尼龙6在不同温度下力学性能和拉伸测试论文
2020-01-29 18:23:01 137
尼龙分子链之间的强氢键使它们具有强大的分子间力，并且分子链排列有序，因此具有韧性，耐磨性，耐冲击性，耐疲劳性，耐腐蚀性和耐油性它是重要的工程塑料[1〜5]。因此，研究其在不同环境下的性能具有重要的意义和实用价值。
影响尼龙力学性能的因素已引起广泛关注。 Wang Xiaochun
和其他研究人员对尼龙/无定形尼龙共混物的拉伸研究发现，随着无定形含量的增加，强度，模量的增加和断裂伸长率的降低与γ的增加有关。相含量Pai等。对尼龙6纤维进行单轴拉伸，发现杨氏模量和屈服强度随纤维直径的减小而减小。有所增加。聚合物的拉伸性能倾向于随着拉伸比的增加而增加[8,9]，并且拉伸条件对结晶聚合物力学性能的影响不仅必须考虑分子系统和分子链结构，还必须考虑温度
。对温度对聚合物材料力学性能影响的研究引起了广泛的关注[11,12]。 Shan等。 研究了尼龙6样品在不同温度和拉伸强度下的不同性能和尺寸。伸长率下的变形过程。在特定条件下，尼龙6样品具有双重屈服特性。需要指出的是，样品的特定温度，拉伸速率和初始结构会影响材料的拉伸性能。屈服现象作为一种重要的材料特性，被认为是导致材料永久变形的不可逆塑性行为的开始
。实验表明，Eyring方程可以很好地描述聚合物，包括无定形聚合物和半结晶聚合物的屈服行为，并且可以扩展Kohlrausch-Willianms-Watts模型
成品率很好。在本文中，拉伸热台用于测试尼龙6在相同变形速率下在不同温度下的应力-应变曲线。根据尼龙6的力学性能（屈服强度和杨氏模量）与温度之间的关系，发现Arrhenius方程可以很好地描述温度对尼龙6样品的影响，并讨论了温度与材料粘度之间的关系。 ，以及屈服强度和粘度之间的关系。为了更好地理解温度对尼龙6力学性能的影响，使用原位同步加速器辐射广角衍射（WAXS）方法测试了尼龙6在不同温度下拉伸过程中的结构变化。
1实验部件
1.1实验材料和样品制备
尼龙6购自日本宇部市，等级为1013B，熔点为210〜215℃，分子量15000〜30000，密度为1.13g / cm3。将尼龙6颗粒在真空干燥箱中在60℃下干燥24小时，然后用平板硫化机在230℃下熔融，然后逐渐加压至20MPa 3分钟。取出后，迅速冷却至室温并压至0。用切刀将5mm的切片切成哑铃状。切出的哑铃样品的总长度为26 mm，包括1.5 mm的颈部宽度和两肩之间的3 mm距离。
1.2原位同步辐射WAXS实验
原位同步辐射广角衍射实验（WAXS）在北京同步辐射1W2A线站进行，波长为0.154 nm。样品到检测器的距离为89.5毫米。在尼龙6的原位拉伸过程中，使用Mar165-CCD检测器收集WAXS数据。通过Fit2D软件对获得的WAXS二维图像进行处理和分析。
使用Linkam公司生产的TST-350拉伸热台以恒定的拉伸速率（5μm/ s）拉伸哑铃状样品，并记录拉伸过程的应力-应变曲线。在30、60和90°C进行拉伸实验，同时在拉伸过程中记录原位WAXS数据。拉伸实验一直进行到样品破裂为止，并通过linksys32软件收集并处理了拉伸数据。
2结果和讨论
2.1。尼龙6在不同拉伸温度下的应力应变曲线和力学性能
尼龙6的温度力学性能有很大影响。图1显示了在不同温度下获得的应力-应变曲线。图1的结果表明，尼龙6的屈服强度和杨氏模量随温度的升高而显着降低。应力-应变曲线所包围的面积，即材料断裂所需的断裂能，随着温度的升高而减小。温度对应力-应变曲线形状的影响很小，差异主要在于屈服强度和弹性模量。
通过分析在不同温度下测得的尼龙6的应力-应变曲线，可以获得尼龙6的屈服强度和杨氏模量与温度的关系。变化示于图2。
从图2（a）中可以看出，尼龙6的屈服强度随温度的升高而降低，即从30℃时的31 MPa降至30℃时的19 MPa。 90℃。通常将其视为晶体。聚合物的屈服行为是通过复杂的所谓的“球晶纤维”转变过程进行的。屈服前的塑性流动伴随着分子链取向和重结晶
