• 研究了玄武巖纖維對(duì)PA 6,6性能的影響。

• 將玄武巖纖維加入 PA 6,6 中可增強(qiáng)其熱穩(wěn)定性和抗變形能力。

• 抗彎強(qiáng)度隨著玄武巖纖維的填充而提高，特別是在較短的纖維復(fù)合材料中。

• 流變分析表明，玄武巖纖維增強(qiáng)材料可以提高能量耗散能力。

摘要

本研究旨在探索可持續(xù)玄武巖纖維 (BF) 與玻璃纖維和滑石粉在注塑工程聚酰胺 6,6 (PA 6,6) 塑料復(fù)合材料中的應(yīng)用。將長(zhǎng)度為 3 毫米和 12 毫米的玄武巖纖維以 23 和 30 wt.% 的量添加到 PA 6,6 中以制造復(fù)合材料。玄武巖纖維的添加限制了復(fù)合材料中聚合物鏈的流動(dòng)性，導(dǎo)致其粘度增加。流變學(xué)結(jié)果表明，對(duì)外加應(yīng)力的異相響應(yīng)表明 3 毫米玄武巖纖維復(fù)合材料可以耗散更多能量，并且復(fù)合材料在變形下的彈性行為隨著玄武巖纖維重量的增加而增加。與纖維負(fù)載相比，纖維長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合材料的機(jī)械性能有更大的影響。23 wt.% 和 30 wt.% 的 12 mm 玄武巖纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量高于 3 mm 玄武巖纖維復(fù)合材料，而 30 wt.% 的 3 mm 玄武巖纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度提高了 25%?；旌弦?guī)則預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)和理論模量表明基質(zhì)和玄武巖纖維之間存在相互作用。形態(tài)分析表明，3 mm 纖維的復(fù)合材料中的團(tuán)聚比 12 mm 纖維的復(fù)合材料中更多。玻璃纖維增強(qiáng) PA 6,6 的性能略高于玄武巖纖維增強(qiáng) PA 6,6。然而，玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在拉伸強(qiáng)度、彎曲模量、彎曲強(qiáng)度和熱變形溫度方面表現(xiàn)出比滑石增強(qiáng)復(fù)合材料更好的性能。

1.引言

近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車 (EV) 的廣泛采用，以汽車為代表的交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)生了變革性變化，而汽車對(duì)社會(huì)的影響最大。這一變革源于全球努力實(shí)現(xiàn)零排放、低碳足跡和交通運(yùn)輸行業(yè)可持續(xù)增長(zhǎng)。設(shè)計(jì)更堅(jiān)固、更輕的新材料對(duì)于全球交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。該領(lǐng)域持續(xù)改進(jìn)的一個(gè)關(guān)鍵方面是開(kāi)發(fā)輕質(zhì)、高性能和阻燃材料，這有助于克服該行業(yè)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，包括減輕車輛整體重量和減少電動(dòng)汽車電池組的潛在熱失控。

在汽車工業(yè)中，通常使用玻璃纖維 (GF) 增強(qiáng)聚酰胺來(lái)生產(chǎn)塑料部件。纖維有助于提高最終復(fù)合材料的模量和強(qiáng)度，并降低材料的整體價(jià)格。聚酰胺 66 (PA 6,6) 以其出色的機(jī)械強(qiáng)度、高耐熱性、熱穩(wěn)定性和低密度而聞名，是一種工程熱塑性塑料，具有高強(qiáng)度重量比和出色的耐磨性。

盡管這些特性使 PA 6,6 成為電動(dòng)汽車部件的多功能塑料，但與其他工程塑料相比，PA 6,6 的高成本往往超過(guò)了其性能。因此，人們廣泛探索了在 PA 基質(zhì)中使用低成本可持續(xù)填料的方法，就PA 6,6而言，填料可以幫助平衡其高成本。

滑石粉填充復(fù)合材料歷來(lái)受到青睞，因?yàn)樗鼈兙哂谐杀拘б婧蜋C(jī)械性能（主要是模量）的改善，同時(shí)不會(huì)影響拉伸強(qiáng)度?；墼跀D壓剪切和應(yīng)力下會(huì)分層，使復(fù)合材料的模量高于純塑料。然而，由于纖維的性質(zhì)（例如強(qiáng)度重量比、重量輕和隔熱性能），玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料憑借其出色的強(qiáng)度和剛度已成為汽車行業(yè)的標(biāo)志。

