玻璃纤维增强尼龙材料的影响因素有哪些？

聚酰胺俗称为尼龙(PA)，其主要特征为聚合物主链上含有大量的酰胺基团，这些酰胺基团相互之间易形成氢键，PA分子链之间作用力较强，因此，PA具有结晶度高、表面硬度大、化学稳定性好、拉伸和弯曲强度高、耐磨、耐热等特点。

但是，PA存在较多缺陷，其中，主要缺陷为外界环境的温度、湿度对PA的冲击强度、尺寸稳定性和吸水率等的影响较大。

纯PA材料很多情况下已经不能满足实际使用需求，因此，需要对其进行改性。

PA材料的改性通过添加无机改性剂或与其他聚合物共混制备合金，以满足高强度、耐磨、耐低温等的高性能需求。

与有机改性剂相比，无机改性剂具有更高的强度和热稳定性，使其成为PA的主要改性剂。改性PA的无机改性剂主要包括碳酸钙等无机粒子、玻璃纤维(GF)等纤维材料。

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GF不仅成本低，而且具有拉伸强度高、断裂伸长率低、弹性模量高等较好的力学性能及耐热和尺寸稳定等其他性能，是一种常用的性能较好的聚合物改性材料。

采用GF改性PA的研究较多，但是，已报道的各种PA/GF复合材料在力学性能、热性能等方面仍存在较大的差异，这是由于，PA/GF复合材料的性能除了受到PA和GF含量的影响以外，还受到其他很多因素的影响。

例如，GF与PA界面作用力(GF的表面处理、PA基体改性)、GF的直径、挤出机的螺杆组合、GF与其他无机填料协同作用等。

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文章基于以上因素对PA/GF复合材料的影响进行综述。

一、PA基体与GF的界面作用力对PA/GF复合材料性能的影响

1、玻璃纤维表面改性对PA/GF复合材料性能的影响

由于GF与PA树脂的极性差异较大，二者相容性较差，两者之间的界面作用力较弱，当受到外力作用时，GF和PA之间容易发生界面脱粘，严重影响GF对PA的增强作用。

因此，通常对GF进行表面有机化改性，改善GF和PA之间的相容性，提高GF和PA之间的界面作用力及GF在PA基体中的分散性。

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偶联剂是一种具有特殊结构的化合物，同时具有能与玻璃、水泥、金属等无机材料相互作用的基团及与合成树脂等有机材料相互作用的基团。可用于改善2种或多种物质间的相容性，应用领域十分广泛。

常用于GF表面改性的偶联剂主要为硅烷偶联剂，此外，钛酸酯偶联剂也被用于GF表面改性。

由于钛酸酯偶联剂遇水容易水解，产生大量气泡，而PA材料极易吸水，限制了钛酸酯偶联剂用于改性PA基体中的GF。

孙鹏等研究了硅烷偶联剂氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)水溶液浓度，以及不同种类硅烷偶联剂(氰乙基三乙氧基硅烷、KH550和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560))改性GF对PA6/GF复合材料性能的影响。
研究结果表明，1.5%的KH550水溶液改性GF制备的PA6/GF复合材料性能最佳。与KH550和KH560相比，氰乙基三乙氧基硅烷改性GF制备的PA6/GF复合材料性能较好。
但是，3种硅烷偶联剂改性GF均使PA6/GF复合材料的拉伸、弯曲和冲击性能得到了提升。这是由于，未处理的GF表面较光滑，容易从PA6基体中拔出，改性GF与PA6基体的界面作用力较大，拉伸断面呈现相互交错的形貌。

此外，工业上常用的GF表面改性剂常为多种物质的混合物，称为浸润剂。目前，常见的GF浸润剂成分较多，主要包含成膜剂、偶联剂、润滑剂、抗静电剂等，其中，成膜剂决定了浸润剂的质量中十分重要。

