GF玻纖增強(qiáng)尼龍6具有優(yōu)異的性能，在汽車、機(jī)械、電器、軍工等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種應(yīng)用領(lǐng)域?qū)A6材料的要求越來(lái)越高。因此，進(jìn)一步研究PA6的GF填充改性，使其具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能是近年來(lái)研究者廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。

材料結(jié)構(gòu)與組分對(duì)力學(xué)性能的影響

GF玻纖增強(qiáng)尼龍6是一種典型的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂材料，也有著這一類材料許多共同的特點(diǎn)。GF種類、含量、長(zhǎng)度及界面狀態(tài)等顯著影響GF增強(qiáng)PA6復(fù)合材料的力學(xué)性能。

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GF玻纖含量的影響

在影響GF玻纖增強(qiáng)尼龍6的力學(xué)性能的幾大因素中，玻纖含量的影響最大。從材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析，玻纖量增大后，材料單位面積截面上的玻纖數(shù)目增多，玻纖間的尼龍6基體變薄，這一結(jié)構(gòu)變化決定了力學(xué)性能發(fā)生改變。

在沖擊性能方面，GF的大量加入會(huì)改變PA6缺口沖擊的過(guò)程，隨著單位面積截面中的GF量增多，PA6的裂紋擴(kuò)展越來(lái)越明顯地受到GF阻礙，這使得材料受沖擊而被完全破壞的過(guò)程變得困難；同時(shí)，纖維抽出與纖維斷裂的發(fā)生率也因GF量的增多、PA6樹(shù)脂層的變薄而提高，這對(duì)復(fù)合材料整體吸收沖擊能量幫助很大。但是，GF的存在也限制了PA6基體樹(shù)脂的變形能力，弱化了復(fù)合材料通過(guò)基體樹(shù)脂變形來(lái)吸收沖擊能量的作用，因此，在GF大量存在的情況下，進(jìn)一步增加GF量也會(huì)對(duì)復(fù)合材料的沖擊性能造成負(fù)面影響。

PA6復(fù)合材料受到拉伸應(yīng)力時(shí)，GF與PA6基體存在形變差異，GF承載大部分應(yīng)力，而PA6受到GF的約束，這導(dǎo)致GF的兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，同時(shí)在纖維徑向范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)小于平均應(yīng)力的橢圓形區(qū)域，這減小了PA6基體中的平均應(yīng)力。GF用量提高后，GF之間的PA6層變薄，GF承載了更高的應(yīng)力，而PA6基體的承載應(yīng)力下降，因此，GF用量增大使得PA6復(fù)合材料的彈性模量、屈服應(yīng)力均會(huì)有較大幅度的提高。

在彎曲強(qiáng)度方面，隨著PA6基體中GF用量增大，GF間的樹(shù)脂層變薄，作用在復(fù)合材料上的彎曲應(yīng)力很容易通過(guò)樹(shù)脂層在GF之間傳遞，樹(shù)脂的形變也受到GF的約束，因而復(fù)合材料的彎曲彈性模量也隨之增大；同時(shí)，GF填充量的增多使材料中有更多的GF來(lái)承載施加的彎曲負(fù)荷，這些GF從樹(shù)脂中抽出或斷裂，均能吸收大量的能量，因而提高了復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。

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GF與PA6界面作用的影響

GF與PA6之間的界面結(jié)合作用強(qiáng)弱對(duì)復(fù)合材料的整體性能也有重要影響。

根據(jù)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的基礎(chǔ)理論，GF填充PA6材料中，PA6樹(shù)脂基體起到粘接作用，把分散的GF綁定成整體，而GF主要起到應(yīng)力承載作用，GF與PA6樹(shù)脂間的界面起到了傳遞應(yīng)力的作用，界面結(jié)合作用的強(qiáng)弱直接決定了應(yīng)力傳遞的效果。如果界面結(jié)合強(qiáng)度足夠大，則應(yīng)力的傳遞效率很高，復(fù)合材料內(nèi)部各組分的承載均勻性足夠好，因此PA6復(fù)合材料的力學(xué)性能就會(huì)更大程度受到GF這一增強(qiáng)相的影響，呈現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。

但GF是一種典型的無(wú)機(jī)材料，而PA6是有機(jī)材料，二者極性差異大，相容性不佳，這導(dǎo)致共混過(guò)程中未經(jīng)改性的GF難以被PA6有效浸潤(rùn)，進(jìn)而使GF與PA6界面結(jié)合作用較弱，最終導(dǎo)致復(fù)合材料性能不佳。