玄武巖纖維是介于顆粒填料和纖維狀增強(qiáng)材料（如滑石和玻璃纖維）之間的中間材料，應(yīng)深入探索以制造復(fù)合材料。這將滿足工業(yè)對(duì)替代材料多樣化的重視，作為一種更可持續(xù)的方法，因?yàn)樾鋷r纖維對(duì)環(huán)境無(wú)害，由 100% 的天然巖石制成，覆蓋了大約 70% 的地球表面，環(huán)境中的任何玄武巖殘留物都不會(huì)干擾生態(tài)系統(tǒng)。作為一種可持續(xù)的纖維/填料，玄武巖纖維在加入聚合物基質(zhì)中時(shí)可以提高其整體性能。它主要由 SiO2 （46-52 %）、Al2O3 （ 15-17%）、Fe2O3和FeO（9-12%）組成。玄武巖纖維本質(zhì)上具有優(yōu)異的熱性能，不易燃、耐紫外線降解，并且具有聲學(xué)阻尼性能或良好的吸振能力。玄武巖纖維和玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在工業(yè)和汽車領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。與玻璃（2.50 g/cm 3）和碳纖維（1.80 g/cm 3 ）相比，玄武巖纖維（2.6-2.7 g/cm 3 ）的可回收性要高得多。玄武巖纖維因其天然來(lái)源而具有可回收性優(yōu)勢(shì)，回收過(guò)程中的有毒排放更少?；厥蘸螅鋷r纖維在高達(dá) 1400°C 的溫度下不會(huì)熔化，而是恢復(fù)為天然玄武巖粉。相比之下，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在熱分解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有毒氣體并消耗大量能量。玄武巖纖維成本較低（0.34-3.42 歐元/千克），因此可以替代傳統(tǒng)的合成纖維。

研究表明，玄武巖纖維增強(qiáng)聚丙烯（PP）復(fù)合材料在加入纖維后機(jī)械性能顯著提升，性能優(yōu)于滑石粉。纖維含量和纖維-基質(zhì)兼容性是影響性能的關(guān)鍵因素。Bozkurt等發(fā)現(xiàn)增加玄武巖纖維能增強(qiáng)減振行為，但會(huì)降低拉伸強(qiáng)度和模量。Deák和Czigány發(fā)現(xiàn)硅烷上漿的玄武巖纖維性能與玻璃纖維相當(dāng)。Tábi等發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)玄武巖纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料性能優(yōu)于短纖維和玻璃纖維。Yu等通過(guò)表面處理提高界面結(jié)合，顯著增強(qiáng)了復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。伽馬射線輻照對(duì)玄武巖纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的影響表明，層間剪切強(qiáng)度隨輻照劑量增加而提高。

開(kāi)發(fā)具有定制性能的可持續(xù)復(fù)合材料，以滿足結(jié)構(gòu)部件、電池外殼或熱管理系統(tǒng)的性能需求，對(duì)于確保電動(dòng)汽車的安全性和效率至關(guān)重要。這受到復(fù)合材料制造變量（例如纖維長(zhǎng)度和纖維負(fù)載）相互作用的影響；了解這些關(guān)系對(duì)于增強(qiáng)復(fù)合材料配方以平衡強(qiáng)度和耐久性是有益的。本研究考察了直徑為 3 毫米和 12 毫米、重量百分比為 25 和 30 的短玄武巖纖維和長(zhǎng)玄武巖纖維對(duì)復(fù)合材料性能的影響。對(duì)玄武巖纖維和玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行了全面的力學(xué)分析、復(fù)合材料的流變行為、使用混合規(guī)則 (ROM) 對(duì)復(fù)合材料模量的理論評(píng)估、形態(tài)學(xué)研究、熱分析和表面化學(xué)分析。采用兩步工藝將較長(zhǎng)的玄武巖纖維加入復(fù)合材料中，從母料開(kāi)始，然后在第二次擠出過(guò)程中稀釋 PA 6,6。由于將這種纖維送入擠出機(jī)存在技術(shù)挑戰(zhàn)，因此必須采用這種兩步工藝。復(fù)合材料的整體制造采用雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行熔融擠出，然后進(jìn)行注塑成型，以生成樣品，用于進(jìn)一步的機(jī)械測(cè)試和質(zhì)量表征。還制備了滑石粉和 GF 增強(qiáng) PA 6,6 復(fù)合材料，以比較玄武巖纖維與這些傳統(tǒng)填料的性能。復(fù)合材料的特征在于其機(jī)械、熱、流變和形態(tài)特性。

