玻纤增强高温TPI

作者：沙特基础工业公司 Daniel F. Lowery

欢迎访问e展厅 展厅 1 工程塑料展厅 聚乙烯(PE), 聚苯乙稀PS, 聚酰亚胺PI, 聚酰胺PA, PA66塑料(尼龙), ... 近期市场对高温热塑性塑料的关注，推动了热塑性聚酰亚胺（TPI）的发展。本文引用的TPI指的是一种玻璃化转变温度（Tg）达267℃的聚酰亚胺。这种树脂已经成功应用于汽车、半导体和电子绝缘行业。它具有杰出的阻燃、低烟和无毒性（FST）、俄亥俄州立大学（OSU）热量释出测试性能和良好的耐溶剂性能，因此也被指定用于航空航天领域。 玻璃纤维增强热塑性聚酰亚胺近期已经商业化，满足了市场对高强度热塑性塑料的需求。该材料可注塑成型，具有较高的使用温度，同时还可保持物理完整性。未增强TPI也已经商业化，据报道可以达到这一标准。不过如果需要较高的强度和模量，则使用玻璃纤维增强材料更为可取。 在热塑性塑料中添加玻璃纤维已经很多年了，众所周知它对机械性能会有所帮助。不过添加玻璃纤维经常会抑制热塑性塑料的熔体流动，从而降低其填充薄壁部件的能力。使用流动性助剂可以提高加工性能，但流动性助剂也会影响热性能，并加速降解。另外这类新型热塑性聚酰亚胺所需的熔融温度较高，有几种流动性助剂在这一温度下不能保持热稳定。如果不牺牲机械性能，则可以通过降低聚酰亚胺的分子量来改善熔体流动。 本文描述了玻璃纤维增强、高温无定形热塑性聚酰亚胺的发展，它具有良好的熔融流动性，以及大多数连接器用途可接受的机械性能。 材料 Extem®XH2315热塑性聚酰亚胺由位于印第安纳州Mount Vernon的沙特基础工业公司创新塑料部生产，作为这一研究开发工作的材料。产品XH2315的玻璃纤维含量为30%（重量含量），熔融指数（MFR）为0.5g/10min，6.6kg，367℃。树脂的热变形温度为254℃（1.82MPa，3.2mm）。本研究工作集中在不含着色剂的天然树脂（可定制颜色）。 实验 标准ASTM部件的注塑成型（拉伸，阻燃和悬臂梁）在一台120吨Van Dorn注塑机上完成。粒料在成型前至少在163℃（325 °F）下干燥8小时。注塑机沿料筒的温度梯度设定为400℃（750°F），油加热模具设定为163℃（325°F）。螺杆速度为50RPM，而注塑速度则为1 英寸/秒。这些都是Extem®XH树脂的典型成型条件。Extem加工指南所指定的注塑条件如表1所示。 根据ASTM标准，使用3.2mm成型样品，在23℃和相对湿度50%条件下至少放置48小时，然后测试其标准物理性能如弯曲、拉伸、热变形温度和悬臂梁冲击强度。4g粒料在175℃ 下干燥，然后在367℃/6.7kg下测试熔融指数。毛细管流变性能根据相应的工业标准ISO11443:2005：塑料-用毛细管和狭缝流变仪测定塑料的流动性进行测试。 讨论 表2所示为收集并概括的标准机械、冲击和热性能数据，并将这些数据与其它玻璃纤维增强高温热塑性塑料如Ultem ®聚醚酰亚胺（Tg 217℃）进行比较。如果与玻璃纤维填充聚醚酰亚胺相比，它保持了所有的机械和冲击性能，而热性能有所提高，玻璃化转变温度、维卡软化温度和热变形温度都比玻璃纤维填充聚醚酰亚胺高约50℃。不过玻璃纤维增强TPI的加工温度仅高20℃，这样在加工TPI时，可以使用标准注塑机械，仅需更换树脂，使用户具有较好的灵活性。 与Ultem ®聚醚酰亚胺类似，在未填充TPI树脂中添加玻璃纤维可以增强物理性能。拉伸应力和弯曲应力都比未填充树脂提高50%，拉伸模量和弯曲模量则提高300%，热变形温度提高10℃，从而允许更高的使用温度。 图1可以看到高温储能模量的提高。相比玻璃纤维增强聚醚酰亚胺，玻璃纤维填充TPI不仅扩大了温度范围，而且具有更高的总体储能模量。图1也显示了其与30%玻璃纤维填充高温结晶聚合物聚醚醚酮的比较。结晶树脂由于易于熔融加工，长期以来一直是热塑性塑料应用领域的选择。不过如果受到高温应力，结晶树脂由于玻璃化转变温度相对较低，可能会导致失效。无定形树脂玻璃化转变温度更高，因此也具有优异的高温模量。 图2所示的400℃下的毛细管流变性能显示玻璃纤维增强热塑性塑料的比较评定。尽管玻璃纤维增强TPI具有高粘度，在高剪切速率下的剪切稀化效应仍然明显。相比玻璃纤维填充聚醚酰亚胺，TPI树脂保持类似的流动。 图3显示的热膨胀系数（CTE）表明与未填充树脂相比，尺寸稳定性得到改善。如果应用领域不需要玻璃纤维增强热塑性塑料额外的强度，则经常需要较高的尺寸稳定性。在与其它材料如金属或结晶树脂化合时，匹配热膨胀系数经常被用来评估相容性。在这种情况下，玻璃纤维增强TPI较低的热膨胀系数很有价值。 图4的螺旋流动显示了相比未填充树脂的流动长度。在薄壁部件中，填充TPI的流动只是稍稍逊色于未填充牌号。如果在400℃下加工，壁厚为1.5mm时，填充TPI牌号的流动长度仅比未填充牌号小30mm。 结论 玻璃化转变温度为267℃的玻璃增强热塑性聚酰亚胺已经得到商业化，可满足日益增加的对高温、高强度、可注塑、尺寸稳定材料的需求。尽管玻璃纤维增强TPI具有较高的粘度，它经常可以直接替代未填充和玻璃化转变温度低的树脂，而不需要用户额外投资。新型TPI材料具有较高的拉伸强度、弯曲强度，以及传统的熔融加工性，为高性能材料市场提供了一种新的选择。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/8/2010)