在共混前或共混過(guò)程中對(duì)GF進(jìn)行表面接枝改性是改善GF與PA6界面結(jié)合作用的重要方式，所使用的GF表面接枝物一般為有機(jī)–無(wú)機(jī)兩親性化合物，這類化合物能夠接枝在GF表面，也與樹(shù)脂基體發(fā)生物理纏結(jié)或化學(xué)接枝，進(jìn)而在GF與樹(shù)脂之間構(gòu)建一種強(qiáng)界面結(jié)合作用。硅烷偶聯(lián)劑、馬來(lái)酸酐接枝的聚烯烴等都具有上述機(jī)制，因此被廣泛用作改善GF與PA6界面結(jié)合作用的助劑。

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GF保留長(zhǎng)度的影響

GF在PA6中的保留長(zhǎng)度也對(duì)材料力學(xué)性能有明顯影響。纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的基礎(chǔ)理論有著臨界纖維長(zhǎng)度的概念，也就是復(fù)合材料中剛能使材料具有原纖維抗張強(qiáng)度時(shí)的纖維長(zhǎng)度。

理論上，GF長(zhǎng)度小于臨近長(zhǎng)度時(shí)，隨著GF長(zhǎng)度增加，GF與樹(shù)脂的界面結(jié)合面積增大，復(fù)合材料斷裂時(shí)，GF從樹(shù)脂中抽出的阻力加大，從而提高了承受拉伸載荷的能力；同時(shí)，GF長(zhǎng)度的增加，可能使部分GF的長(zhǎng)度達(dá)到臨界長(zhǎng)度，當(dāng)復(fù)合材料斷裂時(shí)伴隨著更多GF的斷裂，同樣使承受拉伸載荷的能力提高。

在承受彎曲載荷的情況下，復(fù)合材料承載面受壓，背面受拉，彎曲性能對(duì)GF長(zhǎng)度的依賴關(guān)系與拉伸性能的情形基本一致。

在沖擊載荷作用下，較長(zhǎng)GF的抽出或斷裂可吸收大量沖擊能，從而使復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度明顯提高。另外，GF的端部是裂紋增長(zhǎng)的引發(fā)點(diǎn)，較長(zhǎng)GF端頭數(shù)量相對(duì)較少，也使沖擊強(qiáng)度提高。

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GF種類的影響

作為材料的主要受力相，GF本身的種類與強(qiáng)度必然會(huì)對(duì)材料的整體強(qiáng)度帶來(lái)顯著影響。

不同牌號(hào)的GF化學(xué)組分會(huì)有所不同，加工方法亦會(huì)有差異，導(dǎo)致GF的長(zhǎng)徑比與表面結(jié)構(gòu)都會(huì)有一定差異，以此衍生出了包括無(wú)堿GF、高強(qiáng)GF、抗堿GF等GF品種。

顯而易見(jiàn)的是，單絲強(qiáng)度較高的GF承載能力更強(qiáng)，因此，具有單絲強(qiáng)度高的高強(qiáng)GF在增強(qiáng)PA6時(shí)，效果更加明顯。

綜上，選擇高強(qiáng)GF、保持GF長(zhǎng)度、增加GF填充量、在GF與樹(shù)脂間構(gòu)建剛性的化學(xué)界面有助于提高GF增強(qiáng)PA6復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度。同時(shí)，GF填充量的增多還有助于PA6復(fù)合材料韌性的提高，除此之外，使用具有物理纏結(jié)作用的界面助劑，對(duì)復(fù)合材料韌性的提高也有重要幫助。

加工過(guò)程對(duì)力學(xué)性能的影響

GF增強(qiáng)PA6復(fù)合材料體系中的殘余GF長(zhǎng)度、GF在基體中的分散、取向等必然直接影響著增強(qiáng)改性的效果，這些因素不僅取決于原料的選擇，還取決于所選用的混合設(shè)備及混合工藝，合理選擇設(shè)備與工藝是進(jìn)行GF增強(qiáng)改性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

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制備工藝

目前，GF增強(qiáng)的熱塑性塑料通常采用兩步法加工成型，即：先使GF與樹(shù)脂基體相互結(jié)合并造粒，然后再以造出的粒料為原料進(jìn)行成型加工。

兩步法中粒料的制備方面有包覆法和混合法兩種方案可供選擇。相比而言，目前混合法的應(yīng)用更加廣泛，對(duì)于混合法制備GF增強(qiáng)PA6材料的研究也更充分。

