玻璃纤维增强尼龙66长期老化性能研究：

尼龙(PA)作为五大工程塑料之首，具有优良的耐化学药品性、耐热性、耐磨性和力学性能。据统计，PA最大应用市场是汽车产业… ，而汽车发动机周边具有高温、化学物质复杂等特点，用作汽车功能件的塑料件必须满足耐高温和长期耐热老化等要求。

对于工程塑料的长期耐热老化性能测试，因为测试时间长，测试结果很容易受到以下因素影响，如烘箱类型，温度随时间的波动，温度随烘箱内部空间位置的波动，设置温度、显示温度和实际温度的差异，进风速度和换风速率等，因为有这些比较难控制的因素影响，导致最终测试结果很难有重复性 。ASTM D5510—94，ASTM D3045—92，ISO 188，ISO2578分别对烘箱类型、测试温度、试样摆放、试样间距都作了具体要求 。根据老化时间长、波动大的特点，本试验应用试验设计技术，设计33％ 玻璃纤维(GF)增强PA66复合材料在180℃ 下500、1 000、1 500、2000 h老化试验，并独创性地在烘箱内旋转试样，以此消除各种波动对最终结果的影响，从而获得具有对比意义的测试结果。

一 试验设计

根据需要，本试验采取一个4因子多水平的方案，并选取拉伸强度、断裂伸长率、无缺口Charpy冲击强度(简称冲击强度)作为响应，总共试验次数为6O次。

1）因子说明

本试验选取GF、PA66树脂、试样放置形式、老化时间4个因子，其中GF 3水平，分别是PPG昆山工厂PA专用GF HP3540(记为KS HP3540)，PPG嘉义工厂PA专用GF HP3540(记为CY HP3540)和PPG昆山工厂PA专用耐醇解级GF HP3610(记为KS HP3610)。PA树脂为2水平，分别是杜邦公司通用级PA66 101L和耐热老化级PA66 103HSL。试样放置形式为4水平，分别于烘箱中层的左、右靠两边位置静置两组试样，同时在中层保持一组试样旋转，在烘箱的下层静置一组试样。老化时间为4水平，测试在180~C下分别老化500、1000、1 500、2000 h的老化性能。

2 ）响应说明

本试验选取拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度作为响应，其中拉伸强度和断裂伸长率按ISO 527—2测试，测试速率为5 mm／min；冲击强度按ISO 179-1测试，试样尺寸为80 mm×10 mm×4 mm。

二 实验部分

1）原材料

GF：如1．1所述，GF选择PPG在不同工厂生产的产品，每个产品选择6个批次，然后将6个批次进行混合作为一种GF，分别为KS HP3540、CYHP3540和KS HP3610，PA66树脂：通用级PA66 101L和抗热老化级PA66 103HSL，杜邦新加坡工厂。

2）主要设备与仪器

双螺杆挤出机：W&P ZSK40型，L／D=40，德国Coperion公司；

注塑机：DEMAG ERGOTECH 50—200型，德国Demag公司；

老化烘箱：LC223型，日本ESPC公司；

万能材料试验机：5582型，美国Instron公司；

冲击试验机：IT504型，美国Tinius&Olsen公司；

扫描电子显微镜(SEM)：S一4700型，日本日立公司。

3）试样制备

短切GF通过失重秤由侧喂料口加入，PA66树脂由主喂料口加入，GF质量分数控制为33％ ，产量为45 kg／h，物料经过共混挤出后，拉条、冷却、切粒得到粒料，将此粒料干燥后注射成型，得到ISO标准试样，状态处理后测试干态力学性能，剩余试样放入老化烘箱，分别于500、1000、1500、2000 h后取出进行测试，具体挤出、注射成型工艺条件如表1所示。

三 结果与讨论

1）老化时间对力学性能的影响

将经过不同老化时间的试样进行力学性能测试，得到拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度试验数据，图1为在旋转情况下老化时间对拉伸强度和冲击强度的影响。

由图1可见，对于拉伸强度，老化时间越长，力学性能下降得越厉害，在老化2000 h后，对于未添加热稳定剂的PA66 101L，拉伸强度大致下降到50％左右，对于添加了热稳定剂的PA66 103HSL，拉伸强度始终处于缓慢下降过程，到老化2000 h后，拉伸强度还能保持70％以上，说明在PA66材料中加入热稳定剂，对材料的长期老化性能起至关重要的作用。通过使用JMP软件进行拟合，发现不管是何种树脂体系，其拉伸强度和老化时问都存在非常强的线性关系，显著性概率(P值，小于0．05为显著)都远小于0．0001。对于冲击强度，不管树脂是否加入热稳定剂，冲击强度都在老化500 h后迅速下降，然后非常缓慢地变化，特别是加入热稳定剂的树脂体系，冲击强度在老化500 h后变化非常缓慢，同样用JMP软件进行拟合，冲击强度和老化时间也具有非常强的线性关系，其P值也远远小于0．0001。

通过SEM观察老化前、后的拉伸试样断口的微观形貌，可以直接观察经过长时间老化后GF与树脂的界面粘结情况，如图2所示。

图2a和图2b为未加热稳定剂的PA66 101L在未老化和老化2000 h后放大200倍的SEM照片。在未老化的图2a中，GF和树脂结合紧密，GF拔出长度较短，试样所受的拉力能很好地通过树脂和GF界面传递到GF上，而在老化2000 h后(图2b)，GF拔出长度较长，个别GF拔出长度超过200 Ixm，说明经过长时间老化后，GF和树脂界面的作用力已经变弱，很难形成有效的力传递效果，最终导致力学强度下降。

四 结论

1）对于33％GF增强PA66体系，材料的力学性能(拉伸强度、冲击强度、断裂伸长率)与老化时间呈现出明显的线性关系，对于未添加热稳定剂的PA66基体，拉伸强度在老化1 000 h后迅速下降，在老化2000 h后仅为初始拉伸强度的50％ ，对于冲击强度，老化500 h即迅速下降。

2）在老化测试中，试样的放置方式将会对最终性能产生影响，因为微量的热差别，在长时间积累后，体现为拉伸、冲击强度的差距，而对试样进行旋转，是非常有效地消除这种差别的手段之一。

3）对于不同的基体树脂，老化结果具有明显差别，具体表现在添加了热稳定剂的PA66树脂具有更好的耐老化性能，GF和两种基体树脂的界面差别不是非常明显，但是基体树脂本身的老化分解差别表现得更加明显。

4）对于不同产地的GF HP3540，针对热老化的拉伸和冲击性能具有完全可替代性，耐醇解GFHP3610在热老化力学性能方面，也完全具有替代性。