超韌尼龍混煉改質技術與應用驗證

 

刊登日期:2022/5/5
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吳晉安 / 工研院材化所
 
尼龍因具有優良的機械性質、耐熱性與可加工性,被大量應用於汽車、電子、工程與航太等領域。但由於日漸嚴格的產品性質規範,迫使尼龍需透過改質製程來進一步改善其性質上的不足,例如尺寸安定性與低溫耐衝擊性等。本文將針對改性尼龍製程進行介紹,同時著重探討超韌尼龍之市場與其應用領域,以及增韌機理與混煉技術,最後也將分享工研院材料與化工研究所已開發之新型熔融增韌技術與材料性質驗證結果。
 
【內文精選】
尼龍塑料種類與產業趨勢
聚醯胺高分子(Polyamide; PA)是一種在分子主鏈上具有醯胺基團(-NHCO-)的聚合物,俗稱為尼龍(Nylon),是一種具有許多不同品種的工程塑料。其中Nylon 66是最早被工業化生產的品種,1939年由美國杜邦公司開始生產,其最初開發的產品為人造纖維。直到1952年Nylon 66才被杜邦公司作為工程塑料使用,目的是取代部分金屬來滿足下游產品對於輕量化與低成本的需求。尼龍塑料在發展過程中,有很長的時間其產量位居於五大工程塑料之首,主要的原因是:①因其高結晶性而具有良好的機械性能;②原料來源廣且品種多樣,可根據終端產品所需之性能來挑選適合的原料;③易於改質,如添加玻璃纖維來大幅提升剛性與尺寸穩定性等;④易於加工成型,特別適合射出加工;⑤應用領域廣泛,在工業上尼龍纖維主要用於工業用布、纜繩、帳篷、漁網、安全氣囊或是降落傘等軍用織物,另外也可藉由押出、射出等加工成型製程,生產可用於汽車、電子、工程、建材、民生用品、包裝與航太領域之產品。
 
超韌尼龍市場與應用領域
尼龍被大量應用在汽車領域中,近年來由於氣候變遷,極地低溫氣候襲捲所有緯度較高的國家,汽車大廠紛紛訂出更為嚴格的材料規範。因此,如何更有效地提高材料的低溫耐衝擊性是首要解決的問題。而超韌尼龍(Supertough Nylon)是一種完成增韌改質的功能性尼龍複材,除了保留原有的良好機械強度、耐化學性與撓曲記憶力之外,在不同溫度(-40˚C)和濕度範圍內都具有出色的抗衝擊性,其低溫衝擊強度是普通尼龍的10倍,故被廣泛用於汽車零件、電氣和電子產品、機械零件,以及其他應用如運動用品,如圖二所示。商業上有超韌尼龍6 (STPA6)與超韌尼龍66 (STPA66)兩種產品,由於下游市場對於綜合物性的需求,STPA66發揮著越來越重要的作用而成為主流產品。與此同時,由於價格因素,STPA66的開發仍受到一定程度的限制。
 
圖二、超韌尼龍之應用產品
圖二、超韌尼龍之應用產品
 
尼龍增韌機理與混煉製程核心技術
有關塑料增韌理論的研究最早開始於1950年代,主要係透過研究脆性材料與增韌劑所形成的物理分散模型,以及複材在受衝擊應力時產生形變與破壞的行為,來構建完整的基礎理論,其中包含微裂紋理論、多重銀紋理論、剪切屈服理論與銀紋-剪切帶理論等。1956年Mertz等人首次提出微裂紋理論,認為增韌劑的橡膠粒子會橫跨在材料變形所產生的細微裂縫之上,並阻止其繼續發展成裂痕,而過程中橡膠粒子的拉伸變形則會吸收部分衝擊能量,進而提高材料衝擊強度,但此說法僅針對橡膠相的貢獻進行說明。
 
除了增韌劑的影響之外,進行雙螺桿混煉押出製程時的製程溫度、螺桿轉速與螺桿組態排列組合(剪切分散力)皆會對超韌尼龍性質有所影響。因此,工研院材料與化工研究所團隊在開發初期,係針對尼龍與不同增韌劑的界面相容性進行模擬分析,藉此設計出合適的增韌配方。同時因材料性能與其材料間流變特性與微相型態(Microphase Morphology)皆息息相關,故開發重點在於超韌尼龍微結構型態操控技術,並透過複合配方設計、製程條件與材料流變特性等調控,使其超韌尼龍之機械強度、可加工性質與低溫耐衝擊強度取得最佳平衡,最後建立試量產雙螺桿混煉製程產線,如圖五所示。
 
圖五、低溫耐衝擊尼龍開發之重點技術展開
圖五、低溫耐衝擊尼龍開發之重點技術展開
 
工研院材化所研究團隊已成功建立尼龍增韌技術之連續式雙螺桿反應押出(Reactive Extrusion)製程,搭配塑/橡膠高精度雙餵料系統,以及高剪切/高分散混煉元件組態系統---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》425期,更多資料請見下方附檔。

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