2.材料與方法

2.1材料

聚酰胺 66 粒料（Ultramid A3K 密度為 1.13 g/cm3，熔體體積速率為 120 cm 3 /10 min，溫度為 275 °C）購(gòu)自 BASF Chemicals International。玄武巖纖維由 Smarter Building systems 制造，由 Competitive Green Technologies（加拿大安大略省利明頓）友情捐贈(zèng)，編號(hào)為 BM-0206（12 mm 長(zhǎng)，16 μ D）和 BM-0315（3 mm 長(zhǎng)，13 μm D）。玻璃纖維 ChopVantage HP 3610 購(gòu)自 PPG（俄亥俄州，美國(guó)）。玻璃纖維長(zhǎng)度為 3.8 mm，直徑為 10 μm?；?Artic Mist 由 Imerys Talc（美國(guó)）友情提供。

2.1.1樣品制備

PA 6,6 顆粒和玄武巖纖維在加工前在 80 °C 的烤箱中干燥一夜。復(fù)合材料在 26 毫米雙螺桿擠出機(jī)（LabTech Engineering Co. LTD，泰國(guó)）中混合，該擠出機(jī)有 8 個(gè)加熱區(qū)。機(jī)筒的第一個(gè)和最后一個(gè)加熱區(qū)溫度設(shè)定為 265 °C，中央加熱區(qū)設(shè)定為 270 °C，螺桿轉(zhuǎn)速為 100 rpm，進(jìn)料速率為 5 kg/h。

玄武巖纖維復(fù)合材料通過(guò)兩種不同的方法制備而成。較長(zhǎng)的玄武巖纖維（BM-0206，12 毫米長(zhǎng)，16 微米直徑）基復(fù)合材料的制備方法是，首先用 60 wt.% 的 PA 6,6 進(jìn)行母料擠出，然后進(jìn)行第二次擠出，用額外的 PA 6,6 稀釋母料。由于擠出 12 毫米玄武巖纖維本身存在困難，因此需要進(jìn)行這一雙重步驟。較短的玄武巖纖維（BM-0315，3 毫米長(zhǎng)，13 微米直徑）通過(guò)一步擠出制備而成，即將 PA 6,6 與玄武巖纖維混合，然后進(jìn)行擠出。

擠出物以線材形式獲得，在水浴中冷卻，原位制粒，并在 65°C 的烤箱中保存干燥，然后注塑成型。純 PA 6,6 和纖維填充復(fù)合材料采用 MPP Technologies（美國(guó)俄亥俄州索倫）的微型塑料成型機(jī) Mini-Jector Model 55P/1 注塑成型。純 PA 6,6 注塑時(shí)后筒和前筒溫度為 270°C，噴嘴溫度為 274°C，而 PA 6,6/玄武巖纖維復(fù)合材料注塑時(shí)后筒和噴嘴溫度為 280°C，前筒溫度為 274°C。對(duì)于彎曲和拉伸樣品，注射壓力設(shè)定為 1300 psi，注射量為 0.90 in。沖擊樣品的成型壓力為 1100 psi，注射量為 0.60 英寸。所有樣品的保壓壓力均為 900 psi，保壓時(shí)間為 15 秒。

所有樣品在測(cè)試前均在密封袋中放置至少 48 小時(shí)。檢測(cè)了 2 wt.% 的玄武巖纖維，即23wt.% 和30wt.%。表1顯示了所用的配方和樣品的命名法。樣品標(biāo)識(shí)中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示所用的填料含量。

