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增容Nylon 6/ABS合金的结构及性能研究

秦舒浩  
【摘要】: 聚合物的共混改性对于获得综合性能较为理想的聚合物材料,提高其使用性能,改善其加工性能,满足某种特殊的需要,降低生产成本,均具有非常重要的意义。尼龙6(Nylon 6)与核-壳结构的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)合金化,既可保持原有聚合物的优良性能,又改进各自聚合物性能的不足,兼具优良的强度和韧性,是一种新型的高性能共混物。Nylon 6/ABS共混物的结构与形态很大程度上依赖于加工制备过程中的反应增容行为,研究其聚集态结构与性能关系及变形断裂机制,对于调控和优化材料性能具有重要理论价值和应用指导意义。 本文通过对苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)增容的Nylon 6/ABS共混物结构、形态、结晶及熔融行为、断口形貌、力学性能及增韧机理的系统研究,对不同组成的Nylon 6/ABS/SMA共混物变形与断裂行为进行了深入探讨,力求阐明各种影响因素,并试图提出界面粘接与增韧机理关系的新见解。论文研究取得以下主要结果: 首先利用双螺杆挤出共混方法制备了SMA增容的Nylon 6/ABS共混物。选择SMA作为Nylon 6/ABS共混物的增容剂是因为一方面SMA可与ABS的SAN壳相容,另一方面SMA的马来酸酐官能团可与Nylon 6发生反应。通过傅立叶变换红外光谱(FTIR)、差示扫描量热仪(DSC)、透射电子显微镜(TEM)、Hakke流变仪以及Molau测试等手段对共混体系的化学结构、相结构、流变行为、力学性能和结晶、熔融行为等进行了表征。结果证实,该体系发生了SMA与Nylon 6的原位增容反应,其反应产物对合金体系的相容性和力学性能均有明显影响,合金体系组分之间的相容性得到明显改善,力学性能得到较大程度的提高。制备了Nylon 6/ABS/SMA/有机蒙脱土(OMMT)共混物,发现OMMT可有效地改善共混物的加工性能,显著地提高共混物的拉伸强度、弯曲强度及弯曲模量,当OMMT含量低于2 phr时共混物缺口冲击强度仍能维持在超韧水平。 对Nylon 6/ABS/SMA及Nylon 6/ABS/SMA/OMMT共混物拉伸与冲击断口的观察发现:纯Nylon 6的拉伸断面可分为裂纹稳定扩展区、过渡区与瞬时断裂区。Nylon 6/ABS/SMA共混物拉伸断面可分为裂纹稳定扩展区与快速扩展区。SMA含量超过临界值后稳定扩展区相对面积明显减少,且使稳定扩展区相对面积明显减少的SMA临界含量随着共混物中ABS含量增加而增加。23℃时纯Nylon 6冲击断面由镜面区、放射区、裂纹阻止线及最后断裂区组成,而63℃的Nylon 6冲击断面光滑、平整,无明显的特征区。23℃时,Nylon 6/ABS/SMA(85/15/0.3)共混物断口呈明显的脆性断裂特征,Nylon 6/ABS/SMA(70/30/0.3)的冲击断口则呈明显的韧性断裂特征。随ABS含量增加,共混物断口显示越来越多的ABS断口形貌特征。对Nylon 6/ABS/SMA(70/30/0)共混物,随着温度增加,断面形貌可由23℃时的脆性特征变为28℃时的韧性特征。Nylon6/ABS/SMA/OMMT(75/25/0.6/2)共混物23℃时的冲击断面上可观察到许多垂直于裂纹扩展方向且互相平行的纤维状条纹线,其产生的原因可能是由于MMT片层的“扎钉”效应。随OMMT含量继续增加,Nylon 6/ABS/SMA/OMMT共混物的冲击断口呈明显脆性特征。 系统研究了测试温度及测试速率对Nylon 6/ABS/SMA共混物韧性的影响。结果显示,随着温度升高,冲击强度均有所提高,达到脆-韧转变温度后冲击强度急剧增加,材料由脆性断裂变为韧性断裂。超过脆-韧转变温度后,温度再继续升高,共混物的冲击强度维持在超韧水平。随着夹头移动速率的增加,共混物的裂纹引发功先减少后增加,裂纹扩展功的变化趋势则与裂纹引发功相反,随夹头移动速率增加而先增加后减少。共混物的裂纹引发功明显大于裂纹扩展功,在断裂功中居主导地位。 研究了形态和界面粘接对Nylon 6/ABS/SMA共混物脆-韧转变的影响。发现温度低于8℃时,当基体层厚度(ID)减小时,共混物的缺口冲击强度先缓慢增加;当ID小于临界值时,共混物缺口冲击强度急剧增加。然而,当测试温度处于13~23℃之间时,如要表现出超韧行为Nylon 6/ABS/SMA共混物需同时满足形态(ID<ID_c)及界面粘接的要求;当测试温度高于28℃时,共混物仅需满足形态条件,即使界面粘接强度不够也可发生脆-韧转变。Nylon6/ABS/SMA共混物的脆-韧转变既可在较小的基体层厚度、较低的温度下获得,也可以在较大的基体层厚度、较高的温度下获得。


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