这是塑料改性讲堂第1期分享
01
尼龙为啥要增韧
尼龙
尼龙，学名聚酰胺，英文名Polyamide，是一种常用的高分子材料，可以用作工程塑料，也可以作为纤维使用。
尼龙是由杜邦公司的Carothers博士于1935年发明，至今已有八十余年的历史。从最初的尼龙6和66开始，现在已经形成了一个庞大的家族，成员包括脂肪族尼龙、半芳香族和芳香族尼龙，总数不下二十余种，随着新尼龙单体的不断合成，这一数字还在不断增长。
虽然尼龙家族成员众多，但是最常用的还是尼龙6和66，原因很简单，便宜、好用、性价比高。
尼龙的优势
最为一种应用最广泛的工程塑料，尼龙6和66可谓优势多多：
l 机械强度高
l 易于加工
l 耐热性好
l 耐磨损
l 耐化学溶剂
l 自润滑
l 阻燃性能良好
尼龙的不足
「甘瓜苦蒂，天下物无全美」，尼龙性能再好也有两大缺点：
l 吸水性强
l 低温韧性差
尼龙低温韧性差在业界是出了名的，在零下二三十度时脆的像玻璃一样。
为了解决尼龙低温韧性差的缺点，杜邦公司又发明了增韧剂，提高了低温韧性的同时，尼龙吸水性也有所降低。
02
尼龙有哪些增韧剂
概念解析
提到尼龙增韧剂，这里面就有好多类似的概念傻傻分不清，比如增韧剂、冲击改性剂、耐寒剂、相容剂。
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。
03
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。
增韧尼龙低温韧性的高低就取决于尼龙中增韧剂分散颗粒的大小，相容剂的含量越多，增韧剂颗粒的尺寸就越小。一般来说，当增韧尼龙达到超韧水平后，增韧剂颗粒的尺寸在200~500纳米左右。
尼龙增韧工艺
尼龙与增韧剂混合最常用的方法就是在双螺杆挤出机中进行熔融共混，在共混过程中增韧剂和尼龙发生化学反应，形成了相容剂，这个过程也被称作原位增容。
对尼龙6来说，与增韧剂在挤出机中熔融共混的温度一般在220℃~250℃之间，利用螺杆转速调节尼龙与增韧剂的共混时间，时间太短，生成的相容剂浓度不够，尼龙韧性就不好；时间太长，可以生成足够多的相容剂，但是尼龙降解程度增加，机械性能恶化。
04
总结
纯尼龙在低温下的韧性很低，增韧是尼龙最常用的改性方法之一。POE-g-MAH和EPDM-g-MAH作为最常用的尼龙增韧剂，增韧效果好，操作方便而大受欢迎。利用增韧剂链段上MAH基团的反应性，尼龙与增韧剂在混合过程中原位生成了相容剂，相容剂的多少决定了尼龙增韧水平的高低，而且与增韧工艺关系密切。
将尼龙与增韧剂混合后，可以显著提高尼龙的低温韧性，降低尼龙的吸水性，但是材料的拉伸强度显著下降。强韧平衡是指尼龙韧性提高的同时，拉伸强度不降低或者少降低，这一直是尼龙增韧研究中追求的目标。
05
一张图概况全文
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