A poliamida é comumente conhecida como náilon (PA), sua principal característica é que a cadeia principal do polímero contém um grande número de grupos amida, esses grupos amida são fáceis de formar ligações de hidrogênio entre si, e a força entre As cadeias moleculares de PA são fortes. Portanto, o PA tem as características de alta cristalinidade, alta dureza superficial, boa estabilidade química, alta resistência à tração e flexão, resistência ao desgaste, resistência ao calor e assim por diante.

No entanto, existem muitos defeitos no PA, entre os quais os principais defeitos são que a temperatura e a umidade do ambiente externo têm grande influência na resistência ao impacto, estabilidade dimensional e absorção de água do PA.

Em muitos casos, os materiais PA puros não atendem às necessidades reais de uso. Portanto, a modificação geralmente precisa ser considerada.

Modificação de materiais PA adicionando modificadores inorgânicos ou misturando com outros polímeros para preparar ligas para atender aos requisitos de alto desempenho de alta resistência, resistência ao desgaste, resistência a baixas temperaturas, etc.

Comparados aos modificadores orgânicos, os modificadores inorgânicos apresentam maior resistência e estabilidade térmica, tornando-os os principais modificadores do PA. Os modificadores inorgânicos para modificação de PA incluem principalmente partículas inorgânicas, como carbonato de cálcio e materiais de fibra, como fibra de vidro (GF).

GF não só tem baixo custo, mas também tem alta resistência à tração, baixo alongamento na ruptura, alto módulo de elasticidade, boas propriedades mecânicas, resistência ao calor e estabilidade dimensional e outras propriedades. Gf é um material modificado com polímero comumente usado com boas propriedades.

Existem muitos estudos sobre a modificação do PA pelo GF. No entanto, ainda existem grandes diferenças nas propriedades mecânicas e térmicas de vários compósitos PA/GF relatadas. Isso ocorre porque as propriedades dos compósitos PA/GF são afetadas por muitos outros fatores além do conteúdo de PA e GF.

Por exemplo, a força de interface de GF e PA (tratamento de superfície GF, modificação da matriz PA), o diâmetro de GF, a combinação de parafusos da extrusora e o efeito sinérgico de GF e outros enchimentos inorgânicos.

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Com base nos fatores acima, as influências dos compósitos PA/GF são revisadas neste artigo.


1. O efeito da força interfacial entre a matriz PA e GF nas propriedades dos compósitos PA/GF

1) Influência da modificação da superfície da fibra de vidro nas propriedades dos compósitos PA/GF

Devido à grande diferença de polaridade entre a resina GF e PA, a compatibilidade entre as duas é fraca e a força de interface entre as duas é fraca. Quando submetido a força externa, a desadesão da interface entre GF e PA é fácil de ocorrer, o que afeta seriamente o efeito de aumento do GF no PA.

Portanto, a modificação orgânica superficial do GF é geralmente realizada para melhorar a compatibilidade entre GF e PA, a força de interface entre GF e PA e a dispersão de GF na matriz de PA.

Agente de acoplamento é uma espécie de composto com estrutura especial, que possui grupos que podem interagir com materiais inorgânicos como vidro, cimento, metal e materiais orgânicos como resina sintética. Pode ser usado para melhorar a compatibilidade entre duas ou mais substâncias e tem uma ampla gama de aplicações.

O agente de acoplamento comumente usado para modificação de superfície GF é principalmente agente de acoplamento de silano; além disso, o agente de acoplamento de titanato também é usado para modificação de superfície GF.

Como o agente de acoplamento de titanato é fácil de hidrolisar em água, um grande número de bolhas é gerado e o material de PA é fácil de absorver água, o que limita a aplicação do agente de acoplamento de titanato para modificar GF na matriz de PA.

*Sun Peng et al. estudaram o efeito da concentração do agente de acoplamento de silano aminopropil trietoxissilano (KH550) em solução aquosa e a modificação de GF por diferentes agentes de acoplamento de silano (cianoetil trietoxissilano, KH550 e y-glicidil éter oxipropil trimetoxissilano (KH560)) nas propriedades de PA6/ Compósitos GF.

*Os resultados mostram que as propriedades dos compósitos PA6/GF modificados por solução aquosa de KH550 a 1,5% são as melhores. Comparado com KH550 e KH560, as propriedades dos compósitos PA6/GF modificados por cianoetil trietoxissilano são melhores.

*No entanto, as propriedades de tração, flexão e impacto dos compósitos PA6/GF modificados por três agentes de acoplamento de silano foram melhoradas. Isso ocorre porque a superfície do GF não tratado é lisa e fácil de retirar da matriz PA6. A força de interface entre a matriz GF modificada e PA6 é grande e a seção transversal de tração é intercalada.

