车用PA6、PA66干湿态力学性能研究

作者:东风汽车公司技术中心 李亦琛 高祥达 陈超 刘洲 文章来源:PT塑料网 发布时间:2018-07-27
聚酰胺(PA)6、66材料存在易吸水的缺点,为掌握PA6、PA66材料干湿态的性能差异,本文以不同品级的PA6、PA66材料为研究对象,对其干湿态的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和缺口冲击强度进行了比较和分析。

凭借比重低、抗拉强度高、耐磨、自润滑性好、冲击韧性优异以及易加工等优势,聚酰胺(PA)越来越多地替代金属而广泛用于汽车、机械工业、电子电器以及精密仪器等领域。目前,PA在汽车工业中消费比例位居前列,平均每辆汽车中PA制品的重量已超过15kg,而这其中PA6、PA66的使用最为广泛,常见于汽车发动机、吸气和冷却等系统。在实际应用中,纯PA制品的强度和刚性有限,因此常通过添加玻璃纤维(GF)、矿粉(MD)等填料来提高制品性能,以达到汽车零部件多样化的功能要求。PA6、PA66在汽车零部件中的应用分布如表中所示。

表中所示为PA6、PA66在汽车零部件中的应用情况

PA6、PA66分子链上含有极性很强的酰胺基团,可形成氢键,加上其分子结构较规整,易于结晶,因此具有很高的强度。然而,亲水性的酰胺基团有很强的吸水性,并显著影响了材料的力学性能。因此,为掌握PA6、PA66干态与湿态的性能特征及差异,本文针对不同品级的PA6、PA66材料进行了研究,分析了吸水平衡后的PA6和PA66的冲击、拉伸以及弯曲力学性能的变化。

试验条件

本文选取了汽车工业中常用的具有代表性的PA6和PA66材料,包括:纯PA66、添加了30%玻璃纤维的PA6、PA66(PA6-GF30、PA66-GF30),以及采用55%矿粉和玻纤混合填充的PA(PA6-MG55)。

然后,根据ISO 1110中的4.1操作对样条进行调湿处理,所用设备为高铁检测仪器(东莞)有限公司的GT-7039-L型浸水试验箱。拉伸强度按照GB/T 1040.2-2006标准进行,所用设备是美特斯工业系统(中国)有限公司的CMT4101型非金属拉力机,拉伸速率为50 mm/min,试样为I型哑铃形状,总长150mm。弯曲强度和模量按照GB/T 9341-2008标准进行,速率为2 mm/min,试样尺寸80mm×10mm×4mm。缺口冲击强度按照GB/T 1043.1-2008标准在23℃条件下进行,所用设备是承德精密试验机有限公司的XJC-25D型悬臂梁/简支梁冲击试验机,试样尺寸80mm×10mm×4mm,缺口类型为冲击缺口。

干湿态力学性能对比

1. PA6-MG55 

PA6-MG55试样的干湿态力学性能数据对比如图1所示。与干态相比,湿态PA6-MG55试样的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量有不同程度的下降,衰减率区间分别为29.8%~46.3%、33.7%~41.5%和29.6%~35.3%。常温缺口冲击强度略微上升,变化率为15.8%~21.4%。

PA6-MG55试样干湿态拉伸强度对比PA6-MG55试样干湿态弯曲强度对比
PA6-MG55试样干湿态弯曲模量对比PA6-MG55试样干湿态冲击强度对比
图1 PA6-MG55试样干湿态力学性能对比

导致拉伸性能和弯曲性能下降的原因,可能主要归结于当材料遇水后,基团中的部分羰基(C=O)与氨基(-NH2)中的氢脱离,与水分子形成氢键,导致部分链段断裂,造成分子量下降,从而使材料的拉伸性能和弯曲性能下降。而缺口冲击强度表征的是材料的韧性,普遍研究认为水分子只进PA6、PA66材料的非晶区域,吸水后分子链活动性增加,起到塑化增韧的作用,故冲击强度略有提升。

2. PA6-GF30 

PA6-GF30试样的干湿态力学性能数据对比如图2所示。与干态相比,湿态PA6-GF30试样的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量均有不同程度的下降,衰减率分别为42.1%~50.0%、43.1%~52.6%和38.5%~52.9%。常温缺口冲击强度显著提高,变化率为129.7%~194.6%。

PA6-GF30试样干湿态拉伸强度对比PA6-GF30试样干湿态弯曲强度对比
PA6-GF30试样干湿态弯曲模量对比PA6-GF30试样干湿态冲击强度对比
图2 PA6-GF30试样干湿态力学性能对比

将图2中各项数据分别与图1对比发现, PA6-MG55试样干湿态各项力学性能变化率均小于PA6-GF30试样,尤其是在冲击性能方面,前者变化程度约是后者的1/9,这是由于虽然两者基材都是PA6,但PA6-MG55基材中添加了一定比例的PPA材料,此材料分子链段中含有苯环,分子结构稳定,不易吸水,使材料力学性能的变化幅度减少。

3. PA66-GF30 

PA66-GF30试样的干湿态力学性能数据对比如图3所示。与干态相比,湿态PA66-GF30试样的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量均有不同程度的下降,衰减率分别为35.2%~39.2%、39.3%~40.2%和37.1%~42.3%。常温缺口冲击强度显著提高,变化率为71.4%~100.3%。

PA66-GF30试样干湿态拉伸强度对比PA66-GF30试样干湿态弯曲强度对比
PA66-GF30试样干湿态弯曲模量对比PA66-GF30试样干湿态冲击强度对比
图3 PA66-GF30试样干湿态弯力学性能对比

将图3中各项数据分别与图2对比发现,与PA66-GF30相比,PA6-GF30在拉伸性能、弯曲性能和冲击性能方面的干湿态变化程度大,说明PA6比PA66更易吸水降解。PA66是己二胺与己二酸通过缩聚反应制得,其主链上有12个碳原子,而PA6由己内酰胺单体开环缩聚得到,其主链上只有6个碳原子,碳原子越多,分子量越大,性质也越稳定。

4.PA66 

PA66试样的干湿态力学性能数据对比如图4所示。与干态相比,湿态PA66试样的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量均有不同程度的下降,衰减率分别为25.2%~41.2%、65.3%~67.7%和69.2%~69.6%。常温缺口冲击强度显著提高,变化率为54.0%~90.6%。

PA66试样干湿态拉伸强度对比PA66试样干湿态弯曲强度对比
PA66试样干湿态弯曲模量对比PA66试样干湿态冲击强度对比
图4 PA66试样干湿态力学性能对比

将图4中各项数据分别与图3对比发现,干湿态PA66在弯曲强度和弯曲模量方面的变化率比PA66-GF30的变化率大了约1倍,即在基材相同的情况下,填充玻纤能减少水对PA6、PA66材料刚性的影响。这一方面是因为PA6、PA66材料使用的玻纤普遍经过改性(马来酸酐接枝改性等),可以轻微降低PA6、PA66材料的吸水性,另一方面是因为玻纤具有较高的刚性。

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