2.2特性

2.2.1傅里葉變換紅外光譜（FTIR）

使用 Thermo Fisher Scientific 的 Nicolet 6700 FTIR（美國(guó)馬薩諸塞州 Thermo Scientific）對(duì)樣品進(jìn)行紅外分析，以確定表面特性和功能組，分辨率為 4 cm-1，掃描次數(shù)為 64 次。之后，通過(guò) Omnic 軟件（美國(guó)馬薩諸塞州 Thermo Scientific）獲取數(shù)據(jù)，并使用 Origin 版本 2023b（美國(guó)馬薩諸塞州 OriginLab）處理和呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。

2.2.2機(jī)械試驗(yàn)

使用 Instron 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（型號(hào) 3382）（Instron，馬薩諸塞州，美國(guó)）測(cè)試復(fù)合材料的力學(xué)性能。拉伸試驗(yàn)按照 ASTMD638-14（IV 型試樣）進(jìn)行。彎曲試驗(yàn)按照 ASTM D790-10 進(jìn)行。使用 Zwick/Roell Hit25P 裝置（ZwickRoell，德國(guó)烏爾姆）進(jìn)行懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度模式的沖擊試驗(yàn)。懸臂梁沖擊強(qiáng)度按照 ASTM D256標(biāo)準(zhǔn)（試驗(yàn)方法 A），使用 2.75 J 沖擊擺錘進(jìn)行測(cè)量。每項(xiàng)力學(xué)性能測(cè)試至少使用 5 個(gè)試樣，并使用 Microsoft Excel 版本 2312（Microsoft 365，華盛頓州，美國(guó)）計(jì)算和報(bào)告每個(gè)測(cè)試的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2.3密度

按照 ASTMD792 的規(guī)定，使用電子密度計(jì)（MD 300S，Qualitest，Advanced Testing Technologies，Int.）測(cè)定樣品的密度。密度計(jì)測(cè)量樣品在空氣和浸沒(méi)液體（水）中的重量，然后使用重量差和水的密度計(jì)算樣品的密度。對(duì)于所有測(cè)量，至少測(cè)量三個(gè)樣品，并記錄平均值。

2.2.4熱特性

使用熱重分析儀 (TGA) Q500（TA Instruments，特拉華州，美國(guó)）對(duì)樣品進(jìn)行熱分析，使用約 15 mg 樣品，溫度為 600 °C，加熱速率為 10 °C/min，同時(shí)保持 60 mL/min 的氮?dú)饬髁?。根?jù) TA Instruments，特拉華州，美國(guó)動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀 (DMA) Q800 的技術(shù)說(shuō)明測(cè)量熱變形溫度。將尺寸為 50 × 12 × 3 mm（長(zhǎng)×寬×厚）的樣品放置在三點(diǎn)夾中。加熱溫度為 30 °C 至 220 °C，加熱速率為 2 °C/min，同時(shí)施加 1.8 MPa 的力，當(dāng)達(dá)到 250 μm 的偏轉(zhuǎn)時(shí)終止測(cè)試。使用 Thermal Advantage 程序版本 5.5.3 收集數(shù)據(jù)，并使用 Excel 版本 2312（Microsoft 365，華盛頓州，美國(guó)）和 TA Instruments Universal Analysis 2000 版本 4.54（TA Instruments，特拉華州，美國(guó)）進(jìn)行處理。對(duì)于最終圖表，使用了 Origin 版本 2023b（OriginLab，馬薩諸塞州，美國(guó)）。

2.2.5流變行為

使用安東帕流變儀 (MCR-302)（奧地利）對(duì) PA 6,6 和復(fù)合材料進(jìn)行流變學(xué)檢查。測(cè)試樣品和平行板裝置相隔 1 毫米。為了進(jìn)行流變學(xué)測(cè)試，進(jìn)行了頻率掃描，覆蓋 1% 應(yīng)變范圍內(nèi)的高到低剪切頻率，從 628 開(kāi)始到 0.1 rad/s 結(jié)束。為了防止降解，測(cè)試在 270°C 下進(jìn)行，并在室內(nèi)連續(xù)通入氮?dú)?。使?Rheoplus/32 版本 3.61 獲取數(shù)據(jù)后，使用 Excel 版本 2312（Microsoft 365，華盛頓，美國(guó)）處理數(shù)據(jù)。對(duì)于最終圖表，使用了 Origin 版本 2023b（OriginLab，馬薩諸塞州，美國(guó)）。

