pa-6ps共混體系融合縫的形態(tài)及力學(xué)性能

pa-6ps共混體系融合縫的形態(tài)及力學(xué)性能

注射制作是一種重要的加工方法，用于生產(chǎn)復(fù)雜的原材料。然而，在注射過程中，兩熔巖流或多熔巖流通常會形成融合縫，導(dǎo)致嚴(yán)重的產(chǎn)品缺陷。對聚合物共混物,由于融合縫處復(fù)雜的形態(tài),導(dǎo)致其性能大幅度下降,一些共混復(fù)合材料融合縫強(qiáng)度僅為本體強(qiáng)度的20%～30%,嚴(yán)重影響制品的使用壽命。盡管如此,理論上研究聚合物共混復(fù)合材料在注射成型中融合縫形態(tài)演變規(guī)律及相分離行為的研究報道甚少,遠(yuǎn)不適應(yīng)聚合物共混復(fù)合材料的迅速發(fā)展。以往的研究主要集中在加工條件,共混物組分的粘度以及共混體系的界面相互作用對融合縫形態(tài)和融合縫強(qiáng)度的影響。研究發(fā)現(xiàn),共混物在融合縫處出現(xiàn)相分離,分散相存在濃度梯度并平行于融合縫取向,產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致強(qiáng)度下降。但對其形成的機(jī)理以及共混物的粘度比對融合縫形態(tài)的影響尚有待深入研究。本文研究了尼龍6/聚苯乙烯共混體系粘度比對注射共混物樣條的融合縫形態(tài)及性能的影響,探討了形態(tài)的成因。1實驗部分1.1聚苯乙烯聚合物尼龍6(PA-6):33500,新會美達(dá)-DSM尼龍切片有限公司產(chǎn)品;聚苯乙烯(PS):PG-33,廣州奇美化工有限公司產(chǎn)品;甲酸:成都科龍化學(xué)試劑廠產(chǎn)品;甲苯:成都化學(xué)試劑廠產(chǎn)品。1.2進(jìn)料段至口模溫度將PA-6于85℃干燥12h除去水分,按一定比例與PS在雙螺桿擠出機(jī)中擠出造粒,進(jìn)料段至口模溫度分別為180℃、230℃、235℃、240℃。共混物PA-6/PS組分比分別為30/70、70/30(質(zhì)量比)。1.3無融合縫共混物在85℃干燥24h后于注射機(jī)注射成型,注射溫度和模具溫度分別為240℃和30℃,注射壓力為95×105Pa,注射時間和保壓時間分別為10s和20s。無融合縫的樣條由單澆口模具制得。有融合縫的樣條由雙澆口模具制得。1.4測試和性能1.4.1拉伸溫度對拉伸效果的影響拉伸實驗在INSTRON4302型萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行,拉伸速度為5mm/min,室溫。無缺口樣條的沖擊試驗在XJ-40A型沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行,室溫。1.4.2細(xì)管流變測定采用Goffert2002型高壓毛細(xì)管流變儀,測試溫度為240℃。在所測的剪切速率范圍內(nèi),PA-6的表觀粘度明顯高于PS的熔體粘度。1.4.3對pa-6/ps70/80拉伸斷面進(jìn)行刻蝕將樣條沿垂直于融合縫方向剖開。剖開的截面在金相拋光機(jī)拋光后,用甲酸對PA-6/PS(30/70)的拋光剖面進(jìn)行刻蝕,以刻蝕掉分散相PA-6相;用甲苯對PA-6/PS(70/30)的拋光剖面進(jìn)行刻蝕,以刻蝕掉分散相PS相。為觀察共混物PA-6/PS(30/70)拉伸斷面的形態(tài),用甲酸對斷面進(jìn)行刻蝕,以刻蝕掉分散相PA-6相。最后將刻蝕好的樣條經(jīng)真空噴金后,用HITACHI-S520型掃描電鏡觀察刻蝕后的剖面形貌。2結(jié)果與討論2.1取向形態(tài)具有保留由Fig.1可知,PA-6/PS(30/70)共混物中分散相在表層呈明顯的取向形態(tài),而在中心層為球形,即呈典型的殼-芯結(jié)構(gòu),這主要因為注射時熔體以噴泉流動的形式充滿型腔,分散相在表層受到的剪切應(yīng)力最大,中心層最小,因而導(dǎo)致分散相粒子在表層容易剪切變形,使分散相形成取向形態(tài),且表層由于靠近模壁而被快速冷卻,分散相粒子來不及解取向,因而取向形態(tài)能夠保留下來。