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玻璃纤维增强尼龙复合材料

文章出处:徐州腾飞工程塑料有限公司   发布时间:2017-07-27 09:16:00    点击数:-   【

复合材料中的纤维增强体分无机纤维增强体和有机纤维增强体两大类。无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维及碳化硅纤维等;有机纤维包括芳纶、尼龙纤维及聚烯烃纤维等。

玻璃纤维是纤维增强复合材料中应用最为广泛的增强体。可作为有机高聚物或无机非金属及复合材料的增强材料。它具有成本低、不燃烧、耐热、耐化学腐蚀性好、拉伸强度和冲击强度高、断裂延伸率小、绝热性及绝缘性好等特点。作为非结晶型无机纤维,其主要成分时二氧化硅与金属氧化物。

世界上应用玻璃纤维对热塑性塑料进行增强改性始于50年代,1952年美国公司首先开始研制成功长玻璃纤维增强尼龙6,并与1956年实现了工业化生产。采用的是挤出包覆法,与电缆报包覆法及其相似。国内最先生产玻纤增强尼龙产品的是苏州塑料一厂,1969年以达到年产百吨生产规模。文献中介绍了利用聚合釜出料口处的树脂熔体,直接通过机头包覆玻纤长丝生产增强塑料的方法,此法节省了投资和能耗,也避免了树脂因挤出造粒而带来性能指标的下降,适合生产增强塑料品种时采用。但该工艺生产的增强塑料颗粒或者能够含单体量比挤出包覆法高,影响塑料制品的质量。

热塑性树脂经玻璃纤维增强后,强度、模量、冲击性能和耐热性能都得以全面的提高。纤维增强时,纤维长度是决定纤维增强复合材料主要因素之一。与短玻纤增强方式相比长玻纤增强尼龙的强度、模量、耐冲击性、耐蠕变性、耐疲劳性及耐磨、耐热性等均得以提高,从而进一步拓宽了其应用范围。长玻纤增强PA6在汽车、机械、电器、军工等领域有巨大的发展潜能。

玻璃纤维长度并不是决定纤维复合材料性能的唯一因素,树脂对纤维的浸渍状况、纤维在基体中的分布、纤维的含量以及纤维与基体的界面结合强度对复合材料的性能都存在重要的影响。玻纤在尼龙中起到骨架结构式的增强作用,当受到负荷时,由于玻纤轴向传递,应力被迅速扩散,阻止裂纹的增长,因此玻纤含量的增加,使尼龙的力学性能提高。它的加入使得纤维与基体树脂间的界面层中聚合物大分子链段运动受到的阻碍作用增加,材料的玻璃化温度提高,宏观上表现为热变形温度的提高。另外随着玻纤含量的增加,复合材料的熔体流动速率和断裂伸长率下降,而密度和硬度加大。这也说明材料抗压性能提高。但玻纤含量过多时,导致预聚体流动性降低,给制造工艺带来很大困难。文献认为在PA66体系中玻纤含量以30%为最佳,此时,PA66体系拉伸强度大于100MPa,缺口冲击强度大于9KJ/m²。高志秋等对长玻纤增强尼龙6复合材料进行研究得出在玻纤含量为32.2%,切粒长度为10mm时,复合材料的拉伸强度为208.4Mpa,弯曲强度为269.5Mpa,弯曲弹性模量为9.34Gpa。缺口冲击强度为29KJ/m²,冲击强度为63.4KJ/m²。力学性能明显优于短玻纤增强PA6复合材料。葛世荣等对玻璃纤维增强尼龙复合材料的摩擦学性能研究提出纤维质量分数介于25%-30%之间时增强效果较好。

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玻纤增强尼龙66与纯PA相比有如下优点:机械强度大,刚性好(弹性模量比PC大1倍以上);热变形温度比PA高50-60℃;尤其可贵的是耐动态疲劳性好,因为用作结构材料相当可靠;此外,其内应力很小,无应力开裂之虑。玻纤增强尼龙的不足之处是冲击韧性不如纯PA;由于玻纤的渗入使制件外观光泽欠佳,加工不慎还会出现明显的玻纤外露;特别是其成型收缩的各向异性,致使制件容易出现翘曲变形,这给成型加工及制件和模具设计都带来一定难度。

在玻纤复合材料中,玻璃纤维是主要的承力组分,由于波纤维是由分散在SiO2网状结构中的具有很强吸水性的碱金属氧化物混合组成,暴露在大气中的玻璃纤维表面会吸附一层水分子,当形成复合材料以后,存在于玻璃纤维-基体界面上的水既影响玻璃纤维与树脂基体粘合,又会破坏纤维并使树脂降解,从而降低复合材料的性能。所以其表面处理也成为复合材料制造的关键技术和重要工艺。通过表面处理可使玻纤与合成树脂间能形成牢固的结合,使其各种性能得以提高,一般的表面处理即指玻璃纤维表面用偶联剂进行处理以使能够与基体很好的结合。

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