Além disso, o modificador de superfície GF comumente usado na indústria costuma ser uma mistura de uma variedade de substâncias, chamada de infiltrador. Atualmente, o agente infiltrante GF comum tem muitos componentes, incluindo principalmente agente formador de filme, agente de acoplamento, lubrificante, agente antiestático, etc. Entre eles, o agente formador de filme determina a qualidade do agente infiltrante é muito importante.

*Li Cuihong et al. sintetizou um agente formador de filme de poliuretano modificado com resina epóxi para modificar GF e preparou compósitos PA66 / GF. Os resultados mostram que devido à presença do grupo epóxi, o GF modificado pode reagir quimicamente com o grupo amida na resina PA66, e a força de interface entre GF e resina PA é significativamente aumentada, o que melhora as propriedades mecânicas e a resistência à hidrólise do PA66/ Composto GF.

*GF foi modificado pelo agente de acoplamento de silano e aplicado a compósitos de PA, mas o efeito de modificação foi fraco. Portanto, nos últimos anos, os pesquisadores modificaram o GF sintetizando novos agentes de acoplamento de silano ou usando outros modificadores de superfície, e os aplicaram à matriz PA para melhorar ainda mais a força de interface entre o GF e o PA.

*Liu Yuku et al. sintetizou um novo agente de acoplamento de silano (N1-A) usando cianoetil triclorossilano e anidrido acético, e o usou para modificar a superfície de GF.

*Diferente do estudo de Sun Peng et al., em comparação com o compósito PA modificado KH550, quando o novo agente de acoplamento N1-A é apenas 0,5% da solução de tratamento modificador de superfície, a resistência à tração, resistência à flexão e flexão o módulo do compósito PA6/GF modificado é significativamente maior.

*Isso ocorre porque o N1-A é hidrolisado em ácido acético e, sob a condição de catálise ácida, grupos amida e grupos ácido carboxílico são formados posteriormente, e os grupos amida gerados formam ligações de hidrogênio com a matriz PA6, enquanto os grupos ácido carboxílico podem reagir quimicamente com ligações amida na matriz PA6, melhorando a força de interface entre a matriz PA e GF.

Na verdade, no processo de utilização do agente de acoplamento de silano, são gerados compostos voláteis de pequenas moléculas, como metanol e etanol, resultando em certos riscos ambientais.

*Com base no princípio biônico da adesão do mexilhão, Luo Kaiqiang et al. dopamina revestida com sucesso na superfície de GF pelo método de oxidação/autopolimerização. Devido à presença de muitos grupos polares na superfície da dopamina, uma forte interação de pontes de hidrogênio foi formada entre GF e a matriz PA, e uma forte força interfacial foi formada entre GF e PA.

*Os resultados experimentais mostram que o efeito de aprimoramento do GF no PA6 é melhor do que o do GF modificado pelo KH550, e o método é ecológico e econômico, e o processo de preparação é simples.

Em resumo, o objetivo principal dos agentes de acoplamento ou outros modificadores de superfície é melhorar a força interfacial entre a matriz GF e PA. As propriedades mecânicas e a resistência à hidrólise dos compósitos PA/GF são bastante melhoradas pelo aumento da força interfacial entre o GF e a matriz PA.

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2) Efeito da modificação da matriz de náilon nas propriedades dos compósitos PA/GF

Além da modificação da superfície do GF, a matriz PA pode ser modificada ainda mais aumentando a força da interface PA/GF. A modificação da matriz PA inclui principalmente a adição de compatibilizantes ou outros modificadores à matriz PA. Esses modificadores podem aumentar a força de interação entre a matriz PA e GF e melhorar as propriedades mecânicas dos compósitos PA/GF.

*Zhou Lihua et al. adicionou copolímero de etileno-octeno enxertado com anidrido maleico (POE-g-MAH) em compósitos PA6T / GF como agente de endurecimento de capacitação. Os resultados mostram que quando o teor de POE-g-MAH é de 5%, a resistência à tração dos compósitos PA6T/GF aumenta em cerca de 20% e a resistência à flexão aumenta em 10%.

Isso ocorre porque o anidrido ácido na cadeia POE-g-MAH pode reagir quimicamente com o grupo amida na cadeia molecular PA66 e também pode reagir com o grupo hidroxila na superfície do GF, aumentando a força de interface entre o GF e PA66.