中心層分散相因為受到的剪切力最小,且冷卻時間慢,因而以球形形態(tài)分布于連續(xù)相中。而由Fig.2可知,PA-6/PS(70/30)共混物的表層和中心層的分散相為球形,造成PA-6/PS(30/70)共混物本體形態(tài)不同于PA-6/PS(70/30)本體形態(tài)的原因在于PA-6/PS(70/30)共混物中PS分散相的熔體粘度小于連續(xù)相PA-6,PS熔體強(qiáng)度低,故注射成型過程中表層的PS分散相受到足夠大的剪切力使變形的PS相斷裂成更小的球形粒子,因此表層分散相呈球形且粒徑比中心層小。2.2“混合分散相”形態(tài)由Fig.3可看出PA-6/PS(30/70)共混物在融合縫區(qū)的形態(tài)不同于本體形態(tài)。根據(jù)分散相形態(tài)的不同,可將融合縫區(qū)分為表層、次表層和中心層。在表層,分散相較少且尺寸較小(Fig.3a);在次表層,融合縫附近的分散相粒子平行于融合縫取向,而融合縫處分散相粒子粒徑較附近的分散相粒徑小且為球形(Fig.3b);中心層,融合縫附近的分散相粒子也平行于融合縫取向,但取向程度較次表層小,融合縫處分散相粒子粒徑較附近分散相粒徑小且為球形(Fig.3c)。形成以上形態(tài)的主要原因為:在熔體以“噴泉流動”的方式進(jìn)行充模過程中,在熔體最前端剪切力最大,使分散相發(fā)生變形直至破碎,兩股料流相遇后最前端熔體形成融合縫,因此在融合縫處分散相粒徑尺寸小且為球形。兩股料流相遇后,融合縫附近的熔體在注射方向上流動受阻,因而以垂直于流動方向流動直至充滿型腔,因而在融合縫附近分散相沿平行于融合縫受拉伸應(yīng)力,造成融合縫附近的分散相粒子平行于融合縫取向。次表層由于靠近模壁,而被快速冷卻,分散相粒子來不及解取向,因而取向程度較大。由于在中心層分散相粒子受到拉伸應(yīng)力小且冷卻速度緩慢,分散相粒子有足夠時間松弛,所以取向程度小于次表層。從Fig.4可以看出,PA-6/PS(30/70)共混物在融合縫處的形態(tài)與其本體的形態(tài)相似,同時比較Fig.3和Fig.4可以看出,PA-6/PS(30/70)和PA-6/PS(70/30)共混物融合縫的形態(tài)有較大不同,PA-6/PS(70/30)共混物分散相在融合縫處的表層雖然也缺乏分散相(Fig.4a),但在次表層和中心層均無明顯的取向形態(tài),融合縫處分散相與融合縫附近的形態(tài)無明顯區(qū)別(Fig.4b、Fig.4c)。造成PA-6/PS(70/30)共混物這種形態(tài)的原因在于分散相PS的粘度小于連續(xù)相PA-6的粘度,分散相在充模過程中受剪切力更容易變形,最后破碎。從而造成分散相在融合縫附近以球形分布,形成不同于PA-6/PS(30/70)共混物的形態(tài)。由此可見,η分散相/η連續(xù)相對融合縫的形態(tài)有重要的影響。2.3拉伸斷裂樣條形態(tài)的分析由Tab.1所列數(shù)據(jù)可見,融合縫的存在使共混體系的力學(xué)性能大幅下降。為了研究兩種共混物的力學(xué)性能下降的原因,對共混物PA-6/PS(30/70)拉伸斷裂樣條剖面和斷面的形態(tài)進(jìn)行了研究。如Fig.5所示,斷面處分散相為取向形態(tài),與融合縫附近處的形態(tài)相似。因此共混物PA-6/PS(30/70)力學(xué)性能下降的原因在于融合縫附近的分散相粒子取向?qū)е聭?yīng)力集中,使樣品發(fā)生斷裂。而對于共混物PA-6/PS(70/30),由于融合縫處分散相形態(tài)與其附近的形態(tài)相似,因此由分散相形態(tài)導(dǎo)致的應(yīng)力集中應(yīng)相同。因此共混物PA-6/PS(70/30)力學(xué)性能下降的原因在于融合縫處分子鏈不能充分?jǐn)U散所致。3分散相/連續(xù)相(1)PA-6/PS(30/70)共混物本體呈典型的殼-芯結(jié)構(gòu),而PA-6/PS(70/30)則沒有類似形態(tài)。(2)η分散相/η連續(xù)相對融合