尼龙在低温下为什么会变脆?很简单,因为太硬了。从原理上来说,只要在尼龙里加一些软的材料就能解决(这里的软和硬可以用材料屈服强度来描述),也就是要加入屈服强度比尼龙低的高分子材料。
在那么多描述尼龙增韧的概念中,增韧剂、冲击改性剂和耐寒剂说的是一回事,但是相容剂无论在结构还是作用上,与它们截然不同(下文会做详细解释)。
哪些材料可以作增韧剂
只要屈服强度比尼龙低,就可以提高尼龙的韧性,但是这有个前提,它们要有一定的相容性。所以,橡胶、聚乙烯、聚丙烯、热塑性弹性体、增塑剂,甚至是水都能提高尼龙的低温韧性,只是提高幅度不同罢了。
迄今为止,工业上应用最广的尼龙增韧剂有橡胶和热塑性弹性体。但是问题又来了,这两种材料主要是由碳和氢元素组成,属于典型的非极性高分子,而尼龙却是极性很强的材料,根本掺和不到一块去。
怎么解决?很简单,把非极性的增韧剂提高点极性就搞定了。传统的做法就是用极性单体去改性橡胶和热塑性弹性体,比如用马来酸酐(MAH)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、衣康酸(ITA)等。最常用的就是MAH,杜邦公司用的正是这种单体。
哪些增韧剂最常用
目前,最常用的尼龙增韧剂包括马来酸酐接枝的乙烯-辛烯共聚物(POE-g-MAH)和三元乙丙橡胶(EPDM-g-MAH)。
POE-g-MAH
POE,学名乙烯-1-辛烯共聚物,是一种性能优秀的聚烯烃弹性体,由美国DOW化学公司开发而成,分子量分布窄,主链带有均匀的短支链。POE撕裂强度高,耐老化、耐臭氧、耐溶剂性能好,常用牌号有8150、8200和8842等。
EPDM-g-MAH
EPDM,学名三元乙丙橡胶,由一种乙烯、丙烯和少量非共轭二烯烃组成的共聚物,主链为饱和链段,侧链中含有不饱和双键,虽然耐候、耐老化性能出色,但不如全为饱和链段的POE。EPDM生产厂家包括埃克森美孚、日本三井等,常用牌号为7500、7700等。
POE和EPDM的屈服强度远低于尼龙材料,可以显著提高尼龙的低温韧性。MAH接枝改性后它们的极性提高,增强了与尼龙的相容性。
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尼龙怎么增韧
尼龙增韧原理
MAH分子中含有两个关键的基团:C=C双键和酸酐,这两个基团在尼龙增韧过程中各司其职,互相配合,完成提高尼龙韧性的目标。
首先来说C=C双键的作用。为了能把MAH接枝上去,第一步要用自由基引发剂活化惰性的橡胶或者弹性体主链,在主链上形成自由基活性位,这样就能打开C=C双键,将其接枝到增韧剂主链上。
接着再说酸酐基团。接枝到增韧剂上的MAH含有酸酐基团,当增韧剂与尼龙混合时,酸酐会与尼龙中的胺基反应,生成一种既含有增韧剂链段,又包含尼龙链段的接枝共聚物,这种接枝共聚物与增韧剂结构完全不同,作用也不一样,被称作相容剂。从化学反应的角度,可以用下图来解释这一过程。
相容剂在尼龙增韧过程中起到关键性作用。由于它含有增韧剂和尼龙的链段,在尼龙/增韧剂混合物中会起到表面活性剂的作用:和增韧剂以及尼龙这两种组分都有亲和性。所以它会优先分布在尼龙与增韧剂这两种组分的界面处,将增韧剂紧紧包裹住,然后均匀分布在尼龙材料中。