沙袋结构增韧PA6/EPDM-M/CaCO3三元复合材料力学性能影响因素与增韧机理研究

摘要

本论文以EPDM和EPDM-g-MAH的复配物为弹性体(记为:EPDM-M)和无机粒子CaCO3协同增韧PA6。对影响PA6/EPDM-M/-CaCO3复合材料力学性能的因素进行了正交分析;研究了CaCO3粒子表面形貌、拉伸速率和环境温度对PA6基复合材料性能的影响;通过SEM观察了弹性体包覆无机粒子的“沙袋结构”在PAL6基复合材料拉伸变形过程中的形态演变;从断裂能量和裂纹源面积大小的角度探讨了沙袋结构的增韧机理。主要研究内容和结果如下:
　　 正交设计分析得知CaCO3粒径是影响PA6/EPDM-M/CaCO3复合材料力学性能的最主要因素,纳米级的CaCO3容易被弹性体包覆形成“沙袋结构”,具有较好的增韧效果。在CaCO3粒径相同的情况下,表面经过球状或针状纳米级CaCO3修饰的CaCO3具有较大的比表面积,相对未修饰的CaCO3增韧的PA6基三元复合材料,冲击强度分别提高14％和44%。
　　 拉伸速率和环境温度对PA6及PA6基复合材料的力学性能有显著影响。室温下,随拉伸速率的增加,PA6/CaCO3没发生屈服现象,而PA6、PA6/EPDM-M、PA6/EPDM-M/nano-CaCO3(一步法)和PA6/EPDM-M/nano-CaCO3(两步法)体系都发生了屈服成颈现象,成颈变形能随拉伸速率的增加而降低。在固定的拉伸速率(50mm/min)下,上述五种体系的拉伸强度在不同的温度下发生突变,随温度升高急剧降低;在-15℃-55℃的范围内,PA6与PA6/CaCO3的冲击断面没有发现明显的变化。但环境温度对PA6/EPDM-M、PA6/EPDM-M/nano-CaCO3(一步法)和PA6/EPDM-M/nano-CaCO3(两步法)的冲击断面有明显影响,均在15℃时发生脆韧转变现象。
　　 在PA6/EPDM-M/nano-CaCO3(两步法)体系的拉伸变形过程中,塑性变形前体系内部形态没有发生明显的变化,塑性变形后到断裂时复合材料内部“沙袋结构”粒子沿拉伸方向产生形变,与树脂之间界面脱粘,沿拉伸方向产生大量的空穴,内部成纤,最终导致材料断裂。
　　 在单边缺口拉伸试验中,PA6/CaCO3均为脆性断裂;而PA6、PA6/EPDM-M、PA6/EPDM-M/nano-CaCO3(一步法)和PA6/EPDM-M/na-no-CaCO3(两步法)体系的总断裂能都随拉伸速率的增加而降低,且在不同的拉伸速率下发生韧脆转变现象。对室温下的冲击断面微观形态分析发现:PA6和PA6/CaCO3均表现为光滑的脆性断面,裂纹源面积较小;一步法体系因内部有较多团聚的CaCO3粒子诱发裂纹扩展,具有相对较小的裂纹源面积;PA6/EPDM-M和两步法体系都具有较大的裂纹源面积,其中两步法体系通过“沙袋结构”受力变形、内部微纤化,基体塑性变形耗散冲击能量的能力较强,表现出相对较高的冲击强度和断裂能量。