2.2.6斷口形貌

通過(guò)使用 Thermo Fisher Scientific International Phenom ProX 掃描電子顯微鏡 (SEM) 分析沖擊斷裂表面形態(tài)來(lái)確定纖維與 PA 6,6 基質(zhì)之間的相互作用。使用英國(guó) Cressington Scientific Instruments 的 108 自動(dòng)金濺射鍍膜機(jī)，將金鍍?cè)趶?fù)合材料樣品上六秒鐘。

3.1 FTIR分析

圖 1顯示了 PA 6,6、玄武巖纖維及其復(fù)合材料的 FTIR 光譜，用于驗(yàn)證功能基團(tuán)的存在。C = O（酰胺 I）和 NH（酰胺 II）的拉伸分別與 1632 和 1529 cm-1 處的峰相關(guān)，而 PA 6,6 中的 NH 拉伸 [?11 ] 與 3293 cm -1處的峰相關(guān)。

圖 1.純PA 6,6、玄武巖纖維和 PA 6,6/玄武巖纖維復(fù)合材料的 FTIR 光譜。

加入 23 wt.% 的填料降低了 PA 6,6 特征峰的強(qiáng)度。3 mm 玄武巖纖維的峰強(qiáng)度降低幅度大于 12 mm 和 PA 6,6 聚合物。在 30 wt.% 時(shí)，12 mm 玄武巖纖維復(fù)合材料的 1632 cm -1和 1529 cm -1處的峰強(qiáng)度增加，尤其是在酰胺 I 和酰胺 II 帶。這表明玄武巖纖維和 PA 6,6 之間形成了氫鍵。對(duì)于 3 mm 玄武巖纖維復(fù)合材料，在 12 mm 玄武巖纖維復(fù)合材料中，30 wt.% 時(shí) 1632 cm -1和 1529 cm -1處的峰強(qiáng)度沒(méi)有顯著差異。然而，玄武巖纖維中 Si-O-Si 和 Si-O 的伸縮振動(dòng)分別在 676 cm -1和 897 cm -1處出現(xiàn)的峰（圖 1a）在復(fù)合材料中卻未觀察到。這可能表明這些功能基團(tuán)與 PA 6,6 沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

3.2力學(xué)性能

圖 2a -c顯示了 PA 6,6 及其復(fù)合材料的機(jī)械性能。純 PA 6,6 的拉伸強(qiáng)度 (TS) 為 84 MPa。纖維長(zhǎng)度和玄武巖纖維的重量百分比對(duì)復(fù)合材料的 (TS) 和拉伸模量有明顯影響。3 毫米和 12 毫米玄武巖纖維的 TS 均為 23 wt.%，這分別使純 PA 6,6 的拉伸強(qiáng)度 (TS) 降低了 9% 和 23.4%。然而，含有 12 毫米玄武巖纖維的復(fù)合材料高于 3 毫米玄武巖纖維。在玄武巖纖維含量較高的情況下，觀察到 3 毫米和 12 毫米玄武巖纖維復(fù)合材料的 TS 分別降低了 5% 和 6%。有趣的是，隨著復(fù)合材料中玄武巖纖維重量百分比的增加，TS 持續(xù)增加。纖維含量越高，拉伸強(qiáng)度就越高，正如在 12 毫米復(fù)合材料中觀察到的那樣，它比 3 毫米復(fù)合材料（23 wt.%）高 18%，比 30 wt.% 高 2%。這一現(xiàn)象與 Hassan 等人的研究結(jié)果一致，他們報(bào)告稱，復(fù)合材料中的纖維越長(zhǎng)，拉伸強(qiáng)度越高。

圖2.純PA 6,6和玄武巖纖維增強(qiáng)PA 6,6復(fù)合材料的機(jī)械性能（a）拉伸（b）彎曲（c）沖擊強(qiáng)度（d）預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的混合規(guī)則。