李翠红等合成了一种环氧树脂改性聚氨酯成膜剂用于改性GF，并制备了PA66/GF复合材料。结果表明，由于环氧基团的存在，该成膜剂改性的GF可与PA66树脂上的酰胺基团发生化学反应，GF与PA树脂的界面作用力显著升高，提升了PA66/GF复合材料的力学性能和耐水解性能。
采用硅烷偶联剂改性GF，并将其应用于PA复合材料中，但是，其改性效果较差。因此，近年来，研究人员通过合成新型的硅烷偶联剂或采用其他表面改性剂改性GF，并将其应用于PA基体中，以进一步提升GF和PA的界面作用力。
刘玉库等采用氰乙基三氯硅烷和乙酸酐合成了新型硅烷偶联剂(N1－A)，并用其对GF进行表面改性。
与孙鹏等的研究不同，与KH550改性PA的复合材料相比，当新型偶联剂N1－A仅为表面改性剂处理液的0.5%时，改性PA6/GF复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量明显较高。
这是由于，N1－A水解生成乙酸，在酸催化条件下，进一步生成酰胺基团和羧酸基团，生成的酰胺基团与PA6基体形成氢键，而羧酸基团可与PA6基体中酰胺键发生化学反应，提高了PA基体与GF的界面作用力。

实际上，硅烷偶联剂在使用过程中生成了易挥发的如甲醇、乙醇等小分子化合物，造成了一定的环境危害。

罗开强等基于贻贝黏附仿生原理，采用氧化/自聚的方法，将多巴胺成功包覆在GF表面，由于多巴胺表面具有较多极性基团，与PA基体之间形成强氢键相互作用，GF与PA之间形成了较强的界面作用力。
实验结果表明，GF对PA6的增强效果优于KH550改性GF，并且，该方法绿色经济，制备工艺较简单。

综上所述，无论是偶联剂还是其他表面改性剂，其主要目的均为改善GF与PA基体的界面作用力。GF与PA基体界面作用力的提升极大地改善了PA/GF复合材料的力学性能、耐水解性能等。

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2、尼龙基体改性对PA/GF复合材料性能的影响

提升PA/GF界面作用力，除了对GF进行表面改性以外，还可以对PA基体进行进一步改性。PA基体的改性主要包括在PA基体中添加增容剂或其他改性剂，这些改性剂能提升PA基体和GF之间的相互作用力，提高PA/GF复合材料的力学等性能。

邹利华等将马来酸酐接枝乙烯－辛烯共聚物(POE-g-MAH)作为增容增韧剂，加入PA6T/GF复合材料中，结果表明，当POE-g-MAH的含量为5%时，PA6T/GF复合材料的拉伸强度提升了约20%，弯曲强度提升了10%。

这是由于，POE-g-MAH链上的酸酐可与PA66分子链上的酰胺基团发生化学反应，也可与GF表面的羟基发生反应，提高了GF与PA66之间的界面作用力。

界面作用力较强的PA6T/GF/POE-g-MAH复合材料断面中GF表面较粗糙，这表明，GF与PA树脂之间的粘接较好。而界面作用力较差的复合材料断面中GF表面较为光滑，易于拔出。

综上所述，相容剂通过提高GF和PA的相互作用力提升了复合材料的力学性能。

除了增容剂以外，部分流动改性剂也可以改善PA基体和GF的界面作用力。

Dohyun等采用己二胺、十二亚甲基二胺、4，4’－亚甲基双(环己酰胺)分别与脂肪酸制备了3种流动改性剂HMDA、DMDA、MCHA用于改性PA66/GF复合材料。

添加流动改性剂后，不仅改善了PA66/GF复合材料的流动性，而且由于流动改性剂主链中含有酰胺键，与PA66和GF均能产生氢键作用，提高了GF与PA66基体的界面作用力，改善了GF在PA66基体中的分散性，提高了PA66/GF复合材料的拉伸强度和弯曲模量。

综上所述，无论是对GF表面改性还是对PA基体进行改性，均能改善GF与PA基体的相互作用力，从而改善了GF在PA基体中的分散性，提高了PA/GF复合材料的力学性能。

二、GF直径对PA/GF复合材料性能的影响

除了PA基体与GF的界面作用力以外，GF的特性也是决定PA/GF复合材料性能的一个重要因素。例如，GF的直径等尺寸、强度、模量等力学性能。目前，市场上GF的强度和模量相差较小，而GF的直径存在较大差异。已有研究表明，GF的直径对PA/GF复合材料的性能影响较大。