PA6是当下应用领域最广泛的材料之一，仅在汽车配件中，该材料就可用于保险杠、座椅骨架、车头灯、风扇、散热器格栅、仪表盘托架等配件的制造。
但遗憾的是，PA6的吸水率较高，且低温冲击韧性和尺寸稳定性较差。所以当下最常见的方法是采用玻纤（GF）对PA6进行共混改性。
今天我们就一起来看GF体系下，PA6复合材料在力学性能方面的研究。
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GF含量对PA复合材料的影响
研究发现，纤维增强复合材料中，含量指标往往是最大的影响因素。
GF含量提高，材料单位面积上的GF数目就会增多，意味着GF之间的PA6基体就会变薄。这一变化，决定了GF增强PA6复合材料在冲击韧性、拉伸强度、弯曲强度等力学性能方面的变化。
冲击性能方面，GF含量的提高会大大增加PA6的缺口冲击强度，以长玻纤（LGF）填充PA6为例，当填充量提高到35%时，缺口冲击强度就由原本的24.8J/m提高到128.5J/m。
但GF含量并非多多益善，短玻纤（SGF）填充量达到42%时，材料的冲击强度达到最高点17.4kJ/㎡，但继续添加则会让缺口冲击强度呈现下降趋势。
弯曲强度方面，GF用量增大，GF之间的PA6树脂层会变薄，这就让弯曲应力能够通过树脂层在GF之间传递；同时GF从树脂中抽出或断裂时，都会吸收大量的能量，从而提高材料的弯曲强度。
实验验证了上述理论，数据显示：当使用LGF填充至35%时，弯曲弹性模量提高到了4.99GPa；SGF含量为42%时，弯曲弹性模量达到10410MPa，是纯PA6的5倍左右。
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GF保留长度对PA复合材料的影响
GF的纤维长度也会对材料的力学性能有明显的影响。当GF长度小于临界长度（刚能使材料具有原纤维抗张强度时的纤维长度），GF与树脂的界面结合面积随着GF长度的增加而增加，复合材料断裂时，GF从树脂中抽出的阻力也更大，从而提升承受拉伸载荷的能力；
当GF长度超过临界时，在冲击载荷作用下，较长的GF能够吸收更多冲击能量。此外，GF的端部是裂纹增长的引发点，长度较长的GF端头数量相对更少，冲击强度也能明显提升。
实验显示，当GF含量保持为40%时，GF长度从4mm增加到13mm后，材料的拉伸强度从154.8MPa提高到了164.4MPa；弯曲强度和缺口冲击强度分别提高了24%和28%。
不仅如此，国内学者研究表明，当GF原始长度在7mm以下时，材料性能的增长更加明显；且相对于SGF，LGF增强PA材料具有更好的耐外观翘曲性，且在高温高湿工况下能更好地保持力学性能。
03
GF种类对PA复合材料的影响
GF的种类与强度会对材料整体强度产生差异。目前，GF的主要种类有无碱GF、高强度GF以及抗碱GF等。
其中，单丝强度较高的GF品类承载力更强，国内学者高志秋等人的实验结果表明，高强GF增强的PA6比普通无碱纤维增强的PA6具有更好的力学性能。
由此可见，选择高强度、高长度、适当填充量的GF纤维能够有效帮助符合材料提高韧性、抗冲击性等力学性能。
了解了GF本身对PA复合材料可能产生的影响之后，另一大要素就是加工和成型过程中，不同的工艺选择对最终产品的影响——
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GF添加工艺对PA复合材料的影响
国外学者在研究GF与树脂共混中加料位置对材料性能影响时发现，GF加入较早的话，纤维容易被破坏，残余GF的长度也更小；加入较晚时，GF难以和树脂均匀共混，结合较弱。这两种情况都会让材料的整体性能大打折扣。
国内学者陈桂兰等人实验发现，使用侧加料加入GF更便于控制GF含量，且能减少纤维的折断。同时，在挤出造粒过程中，适当提高挤出温度，并降低挤出压力可以在一定程度上提高GF的长度。
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挤出工艺对GF增强PA材料的影响
实验证明，较低的挤出温度不利于GF的包覆浸润，而温度过高则会降低材料本身性能。所以在GF添加量较高时，挤出温度应当略高于聚合物的熔点，才能达成更佳的效果。
在使用螺杆挤出机制备GF增强粒料时，随着主机转速从70r/min增加到230r/min，材料的拉伸弹性模量、拉伸强度、弯曲强度、弯曲弹性模量等指标均逐渐增加，当主机转速再增加到270r/min时，材料的各项性能变化不大，或略有降低。
PA6+30GF 汽车水箱
此外，喂料速度会影响物料在螺杆中的停留时间。在主机转速不变的情况下，随喂料速度从8r/min上升到26r/min，复合材料的拉伸弹性模量、拉伸强度、弯曲弹性模量、弯曲强度，甚至冲击强度都逐渐降低。
因此，所以实际制备过程当中，需要在材料性能和产量之间进行适当选择，才可以得到产量较大，同时性能又相对较好的产品。
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注射成型工艺对
GF增强PA材料性能的影响
说完挤出，我们再看一下注射成型工艺。当采用两步法（先让GF与树脂基相互结合造粒，再以造出的粒料进行成型加工）制备GF增强PA6材料时，第二步通常会选择注射成型。
而注射过程中诸如料筒模具温度、螺杆转速、注射压力、保压压力、背压、注射速度等因素都会影响到成型产品的性能。
研究发现，GF增强PA6材料的拉伸强度与进料口的温度成正比，而与注射速度和螺杆转速成反比，其中，注射速度增加会使GF的断裂现象更严重。
07
总结
GF增强体系的尼龙材料逐渐成为了主流选材方案，无论是汽车、家电、电子电气行业，都更青睐于性能更好的GF增强尼龙。
通过上述内容，我们可以总结出如下几点提升GF增强PA6材料的关键要素：
- GF用量是首要因素
在0-35%的用量范围内，增加GF用量可以极为显著地改善PA6复合材料的力学性能；
- GF最终保留长度决定增强效率
GF初始长度的选择，以及加工过程中对GF的破坏程度共同决定了保留长度；
选用LGF，且在加工与成型过程中通过调节螺杆转速、控制GF加入位置等方法尽可能减少对GF的破坏，是提高GF增强PA6材料力学性能的要点；
- 加工工艺决定GF分散水平
保证GF能够均匀分散是重点，通过调节参数加强混炼过程的剪切作用、延长GF参与混炼的时间可以有效提高均匀性；
尽可能保证PA6基体中GF均匀分散对改善GF增强PA6材料的力学性能更有帮助。
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