添加玄武巖纖維后，所有復(fù)合材料的拉伸模量均大幅增加。用 30 wt.% 的 12 mm 玄武巖纖維增強(qiáng)的 PA 6,6 具有最高的拉伸模量，為 6.015 GPa，比純 PA 6,6 增加了 92%。23 wt.% 的 3 mm 玄武巖纖維復(fù)合材料具有最低的拉伸模量。由于纖維提供的增強(qiáng)材料可增強(qiáng)纖維-基質(zhì)相互作用，因此預(yù)計(jì)拉伸模量會(huì)有所改善。為了確認(rèn)這種相互作用的存在，應(yīng)用了混合規(guī)則。復(fù)合材料的彈性模量必須在上限和下限范圍內(nèi)，以驗(yàn)證纖維-基質(zhì)相互作用。這些界限在下面的公式 (1)和(2)中表示。

其中，Em、Vm、Ef和Vf分別為基體彈性模量、基體體積分?jǐn)?shù)、纖維彈性模量和纖維體積分?jǐn)?shù)。根據(jù)文獻(xiàn)，纖維的彈性模量取為86.2 GPa。纖維體積分?jǐn)?shù)根據(jù)PA 6,6基體、復(fù)合材料和纖維的密度使用公式（3）計(jì)算得出，基體體積分?jǐn)?shù)為1-Vf。

圖2顯示了復(fù)合材料預(yù)測(cè)的上限和下限的模量以及 3 毫米和 12 毫米玄武巖纖維復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ａ俊?shí)驗(yàn)?zāi)Ａ拷橛谏舷藓拖孪拗g，因此，復(fù)合材料的行為符合混合規(guī)則，即結(jié)合各個(gè)組分的性質(zhì)和一定程度的相互作用。然而，實(shí)驗(yàn)值更接近下限。這表明，對(duì)復(fù)合材料整體性能的主要影響來(lái)自性能較低的材料。Harder 等人認(rèn)為，這可能是由于纖維-基質(zhì)界面相互作用較差導(dǎo)致應(yīng)力傳遞有限所致。

將玄武巖纖維添加到 PA 6,6 基體中，可通過(guò)增加玄武巖纖維填料的 wt.% 來(lái)提高彎曲強(qiáng)度。這是由于基體聚合物鏈的增強(qiáng)和限制性增加所致。對(duì)于玄武巖纖維復(fù)合材料，在 30 wt.% 的 3 mm 玄武巖纖維中，彎曲強(qiáng)度（約135 MPa）提高最為顯著。這比純聚合物增加了 25%。3 mm 和 12 mm 玄武巖纖維的彎曲和拉伸性能差異可能與載荷傳遞和纖維排列有關(guān)。在彎曲試驗(yàn)中，載荷垂直于纖維施加，而不是在拉伸試驗(yàn)中平行施加。在拉伸試驗(yàn)中，較長(zhǎng)的纖維會(huì)更好地與載荷方向?qū)R，從而使纖維-基體應(yīng)力沿纖維長(zhǎng)度更好地傳遞，靠近末端的載荷傳遞較少。然而，在彎曲試驗(yàn)中，彎曲應(yīng)力將沿著長(zhǎng)纖維的長(zhǎng)度集中，從而增加復(fù)合材料區(qū)域的應(yīng)力集中，從而降低彎曲強(qiáng)度。

3毫米玄武巖纖維復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度更高，這有兩種可能：一是纖維-基質(zhì)關(guān)系。對(duì)于短纖維，基質(zhì)可能與纖維充分接觸，從而提供最大程度的封裝，從而提高纖維-基質(zhì)應(yīng)力傳遞效率。另一種可能性是，短纖維可以很容易地分散在基質(zhì)中，而不會(huì)嚴(yán)重聚集，從而使復(fù)合材料中的應(yīng)力消散效果更好。然而，由于較長(zhǎng)纖維的幾何形狀，它們可能無(wú)法完全嵌入基質(zhì)中，這可能導(dǎo)致單獨(dú)的獨(dú)立纖維，從而導(dǎo)致復(fù)合材料中的應(yīng)力傳遞不良。因此，對(duì)于彎曲或彎曲載荷，較短的纖維更能分散應(yīng)力。

