强度高，韧性好，成本还低的增韧尼龙6是这样操作的

Question

如题所述

Answer 1

这是塑料改性讲堂第2期分享。
01 背景介绍
尼龙6是应用最为广泛的尼龙材料之一，具有机械强度高、耐磨损、耐化学溶剂、熔点高、无缺口冲击强度好的优点。同时也具有尼龙材料的通病：吸水性高、缺口冲击强度差。
如何降低尼龙的吸水性、提高其缺口冲击性能？加入增韧剂是一个不错的选择。我们在第一讲《一文讲清尼龙增韧原理》中详细阐述了增韧剂提高尼龙韧性的原理。
加入增韧剂后，尼龙的缺口冲击强度会有显著提高，做到超韧尼龙也不是什么难事。但是韧性提高的同时，材料强度难免会降低。
本文介绍的就是如何在提高尼龙6韧性的同时，还能保持较好的机械强度（即强韧平衡），同时材料成本还得降低。
在尼龙6中加入增韧剂之所以难以实现强韧平衡，是由于加入的增韧剂都是弹性体改性的，如三元乙丙橡胶（EPDM）或者乙烯-辛烯共聚物（POE）的马来酸酐接枝物，这类材料本身强度就低，用它来提高尼龙6的韧性没有问题，再要求它良好的强度就勉为其难了。
02 成果速递
针对这一问题，印度博拉理工学院的Doddipatla教授认为，既然用弹性体来增韧尼龙很难保持材料的强度，那就用强度高于弹性体，但是比尼龙6低的材料作为增韧剂，而且这种材料还得比尼龙6便宜。可以想象，如果把这种材料用马来酸酐改性后，与尼龙6进行共混，材料的强度肯定高于用弹性体增韧的材料，有望实现强韧平衡的目标。
最终他们选择马来酸酐接枝改性的PP（PP-g-MAH）作为增韧剂，制备了PA6/PP/ PP-g-MAH三元共混物，实现了增韧尼龙6的强韧平衡。通过研究PP对共混物屈服强度、吸水性和冲击强度的影响，得出了如下重要结论：
 PP含量对三元共混物力学性能影响显著，低含量和高含量下对力学性能的影响截然不同；
 当PP含量低时（5wt%），UB和CB的室温缺口冲击强度分别比纯尼龙6提高了161%和124%；
 UB中PP含量小于10%时，共混物的屈服强度可以保持在40~50 MPa之间；CB中PP含量在更高的20~30%时，共混物的屈服强度依然可以保持在上述范围内；
 随着PP含量的增加，共混物吸水性最多可降低75%；
 共混物吸水后，UB和CB的屈服强度均比干态的结果要低20% 50%，在20 25 Mpa之间，而且在PP含量大于10%后基本不变；
 共混物吸水后，PP含量为5%和10%的UB共混物屈服强度最好，均大于20 MPa；PP含量在5~50%之间时，CB共混物的屈服强度均保持在20 MPa以上。
03 技术实现
研究者采用的原料如下：
 PA6，牌号GUJLON M28RC，熔融指数35 g/10 min（230℃，2.16 kg），厂家Gujarat State Fertilizer and Chemicals Ltd.,（印度）；
 PP，牌号H030SG，熔融指数3.4 g/10 min（230℃，2.16 kg），拉伸强度34 MPa，厂家Reliance Industries Ltd.,（印度）；
 PP-g-MAH，牌号OPTIM-408，接枝率1.375%，熔融指数50 g/10 min（190℃，2.16 kg），厂家PLUSS Polymers Ltd.,（印度）。
研究者采用的工艺如下：
 配方：PA6含量50 100%，PP含量0 50%，PP-g-MAH含量固定为4 phr；
 设备：双螺杆挤出机；
 挤出温度：170~235℃。
04 图文详解
图1为PP含量对干态和湿态情况下UB和CB共混物屈服强度的影响。
从图1可以看到，很明显干态情况下共混物的屈服强度远高于湿态的结果，除了PP含量为50%时（PP含量太高了），干态下UB和CB共混物的屈服强度在35~50 MPa之间，湿态则在17~25 MPa之间。
先说干态的屈服强度，UB共混物不加入增韧剂，只能在比较低的PP含量下，也就是5 10%之间时，屈服强度比较好，在45 50 MPa之间，PP含量再升高，机械强度就恶化了；CB共混物则不然，虽然在低PP含量下屈服强度不如UB高，但是PP含量越高，屈服强度反而增加，最终在PP含量大于20%后，屈服强度全面超过UB。
再说湿态的屈服强度，UB屈服强度随着PP的增加一路走低，虽然变化幅度要小得多，结论也是低PP含量下的性能好；CB的曲线更像是拷贝黏贴的，与干态的曲线几乎一模一样，PP含量越高，屈服强度越好。
图2为PP含量对UB和CB共混物吸水性的影响。
从图2可以看到，PP含量越高，共混物吸水性越低。在CB共混物中，PP含量在5~20%时，吸水性保持不变，为3.6%；PP增加到30%时，吸水性下降到1.4%。CB共混物的吸水性要低于UB，这是因为PP-g-MAH与PA6反应后降低了PA6中的自由-NH2的数量，所以吸水性更低。
图3为PP含量对UB和CB共混物冲击强度的影响。
从图3可以看到，在低PP含量下UB共混物的冲击强度要高于CB，高PP含量下CB的冲击强度更高，这与屈服强度的变化规律类似。
UB共混物中，当PP为5%时，冲击强度与纯PA6相比提高了161.9%，随后不断降低，直到PP增加到50%时才略有增加。
CB共混物中，PP含量10%和30%的冲击强度最高。与纯PA6相比，PP含量在5、10、20%和30%时，冲击强度分别增加33.4、110.1、41.1%和69.1%。一般来说，加入增韧剂可以提高尼龙的冲击强度，如果增韧剂过量，冲击强度反而会下降，如本文中5~10%的PP含量的结果。
05 内容总结
实现强度又好，韧性又高，价格还便宜的增韧尼龙材料是研究者追求的目标。印度博拉理工学院的Doddipatla教授以PP-g-MAH为增韧剂，制备了PA6/PP/ PP-g-MAH三元共混物，研究了PP含量对共混物屈服强度、吸水性和冲击强度的影响，发现：
 不加入相容剂的UB共混物中，PP含量为5%就可以实现材料的强韧平衡；加入相容剂的CB共混物，PP含量在30%时，材料也有很好的强韧平衡
 根据应用场景的不同，要改变共混物中PP和PP-g-MAH的含量：如果PA6用于湿度高的环境中时，PP含量要尽量低一些，因为这个时候要尽量表现出PA6的性能；当材料用于湿度低的环境中时，可以加入更高的PP，以降低成本，但这个时候加入相容剂非常有必要。
06 一张图概况全文
参考文献：
Sridhar A, Doddipatla P. Influence of PP content on mechanical properties, water absorption, and morphology in PA6/PP blend. Journal of Applied Polymer Science, 2019, 136(25): 47690.
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