 до 33 Гц; температура испытания — от −170 до 180 °C; скорость нагрева — 10 °C/мин.

Стандартный образец был заморожен в жидком азоте примерно на 1,5 часа, после чего его разрушили. Затем образец высушивали в печи при температуре 60 °C в течение 6 часов, после чего поверхность излома подвергали вакуумному золочению и исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа при ускоряющем напряжении 15 кВ. Массовая скорость потока расплава определялась в соответствии с ГБ/Т 3682–2000 при условиях испытания: температура 230 °C и нагрузка 2,16 кг.

2 Результаты и обсуждение

2.1 МФР

В Таблице 1 приведены значения показателя текучести расплава (MFR) композитов PA1010/тальк при различных содержаниях талька. Как видно из Таблицы 1, с увеличением содержания талька MFR постепенно снижается. Эксперименты по экструзии и литью под давлением показывают, что при массовой доле талька ≤70% как чистый PA1010, так и композит могут успешно формоваться при одинаковых температуре и давлении, с ровной поверхностью и без заусенцев. Однако при дальнейшем увеличении содержания талька,

Экструзия становится затруднённой, что приводит к сложностям при вращении шнека. Поэтому максимальная массовая доля талька в композитах, подготовленных автором, составляет 70%.

2.2 Механические свойства

На рисунках 1 и 2 показано влияние содержания талька на прочностные свойства при растяжении и изгибе композитов PA1010/тальк.

На рис. 2 показано влияние содержания талька на изгибные свойства композитов PA1010/тальк.

Из рисунков 1 и 2 видно, что добавление волластонита существенно улучшает прочностные свойства ПА1010 на растяжение и изгиб. По мере увеличения содержания волластонита постепенно возрастают модуль упругости при растяжении, предел прочности при растяжении, модуль упругости при изгибе и предел прочности при изгибе композитного материала. При массовой доле волластонита 70% модуль упругости при растяжении и предел прочности при растяжении композитного материала увеличиваются соответственно на 256% и 29% по сравнению с чистым ПА1010, тогда как модуль упругости при изгибе и предел прочности при изгибе возрастают соответственно на 367% и 93%. Это свидетельствует о том, что короткие волокна волластонита играют армирующую роль в матрице ПА1010. Благодаря высокой жёсткости самого волластонита он ограничивает подвижность макромолекулярных цепей в матричной смоле и не деформируется под действием внешних нагрузок, тем самым улучшая прочностные свойства композитного материала на растяжение и изгиб. Однако при высоком содержании волластонита ударная вязкость композитного материала значительно снижается. При массовой доле волластонита 70% ударная вязкость композитного материала по методу вырезанной пробки на консольном балке составляет примерно половину от соответствующего показателя исходного ПА1010, что может ограничивать области применения данного композитного материала. Это вопрос, требующий решения в дальнейших исследованиях.

На рис. 3 представлены изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, различных участков композитного материала PA1010/волластонит (с массовой долей волластонита 20%). Как видно из рис. 3, волластонит присутствует в материале PA1010 как в виде коротких волокон, так и в виде частиц, причём обе формы волластонита равномерно распределены в матрице PA1010. Жёсткие короткие волокна и частицы волластонита выступают в роли мостиков-опор, повышая прочность PA1010 и позволяя ему выдерживать более высокие напряжения при изгибе и растяжении.

Рис. 3. Изображения, полученные с помощью СЭМ, различных участков композитного материала PA1010/волластонит.

2.3 Динамические механические свойства

На рис. 4 показана кривая зависимости динамического модуля упругости (E') чистого ПА1010 и композитных материалов ПА1010/волластонит при частоте 10 Гц и в зависимости от температуры. Как видно из рис. 4, E' как у чистого ПА1010, так и у его композитных материалов постепенно снижается с повышением температуры; наиболее быстрое снижение наблюдается вблизи температуры стеклования (Tg) — примерно 70 °C. Композитный материал находится в стеклообразном состоянии ниже Tg, когда сегменты макромолекул в смоляной матрице «заморожены», что позволяет перемещаться лишь небольшим подвижным единицам. При той же температуре с увеличением содержания волластонита E' композитного материала, как правило, возрастает.

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

Температура / °C Массовая доля волластонита: a — 0%; b — 10%; c — 20%; d — 30%; e — 40%

f-50%; g-60%; h-70%

Рис. 4. Кривая зависимости E' чистого PA1010 и композитных материалов от температуры.

На рис. 5 показана зависимость модуля упругости E′ композитного материала при температуре стеклования Tg от содержания наполнителя — волластонита. Как видно из рис. 5, модуль упругости E′ композитного материала возрастает с увеличением доли волластонитового наполнителя. Модуль упругости чистого полиамида PA1010 при Tg составляет 0,93 ГПа, тогда как для композитного материала с массовой долей волластонита 70% этот показатель равен 4,43 ГПа, что на 376% выше соответствующего значения для чистого PA1010, что свидетельствует о выражённом армирующем эффекте волластонита по отношению к PA1010.

Добавление волластонита значительно повышает жёсткость ПА1010.

Рис. 5. Кривая зависимости E' композитного материала при температуре Tg от количества наполнителя — волластонита.

3 Conclusion

(1) Композитные материалы PA1010/волластонит были получены методом расплавного смешивания, при этом СЭМ-анализ показал равномерное диспергирование волластонита в матрице PA1010.

(2) С увеличением содержания наполнителя из волластонита показатель MFR композитного материала постепенно снижается, однако эксперименты по экструзии и литью под давлением показывают, что при массовой доле волластонита ≤70% композитный материал по-прежнему обладает хорошими технологическими свойствами при формовании.

(3) Добавление волластонита существенно повышает прочность и жёсткость ПА1010. По сравнению с чистым ПА1010 прочностные и изгибные свойства композитного материала значительно улучшаются: максимальное увеличение прочности при растяжении и модуля упругости при растяжении составляет 29% и 256% соответственно, а максимальное увеличение прочности при изгибе и модуля упругости при изгибе — 93% и 367% соответственно.

(4) Динамический модуль упругости композитного материала значительно возрастает с увеличением содержания наполнителя из волластонита, и при массовой доле волластонита 70% динамический модуль упругости при температуре стеклования повышается примерно на 376% по сравнению с чистым PA1010.

(5) Композитный материал PA1010, наполненный волластонитом, обладает хорошими комплексными эксплуатационными характеристиками; способ его приготовления прост и удобен в работе, а содержание волластонита в композите может достигать 70%, что позволяет значительно снизить стоимость композитного материала.