圖2c顯示了純 PA 6,6 及其復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度 (IS)。所有復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度均低于 PA 6,6。纖維長(zhǎng)度和 wt.% 對(duì)復(fù)合材料的沖擊性能起著重要作用。值得注意的是，在相同的玄武巖纖維負(fù)載下，30 wt.% 的 12 mm 玄武巖纖維復(fù)合材料表現(xiàn)出比 3 mm 玄武巖纖維復(fù)合材料更好的回彈性和韌性。短纖維（3 mm）復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度在低（23 wt.%）和高（30 wt.%）玄武巖纖維負(fù)載下降低。當(dāng)纖維添加到聚合物基體中時(shí)，纖維末端充當(dāng)應(yīng)力集中點(diǎn)，從而削弱基體并降低韌性。因此，較短的纖維具有較小的沖擊強(qiáng)度，因?yàn)榛w內(nèi)會(huì)有更多的應(yīng)力集中位置。這可以解釋為什么 3 毫米玄武巖纖維復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度下降幅度比 12 毫米玄武巖纖維復(fù)合材料更大。

相比之下，GF 增強(qiáng) PA 6,6 的性能略高于玄武巖纖維增強(qiáng) PA 6,6 基體。30 wt.% 玻璃纖維獲得的數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中提供的數(shù)據(jù)相當(dāng)，證實(shí)了當(dāng)前研究的結(jié)果。在這些實(shí)驗(yàn)中，除了拉伸模量和 IS 之外，玄武巖纖維增強(qiáng) PA 6,6 的整體性能優(yōu)于滑石粉增強(qiáng) PA 6,6，這可能是由于材料的性質(zhì)（纖維與顆粒）造成的。將纖維加載到塑料基體中時(shí)，最終材料會(huì)達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)，基體無(wú)法容納纖維，這可能是由于纖維加載過(guò)量或不兼容造成的。當(dāng)特定性能隨著纖維或填料的增加而受到負(fù)面影響時(shí)，也可能會(huì)出現(xiàn)臨界纖維載荷。例如，Achuckwu 等人。發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玻璃纖維重量負(fù)載為 15% 時(shí)，聚丙烯的拉伸強(qiáng)度達(dá)到臨界點(diǎn)，而模量最多可增加 40 wt.%。當(dāng)復(fù)合材料的性能開(kāi)始下降時(shí)，可以檢測(cè)到這種現(xiàn)象。Mouhmid 等人還在 PA 6,6 中負(fù)載了 15%、30% 和 50 wt.% 的短玻璃纖維，并報(bào)告了拉伸強(qiáng)度和模量持續(xù)增加。

3.3密度

密度是許多汽車應(yīng)用的重要因素。純 PA 6,6 的密度為 1.109 g/cm3。表2表明，增加填料濃度和纖維長(zhǎng)度可以預(yù)期密度會(huì)增加。玄武巖纖維的密度為 2.65 g/cm3，這將增加復(fù)合材料的密度，正如所觀察到的。當(dāng)玄武巖纖維的含量為 23 wt.% 時(shí)，密度增加到 ～1.27 g/cm 3，當(dāng)為 30 wt.% 時(shí)，密度最高可達(dá) 1.30 g/cm 3。與玻璃纖維相比，30 wt.%（3 毫米和 12 毫米）玄武巖纖維復(fù)合材料的密度分別降低了 2% 和 5% 以上，而滑石粉的密度降低了 3%。這表明，在類似的負(fù)載條件下，玄武巖纖維可以替代 GF 和滑石粉，而且密度更低，這對(duì)于輕量化應(yīng)用至關(guān)重要。

3.4熱重分析

圖 3a、b 和 3b分別顯示了純 PA 6,6 及其相關(guān)復(fù)合材料的 TGA 和 DTG 熱分析圖。TGA 數(shù)據(jù)分別列于表 3中。PA 6,6 的起始熱降解溫度為 377.1 ℃，最終降解溫度為 416.75 ℃。如表 3所示，這些復(fù)合材料的起始熱降解溫度非常接近，均低于 PA 6,6（GF 復(fù)合材料除外） 。這表明玄武巖纖維在影響 PA 6,6 開(kāi)始熱降解方面幾乎沒(méi)有依賴于長(zhǎng)度和 wt.%。最大降解時(shí)的溫度略高于 PA 6,6，這表明玄武巖纖維增強(qiáng)材料可能會(huì)提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。然而，玄武巖纖維對(duì) PA 6,6 復(fù)合材料熱穩(wěn)定性的真正影響可以從降解后的殘留物百分比中看出。從 PA 6,6（1.95%）到玄武巖纖維復(fù)合材料（22.73–28.83%），轉(zhuǎn)變范圍很廣。熱重法比較表明，添加玄武巖纖維顯著改變了復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。這種顯著影響源于玄武巖纖維，它主要由二氧化硅組成，具有很高的熱穩(wěn)定性；因此，它為 PA 6,6 提供了更好的熱穩(wěn)定性。