本質(zhì)上，加工參數(shù)直接影響的是GF在PA6樹(shù)脂中的填充與分散狀態(tài)，進(jìn)而影響GF增強(qiáng)PA6材料的力學(xué)性能。因此，采用混合法制備GF增強(qiáng)PA6粒料時(shí)，加料方法、GF加入位置、排氣情況、造粒速度、主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速、擠出溫度等工藝參數(shù)都會(huì)影響材料的最終性能。

保持GF增強(qiáng)PA6材料性能優(yōu)異的主要設(shè)計(jì)思路，是保證GF在PA6中均勻分散且與PA6充分結(jié)合，同時(shí)減少GF在加工過(guò)程中出現(xiàn)的表面與整體結(jié)構(gòu)破壞。

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GF加入工藝

★GF加入較早，則GF受剪切作用明顯，GF被嚴(yán)重破壞，殘余GF長(zhǎng)度較小，對(duì)材料整體性能不利；GF加入較晚，則GF不易與樹(shù)脂均勻共混，與樹(shù)脂結(jié)合也較弱，從而影響材料整體性能。因此，設(shè)置GF合理的加入位置對(duì)提高GF增強(qiáng)樹(shù)脂的效果有明顯幫助。

★使用側(cè)喂料加入GF更容易穩(wěn)定喂料及控制GF含量，同時(shí)還能減少纖維的折斷，實(shí)現(xiàn)材料性能的提高。

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擠出工藝

★較低的擠出溫度不利于GF的包覆浸潤(rùn)，容易發(fā)生斷裂；而過(guò)高的擠出溫度則會(huì)降低聚合物本身的性能。當(dāng)加入GF含量較高時(shí)，擠出溫度應(yīng)略高于聚合物熔點(diǎn)。

★擠出機(jī)主機(jī)轉(zhuǎn)速增加，材料的強(qiáng)度及模量增加。在主機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，喂料速度增加，材料的力學(xué)性能降低，所以實(shí)際制備過(guò)程當(dāng)中，需要在材料性能和產(chǎn)量之間進(jìn)行適當(dāng)選擇，才可以得到產(chǎn)量較大，同時(shí)性能又相對(duì)較好的產(chǎn)品。

★同向嚙合雙螺桿和Buss Kneader等較為溫和的螺桿構(gòu)型可減少GF增強(qiáng)體系中的纖維折斷，但是混合能力稍弱；而異向嚙合雙螺桿擠出機(jī)對(duì)GF的剪切破壞最為嚴(yán)重，但混合混煉能力較強(qiáng)。

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注射成型工藝

兩步法制備GF增強(qiáng)PA6材料中的第二步成型工藝通常會(huì)采用注射成型，該成型過(guò)程的工藝參數(shù)也一定程度上影響著最終制品性能的好壞。

★材料的拉伸強(qiáng)度與進(jìn)料口溫度成正比，與注射速度和螺桿轉(zhuǎn)速成反比。

★注射速度增加會(huì)使GF斷裂更為嚴(yán)重，而制品的沖擊強(qiáng)度對(duì)注射速度較為敏感；背壓的提高也會(huì)導(dǎo)致GF長(zhǎng)度下降，而保壓壓力對(duì)最終制品中的殘余GF長(zhǎng)度影響較小。

★使用注射成型工藝可以制備GF呈取向結(jié)構(gòu)的制品，當(dāng)纖維取向與應(yīng)力方向相同時(shí)，材料的拉伸彈性模量最大，而斷裂伸長(zhǎng)率最小；當(dāng)纖維取向與應(yīng)力方向垂直時(shí)，材料的拉伸彈性模量最小，而斷裂伸長(zhǎng)率最大。

促使GF在PA6樹(shù)脂中均勻分散是保證GF增強(qiáng)PA6材料性能優(yōu)異的第一要素；在此基礎(chǔ)上，盡可能保持GF的長(zhǎng)度與結(jié)構(gòu)完整是進(jìn)一步改善GF增強(qiáng)PA6材料性能的重要因素。GF與PA6樹(shù)脂的混合過(guò)程中，設(shè)備選擇與各工藝參數(shù)的確定需要綜合考慮產(chǎn)率–GF分散狀態(tài)–GF結(jié)構(gòu)保持等三方面因素，根據(jù)具體要求選擇相應(yīng)參數(shù)；而GF增強(qiáng)PA6材料加工成型過(guò)程中，則需要在保證成型完整的情況下，盡可能減少對(duì)GF結(jié)構(gòu)的破壞。此外，在加工成型過(guò)程中實(shí)現(xiàn)GF取向就能夠制備單一方向上性能極為突出的各項(xiàng)異性制品。