尼龙66高铁专用材料的研究

1、作者简介 :吴智强 , 男 , 1978年生 , 助理研究员 , 长期从事化工材料研究 , 特别是尼龙材料和橡胶材料 。wanggengmintju. edu. cn尼龙 66高铁专用材料的研究吴智强 , 王鑫 , 毛昆朋 , 吴绍利 , 李柱 , 王世海(中国铁道科学研究院金属及化学研究所 , 北京 100081摘要 :采用双螺杆挤出加工工艺 , 对尼龙 66材料增强增韧进行了研究 , 深入探讨了玻璃纤维 、 增韧剂及助剂等 材料对尼龙 66的性能影响 , 确定了合金复合尼龙材料的最佳工艺参数和配方 , 所制备的尼龙复合材料可以达到高铁 用尼龙材料的性能要求 。关键词 :尼龙 66; 高铁

2、; 玻璃纤维 ; 增韧剂 ; 性能 中图分类号 :TQ323. 6文献标识码 :A文章编号 :10055770(2012 01003203Research on Nylon 66Special Compound for High-speed RailwayWU Zhi-qiang , WANG Xin , MAO Kun-peng , WU Shao-li , LI Zhu , WANG Shi-hai(China Academy of Railway Sciences Metal Chemistry Research Institute , Beijing 100081, China Abs

3、tract :The property of reinforced and toughened nylon 66compounds was researched by means of ex-trusion technology on twin-screw extruderThe effect of glass fiber , toughing agents and additives on the property of nylon 66was studiedThe optimum processing parameter and formulation for the compound w

4、ere determinedThe nylon composite can be reached performance requirements of nylon material for high-speed railwayKeywords :Nylon 66; High-speed Railway ; Glass Fiber ; Toughing Agent ; Property尼龙材料作为一种力学性能优良而又比重小的特 殊工程塑料被大量应用于国外高速铁路 , 例如尼龙挡 板座 , 钢轨绝缘轨距块和岔枕用塑料套管等 , 已成为 轨道结构中第三大类材料 , 但是国内普通单牌号尼龙 材料难以

5、满足高速铁路的高强度 、 高耐久性等要求 。 随着我国高速铁路的快速发展 , 为了满足客运专线的 高承载 、 高质量 、 少维护的要求 , 铁路系统迫切需要 一种适合于我国高速铁路的尼龙材料 。 本文以尼龙 66为原料 , 通过合金工艺生产的尼龙合金复合材料 可以满足我国高速铁路对尼龙材料的要求 , 很好地解 决了上述问题 。1实验部分1. 1主要原料PA66:平顶山神马工程塑料有限公司 ; 玻璃纤 维 :美国 PPG 工业国际有限公司 ; 增韧剂 :马来酸 酐接枝 EPDM :MEPR-800, 南京德巴化工有限公司 ; 马来酸酐接枝 PE :GR320, 美国陶氏 ; 马来酸酐接枝 POE

6、 :LYIM1826, 上海朗裕实业有限公司 ; 马来 酸酐接枝 POE :MH7010, 三井化学株式会社 ; 硅烷偶联剂 :KH-550, 南京曙光化工厂 。 1. 2实验仪器及设备塑料注射成型机 :J98-AI , 震雄机械 (深州 有 限公司 ; 双螺杆挤出机 :CPM , 南京瑞亚挤出机械制造公司 ; 电脑拉力试验机 :DXXL-10000N , 上海德杰 试验设备厂 ; 冲击试验机 :XJJ-50, 承德市科承试验 机有限 公 司 ; 显 微 熔 点 测 定 仪 (控 温 型 :XT4A , 北京市科仪电光仪器厂 ; 电子天平 :ESJ200-4, 沈阳 龙腾电子有限公司 ; 洛氏

7、硬度计 :XHR-150, 上海材 料试验机厂 。1. 3 工艺流程和条件挤出温度 :260 290 ; 螺杆转速 :160 300r /min; 注塑温度 :260 290 1. 4性能指标高速铁路用尼龙材料性能如表 1所示 , 检测方 法 :拉 伸 强 度 :GB /T1040. 1 2006; 冲 击 强 度 :GB /T1043. 1 2008; 弯曲性能 :GB /T9341 2008;密 度 :GB /T1033. 1 2008; 洛 氏 硬 度 :GB /T3398. 2 2008; 熔点 :GB /T16582 2008。 2结果与讨论2. 1玻纤直径对 PA66机械性能的影响

8、玻纤直径对 PA66拉伸强度 、 弯曲强度和冲击强 度的影响如图 1和图 2所示 , 从图 1中可以看出 , 随 着玻纤直径的增加 , PA66的拉伸强度 、 弯曲强度和 无缺口冲击强度均降低 。 当玻纤直径达到 10m 时 ,无缺口冲击强度降低到 80kJ /m2。 图 1玻纤直径对 PA66拉伸强度和弯曲强度的影响 Fig 1Effect of glass fiber diameter on tensile strength andbending strength ofPA66 图 2玻纤直径对 PA66Izod 无缺口冲击强度影响 Fig 2Effect of glass fiber d

9、iameter on Izod impactstrength of PA66出现上述现象 , 可能是因为纤维内部和外部均存 在微裂纹 , 这是由于玻璃结构不均一性造成的 , 所以 纤维越粗 , 表面积越大 , 出现裂纹的几率越大 , 当施 加外力时 , 最薄弱区裂纹迅速扩展直至纤维断裂 , 纤维直径粗 , 表面积大就大大增加了纤维断裂的可能 性 , 因此纤维直径越细 , 纤维的强度越高 。 2. 2玻纤含量对尼龙 66机械性能的影响玻纤含量对 PA66拉伸强度 、 弯曲强度和冲击强 度的影响如图 3和图 4所示 。 从图 3可以看出 , 随着 玻纤含量的增加 , 体系的拉伸强度和弯曲强度呈线性