圖3.a、3a'和3b.PA 6,6 及其相關(guān)復(fù)合材料的熱重分析、熱降解開(kāi)始的放大部分和差示熱重分析：PA 6,6 (i)、BF3 (23) (ii)、BF12 (23) (iii)、BF12 (30) (iv)、BF3 (30) (v)、GF (30) (vi)、滑石 (30) (vii)。3c. PA 6,6 及其復(fù)合材料的熱變形溫度。

3.5熱變形溫度

熱變形溫度 (HDT) 是指施加 1,800 MPa 的應(yīng)力時(shí)樣品變形 250 μm 的溫度。這是工程塑料的重要特性，因?yàn)樗捎糜谠O(shè)定材料加工過(guò)程中的熱極限。如圖 3c 所示，對(duì)于 12 mm 和 3 mm 玄武巖纖維復(fù)合材料，隨著玄武巖纖維 wt.% 的增加，PA 6,6 的 HDT 均顯著增加。與含有 30 wt.% 3 mm 玄武巖纖維的純 PA 6,6 相比，含有 30 wt.% 3 mm 玄武巖纖維的復(fù)合材料的 HDT (173°C) 增幅最大 (161 %)。由于纖維對(duì)聚合物基質(zhì)具有增強(qiáng)作用，并限制了聚合物在加載過(guò)程中的變形，因此 HDT 會(huì)因復(fù)合材料的剛度而增加。含有 3 毫米玄武巖纖維的復(fù)合材料在 HDT 方面表現(xiàn)出更好的性能，這一趨勢(shì)證實(shí)了彎曲強(qiáng)度的結(jié)果，因?yàn)?HDT 和彎曲強(qiáng)度都是在三點(diǎn)彎曲情況下發(fā)生的。更高的纖維重量百分比增加了 PA 6,6 的熱穩(wěn)定性，同時(shí)減少了熱變形。在沒(méi)有這些纖維的情況下，聚合物基質(zhì)更加靈活，從而降低了使材料偏轉(zhuǎn)所需的溫度。改進(jìn)的 HDT 可能對(duì)熱穩(wěn)定性至關(guān)重要的應(yīng)用有益，例如汽車部件或電氣外殼。

3.6流變行為

進(jìn)行了頻率掃描測(cè)試，以確定復(fù)合材料和純 PA 6,6 的流變性，例如復(fù)數(shù)粘度、儲(chǔ)能模量和損耗模量。純 PA 6,6 表現(xiàn)出假塑性流動(dòng)行為，復(fù)數(shù)粘度隨角頻率的增加而降低（圖 4c）。聚合物鏈的纏結(jié)導(dǎo)致熔融聚合物中的這種剪切變稀行為。由于纏結(jié)而對(duì)聚合物的限制是造成高粘度的原因。然而，隨著頻率的增加，纏結(jié)會(huì)減少，從而降低復(fù)數(shù)粘度。通過(guò)添加玄武巖纖維，復(fù)數(shù)粘度和損耗模量會(huì)增加。如前所述，對(duì)于其他性能，添加纖維會(huì)限制復(fù)合材料的流動(dòng)性，從而導(dǎo)致粘度增加。纖維增強(qiáng)對(duì)流動(dòng)性能的這種影響隨著填料含量的增加而增加；因此，含有 30 wt.% 填料的復(fù)合材料將具有高粘度，如圖4c所示。Harder 等人也觀察到了類似的結(jié)果。在PBSA基質(zhì)中添加啤酒花天然纖維可以增加復(fù)數(shù)粘度。