A superfície do GF no compósito PA6T/GF/POE-g-MAH com forte força interfacial é áspera, o que indica que a ligação entre a resina GF e PA é boa. A superfície GF é lisa e fácil de retirar na seção composta com pouca força interfacial.

Em resumo, os compatibilizantes melhoram as propriedades mecânicas dos compósitos aumentando a força de interação entre GF e PA.

Além dos compatibilizantes, alguns modificadores de fluxo também podem melhorar as forças interfaciais entre a matriz PA e o GF.

*Dohyun et al. prepararam três modificadores de fluxo HMDA, DMDA e MCHA usando hexanodiamina, dodecametileno diamina, 4,4 '-metileno bis (ciclohexanamida) e ácidos graxos, respectivamente, para modificar compósitos PA66/GF.

*A adição do modificador de fluxo não apenas melhora a fluidez dos compósitos PA66/GF, mas também produz ligações de hidrogênio com PA66 e GF devido à presença de ligação amida na cadeia principal do modificador de fluxo, o que aumenta a interface força entre a matriz GF e PA66 e melhora a dispersão do GF na matriz PA66. A resistência à tração e o módulo de flexão dos compósitos PA66/GF são melhorados.

Em resumo, a força de interação entre GF e matriz PA pode ser melhorada modificando a superfície GF e a matriz PA, melhorando assim a dispersão de GF na matriz PA e melhorando as propriedades mecânicas dos compósitos PA/GF.

2. A influência do diâmetro GF nas propriedades dos compósitos PA/GF

Além da força interfacial entre a matriz PA e GF, as propriedades do GF também são um fator importante que determina as propriedades dos compósitos PA/GF. Por exemplo, o diâmetro do GF, como tamanho, resistência, módulo e outras propriedades mecânicas. Atualmente, a diferença entre a resistência e o módulo do GF no mercado é pequena e o diâmetro do GF é grande. Foi demonstrado que o diâmetro do GF tem grande influência nas propriedades dos compósitos PA/GF.

*As áreas de contato entre a resina GF e PA66 com diâmetros diferentes (15, 13, 11 e 10Î1⁄4m) foram calculadas teoricamente por Zhijian Zhang et al. Os resultados mostram que a proporção da área de contato entre a resina de matriz GF e PA66 é de 1:1,1 -1,3-1,5.

*Os resultados experimentais mostram que a resistência à tração e a resistência ao impacto dos compósitos PA66/GF aumentam com o aumento da área de contato entre GF e matriz. Isso ocorre porque quanto maior a área de contato entre a resina GF e a PA, maior será a força interfacial entre elas. Além disso, com o aumento do diâmetro do GF, a superfície do GF torna-se mais lisa e o "grau de dobradiça" com a resina diminui.

*Tang Youqian et al. estudaram as diferenças de desempenho dos compósitos PA6/30%GF com diferentes diâmetros GF, e os resultados são mostrados na Tabela 1. Como pode ser visto na Tabela 1, quanto menor o diâmetro do GF, maior a resistência à tração, resistência à flexão, flexão módulo e resistência ao impacto do material, e quanto maior a taxa de fluxo de fusão. No entanto, quando o diâmetro do GF é inferior a 10Î1⁄4m, seu preço aumenta bastante, o desempenho de custo é baixo e o valor de uso real é baixo.

3. A influência da combinação de parafusos no desempenho dos compósitos PA/GF

Além dos componentes compósitos PA/GF acima, a tecnologia de processamento também é um dos fatores que determinam o desempenho dos compósitos PA/GF. Entre eles, a combinação de parafusos para preparação de extrusora composta PA/GF é a mais influente.

Isso ocorre porque a combinação do parafuso determina em grande parte o comprimento e a dispersão do GF na matriz PA. Os resultados mostram que quando o comprimento do GF na matriz PA varia de 300 a 400Î1⁄4m, o efeito de fortalecimento e endurecimento do GF na matriz PA é melhor, e o efeito de fortalecimento e endurecimento do GF muito longo ou muito curto na matriz PA é fraco.

Isso ocorre porque o GF muito curto é difícil de penetrar na matriz, e o GF muito longo é difícil de dispersar uniformemente na matriz PA. De acordo com a ação do parafuso, a força de cisalhamento do parafuso tem grande influência no comprimento do GF. A combinação de parafuso de polímero reforçado com GF consiste em uma seção de alimentação, uma seção de fusão, uma segunda seção de alimentação, uma seção de mistura e uma seção de exaustão, na qual o comprimento do GF é afetado principalmente pela seção de mistura.