10、 上升趋势 , 当玻纤质量分数达到 30%时 , 拉伸强度 和弯曲强度上升趋势减缓 , 说明当玻纤和 PA66共混 时 , 能够形成有效的界面层 , 使应力在基体和界面之 间进行有效地传递 , 从而使基体得到增强 。 同时 , 实验发现随着玻纤含量的增大 , PA66的拉伸断裂伸长 率快速下降 , 见图 4, 当玻纤质量分数达到 10%时 , 拉伸断裂伸长率降到 10%以下 , 这可能是因为玻纤 的存在阻止基体中由剪切带和冷拉造成的流变 , 同时 玻纤在基体中引发应力集中 , 使微裂纹更易萌发 , 而 流变被阻止后 , 意味着裂纹将以更脆性的方式发展而 表现为断裂伸长率的降低。图 3玻纤含量对

11、 PA66弯曲强度和拉伸强度影响 Fig 3Effect of glass fiber content on bending strength andtensile strength ofPA66图 4玻纤含量对 PA66拉伸断裂伸长率和 Izod 无缺口冲击强度影响Fig 4Effect of glass fiber content on tensile elongation and Izod unnotched impact strength of PA66从图 4可以看出无缺口冲击强度随着玻纤含量的 增加先降低后增大 , 这可能是因为玻纤含量过低时 , 玻纤的增强效果较弱 , 而纤维的内

12、部缺口效应增加过 快 , 从而表现为冲击强度降低 。 当玻纤质量分数超过10%时 , 冲击强度开始增大 , 这可能是由于断裂要避 开纤维而增加能量吸收 , 同时也增加了纤维基体界 面的脱粘和纤维拔出的能量吸收 , 而纤维的内部缺口 效应增加缓慢 , 从而导致冲击强度提高 。 当玻纤质量分数在 35%时 , 无缺口冲击强度达到 88kJ /m2 , 符 合高铁技术要求 。 2. 3增韧剂的选定尼龙 66存在韧性低 、 耐寒性差的不足 , 改善尼 龙韧性是几乎所有尼龙合金改性的关键问题 。 一般用 于尼龙增韧的增韧剂主要是热塑性弹性体或橡胶弹性体的接枝物 , 即马来酸酐接枝 POE (POE-g-

13、MAH 、 马来酸酐接枝聚乙烯 (PE-g-MAH 和马来酸酐接枝 EPDM (EPDM-g-MAH 。 本文分别考察了三种增韧剂对 材 料 性 能 的 影 响 (工 艺 参 数 相 同 , 用 量 为 3份 , 结果见表 2。 由表 2可以看出 , 橡胶类弹性体 (马来酸酐接 枝 EPDM 增韧效果最好 , 主要是橡胶具有很高的韧 性 , 但是实验发现 , EPDM-g-MAH 增韧后材料流动 性变差 , 另外 , 由于橡胶增韧一般要经过硫化交联处 理 , 在用量较大时 , 会出现交联杂质累积在螺杆挤出机机 头 的 现 象 。 PE-g-MAH 增 韧 效 果 不 如 POE-g-MAH ,

14、 而 POE-g-MAH 增韧效果略逊于橡胶类弹性体 , 综合考虑 , 在尼龙合金增韧体系中 , 选用马来酸酐接 枝 POE 作为增韧剂 。 2. 4高铁用尼龙合金材料最佳配方及产品性能配方 :尼龙 61份 ; 增韧剂 3份 ; 玻纤 35份 ; 抗 氧剂及其 他 助 剂 1份 。 表 3是 高 铁 专 用 尼 龙 材 料 性能 。3结论1 通过对玻纤和增韧剂的研究 , 确定了尼龙合 金材料的基础配方 , 制备的尼龙材料性能符合高铁尼 龙材料要求 。2 确定了高铁用尼龙材料的最佳工艺参数及配方 , 成品检测合格 , 并已成功应用在高铁尼龙材料制品中 。参考文献1黄有松 增强增韧 PA66套管在

15、铁路岔枕中的应用 J 工程塑料应用 , 2002, 30(6 :23242TODD D B塑料混合工艺及设备 M 北京 :化学工业出版社 , 20023肖鹏 , 刘磊 耐候高强高韧 PA66复合材料的研究 J 塑料工业 , 2005, 33(12 :6769(本文于 20111017收到 (上接第 19页 2杜以波 , 段雪 阴离子型层柱材料研究进展 J 化学通报 , 2000(5 :20243KUILA T , ACHARYA H , SRIVASTAVA S K , et alEffect of vinyl acetate content on the mechanical and the

16、rmal properties of ethylene vinyl acetate /MgAl layered double hy-droxide nanocomposites J J Appl Polym Sci , 2008, 108(2 :132913354李秀娟 , 张波 , 石能富 , 等 聚合物 /水滑石纳米复材料的制备 、 结构表征及性能研究进展 J 化工新型材料 , 2009, 37(4 :17195赵维 , 张晓镭 有机硅改性丙烯酸树脂 /无机纳米复合材料的合成研究 J 中国皮革 , 2004, 33(15 :126MURAMATSU K , SABER O , TAGAYA HPreparation ofnew layered double hydroxide