。从图2（b）可以看出，尼龙6的杨氏模量随着拉伸温度的升高而降低，并随着温度的升高呈指数降低。聚合物主链上碳原子之间的杨氏模量和键长键角度的相关性可以忽略不计。分子键长键角急剧变化。在宏观上，聚合物在弹性变形阶段变软，即，杨氏模量降低。与链段的活性相比，键长和键角的这些变化相对较小。这些变化对材料硬度的影响随着温度的升高而逐渐降低，因此杨氏模量的降低速度有所减缓。2.2 2尼龙6的屈服强度与拉伸温度之间的关系
温度对比率系数k的影响通常由Arrhenius方程[19,20]描述。等温条件下的动态过程也可以用这个方程来分析
。为了尽可能简化分析，并且Arrhenius方程只有2个参数，我们尝试使用Arrhenius方程k = Aexp [-[Ea / RT]拉伸性能（屈服强度）与拉伸温度之间的关系。分析了图2（a）中的尼龙6。
通过取图2（a）中温度的倒数并计算屈服强度的对数，可以获得图3所示的结果。在对图3中的结果进行拟合和分析后，得出尼龙6的屈服强度与温度之间的Arrhenius方程：
在拉伸过程中，尼龙6样品的粘度随拉伸温度而升高。增加和减少，粘度降低导致样品分子链的相互阻塞减少，并且材料更容易发生塑性变形，从而导致产量增加和不可逆的变形。
2.3尼龙6在不同温度下拉伸过程中的结构变化
为了更准确地理解拉伸温度对尼龙6力学性能的影响，尼龙6的结构在原位同步加速器辐射WAXS上进行了测试。图4示出了在标记的拉伸温度下垂直于拉伸方向的尼龙6的WAXS结果。
在WAXS结果中，在20.5°和23.5°处2θ附近的衍射峰分别是尼龙6
在21°处的α（200）和α（002/220）晶面衍射。 5°和11.15°附近的衍射峰是γ（200）和γ（020）晶面衍射
。图4中的结果表明，在不同温度下未拉伸的尼龙6同时含有α相和γ相。随着温度升高，α相相对于γ相的衍射强度逐渐降低，即，温度升高导致尼龙6样品的α相与γ相之比降低。从图4（a）可以看出，在30℃拉伸时，γ（020）峰的强度随着应变的增加而逐渐降低。可以看出尼龙6的分子链沿着拉伸方向（b轴是分子链方向）。 α（200），α（002/220）和γ（200）峰强度随着应变的增加而增加，并最终合并为一个更强的峰。样品断裂后，结晶部分的衍射峰消失，仅非晶态
contributed贡献一个散射峰。垂直于拉伸方向的α（200），α（002/220）和γ（200）峰的峰值强度的增加表明，沿拉伸方向排列的尼龙6的结晶部分的分子链增加。在玻璃化转变温度之上（60°C和90°C），γ（020）峰随应变的变化趋势与30°C时相似，而α（200），α（002/220）和γ（200）峰值随应变增加而减小。即，当拉伸温度高于玻璃化转变温度时，取向尼龙6的晶体部分的分子链减少。这意味着，随着分子链的迁移率增加，尽管尼龙6的结晶部分的分子链沿拉伸方向取向，但是分子链发生滑动或结晶区域熔化。比较图1和2的散射结果。如图4（a），4（b）和4（c）所示，在裂缝附近，还可以看到，随着拉伸温度的升高，样品的有序性在较大应变下下降得更快。可以看出，尼龙6的晶体部分更容易被破坏。
3结论
在本文中，借助Linkam拉伸热台测量了恒定温度下尼龙6在不同温度下的拉伸应力-应变曲线。 ，并同时就地同步。辐射WAXS方法分析了拉伸过程中尼龙6样品的机械性能与温度之间的关系，以了解尼龙6样品在不同温度下的结构变化。尼龙6样品的6应力-应变曲线上的屈服点在拉伸过程中并不明显，并且随着拉伸温度的升高而逐渐变得模糊。我们使用Arrhenius模型描述尼龙6样品拉伸过程中屈服强度与温度之间的关系，并分析尼龙6样品的粘度和玻璃化转变温度对屈服强度的影响。 WAXS结果表明，随着温度的升高，未拉伸尼龙6样品中的α相与γ相之比降低。在拉伸条件下，随着拉伸温度的升高，样品的晶体部分容易发生结晶区域的滑移或熔化，有序度降低，因此样品承受外力的能力降低，这反映在屈服强度和杨氏模量下降。