Para obter o comprimento adequado do GF e sua boa dispersão na matriz PA, a capacidade de cisalhamento do parafuso pode ser ajustada aumentando ou reduzindo o número de blocos de malha e ajustando a posição dos blocos de malha no parafuso. O método específico de combinação do parafuso deve ser determinado de acordo com o número do modelo da extrusora, a relação comprimento-diâmetro do parafuso e outros fatores.

Além dos blocos de malha, elementos roscados com formatos especiais, como placas dentárias e placas dentárias reversas, são eficazes na preparação de compósitos PA/GF. O elemento do disco de engrenagem pode melhorar a dispersão do GF e reduzir seu desgaste no GF.

Entre eles, devido à abertura da borda espiral do elemento de disco dentado SME, sua capacidade de transporte e capacidade de descompressão são reduzidas, e o grau de preenchimento do material na ranhura espiral é aumentado, o que prolonga o tempo de residência de o material. Portanto, o elemento da placa dentária é usado na combinação de parafusos, e a resistência à tração, a resistência à flexão e a resistência ao impacto do compósito PA66/GF são significativamente melhoradas.

*Chen Baiquan et al. projetou três combinações de parafusos para a seção de mistura da extrusora para preparar compósitos PA6 com alto enchimento GF.
Os resultados mostram que, usando 1 conjunto de blocos de malha grossa e 1 conjunto de elementos de mistura de dentes SME, e adicionando 2 conjuntos de combinação de parafusos de bloco de malha fina, combinados com a adição de alimentação do segundo lado GF, a uniformidade de dispersão de GF em o material compósito PA6/GF preparado é melhor e o comprimento está entre 300 ~ 500Î1⁄4m. As propriedades mecânicas dos compósitos PA6/GF são bastante melhoradas.

*Jiang Zhaoyin et al. aplicou a placa dentária reversa à preparação do parafuso composto PA66/GF e projetou uma variedade de combinações de parafusos.
A pesquisa mostra que, em comparação com o bloco de malha, a placa dentária reversa pode não apenas misturar PA66 e GF uniformemente, melhorar a eficiência do transporte, mas também reduzir adequadamente a resistência ao cisalhamento do parafuso, reduzir o grau de desgaste do GF sob fusão cisalhar, garantir o comprimento e a integridade do GF, reduzir os defeitos do material compósito PA66/GF e melhorar as propriedades mecânicas do material compósito.

O status da pesquisa acima mostra que os compósitos PA/GF com melhor desempenho podem ser obtidos usando a combinação de parafusos de bloco de malha, placa dentária e elementos de placa dentária reversa. Ao mesmo tempo, a combinação do parafuso está intimamente relacionada à posição de alimentação do GF, e as posições relativas do bloco de malha, da placa dentária e dos elementos da placa dentária reversa precisam ser ajustadas de acordo com o modo de alimentação do GF para obter o melhor parafuso cisalhamento.

4. O efeito do efeito sinérgico do GF e outras cargas inorgânicas nas propriedades dos compósitos PA

O GF desempenha um papel óbvio no aprimoramento das propriedades mecânicas do PA, mas também torna a matriz do PA quebradiça e a amostra aparentemente ruim.

As nanopartículas inorgânicas possuem uma grande área superficial específica e muitos sítios ativos na superfície, e podem ser modificadas por vários tipos de surfactantes para melhorar sua compatibilidade com materiais de PA. Por exemplo, as nanopartículas inorgânicas modificadas podem reagir quimicamente com os grupos amida dos materiais PA para produzir uma boa força interfacial, que é muito maior que a força de van der Waals.

Ao mesmo tempo, as cargas inorgânicas têm vários formatos, como granulados, em flocos, fibrosos, etc., e diferentes formatos de cargas inorgânicas têm diferentes efeitos de modificação. Portanto, as cargas inorgânicas podem melhorar os defeitos de desempenho dos compósitos PA/GF, e a modificação sinérgica do PA por cargas inorgânicas e GF pode melhorar ainda mais o desempenho dos compósitos PA/GF.

Em compósitos PA/GF, cargas inorgânicas em flocos, incluindo pó de talco e montmorilonita, são amplamente utilizadas.

*Yang Zhen et al. estudaram o efeito da proporção de talco e GF nas propriedades mecânicas do compósito PA66.

*Os resultados mostram que, em comparação com PA66 puro, PA66/30% de pó de talco e PA66/30%GF, a resistência à tração, à flexão e ao impacto dos compósitos é significativamente melhorada quando a proporção de massa de PA66/Talco/GF é 70/5 /25.

Isso se deve ao fato de que o talco e o GF estão uniformemente dispersos na matriz PA66. Quando o material é submetido a tensões, a concentração de tensões das partículas de talco leva à deformação da matriz PA e à formação de linhas de prata, que absorvem uma grande quantidade de trabalho de deformação.

Além disso, a orientação multiaxial do GF ao longo do talco lamelar torna o "esqueleto" do GF capaz de suportar maior estresse. GF e talco aproveitam ao máximo suas respectivas vantagens. Portanto, o efeito de aumento sinérgico do GF e do enchimento inorgânico na matriz de PA pode ser realizado adicionando-os apropriadamente. Este fenômeno também foi verificado no estudo de preparação de materiais compósitos de espuma PA6/GF/talco por Shen Chao et al.

Ao mesmo tempo, o talco tem um efeito lubrificante, pode reduzir o fenômeno da fibra flutuante de materiais compósitos e inibir a deformação empenada das amostras de injeção. Quando a proporção de massa de PA66/GF/talco é 70/10/20, as propriedades aparentes do compósito são significativamente melhoradas.

*Além disso, Hu Jin et al. utilizou montmorilonita orgânica (OMMT) para co-modificar PA66 com GF. Os resultados mostram que quando a relação de massa de PA66/GF/MMT é 100/25/7, a resistência à tração, resistência à flexão e resistência ao impacto dos compósitos PA66/GF/OMMT atingem o valor máximo, que é melhor que o dos compósitos PA66 com a adição de GF ou OMMT sozinho.

*Isso se deve ao fato de que a camada OMMT é removida e dispersa uniformemente na matriz PA66, e a OMMT atua como um agente nucleante na matriz PA66, o que melhora a cristalinidade do PA66 e, assim, melhora a resistência do compósito .

Além de cargas inorgânicas escamosas, alguns estudos usaram cargas inorgânicas aciculares e GF para co-modificar o PA.

*Ma e seus colegas prepararam compósitos PA6/GF/wollastonita por mistura por fusão, o que melhorou a resistência à tração e à flexão dos compósitos, e também melhorou as propriedades de superfície do PA6 reforçado com GF.

*GF pode melhorar significativamente o PA6, enquanto a volastonita pode reduzir o encolhimento do compósito. Quando a quantidade total de wollastonita e GF é de 30% (a proporção de massa de wollastonita para GF é 1â¶2), as propriedades mecânicas e de superfície do material são melhores.

Todos os estudos acima mostram que o compósito PA/GF pode ser modificado com flocos ou cargas inorgânicas aciculares e GF, o que pode proporcionar melhores propriedades mecânicas e aparentes dos compósitos PA/GF. Portanto, a modificação sinérgica do PA por cargas inorgânicas e GF tornou-se uma importante direção de pesquisa para compósitos PA/GF.

5. Conclusão

Em resumo, a literatura existente mostra que a força de interface entre GF e PA pode ser melhorada pela modificação da superfície GF e pela modificação da matriz PA, a dispersão de GF na matriz PA pode ser melhorada e as propriedades mecânicas e resistência à hidrólise dos compósitos PA/GF pode ser melhorado. Quanto menor o diâmetro do GF, melhores serão as propriedades mecânicas dos compósitos PA/GF, mas quanto menor o diâmetro do GF, maior será.

As propriedades mecânicas dos compósitos PA/GF podem ser significativamente melhoradas pelo uso racional de disco em formato de dente ou disco em formato de dente reverso e bloco de malha. As propriedades mecânicas do compósito PA modificado por outras cargas inorgânicas e GF são melhores do que aquelas modificadas apenas por GF. Além disso, outras cargas inorgânicas podem melhorar o fenômeno da fibra flutuante de GF na matriz PA e obter propriedades aparentes mais excelentes.

Atualmente, as principais direções de pesquisa de compósitos de PA modificados por GF são reforço, tenacidade, resistência ao calor, estabilidade dimensional, etc. No futuro, as direções de pesquisa de compósitos de náilon modificados por GF são as seguintes:

(1) Otimize os modificadores de superfície GF, concentre-se no desenvolvimento de modificadores de superfície novos e eficientes, melhore ainda mais a força interfacial entre a matriz e GF, melhore a dispersão de GF na matriz PA e obtenha compósitos PA/GF com maior resistência mecânica e térmica propriedades.

(2) Buscar melhor fluxo para melhorar a fluidez do processamento de compósitos PA/GF e reduzir a degradação da matriz PA durante o processamento.

(3) Otimizar a modificação sinérgica do PA por outras cargas inorgânicas e GF, esclarecer o mecanismo sinérgico do GF e cargas inorgânicas, melhorar o desempenho dos compósitos PA/GF e expandir a faixa de aplicação dos compósitos PA/GF.