Development and structure-properties relationship of polyamide 6 single polymer composites reinforced by textile structures and prepared by reactive injection molding

Abstract

Compósitos Laminados de Polímero Único, baseados numa matriz aniónica de poliamida 6 (PA6) e reforçados por estruturas têxteis de PA6 (tricotadas e tecidas), foram preparados com sucesso através de duas técnicas: (i) combinação de revestimento em pó de estruturas têxteis tricotadas em PA6 com micropartículas de PA6 e subsequente consolidação por moldagem por compressão (processo PCCM) ou (ii) moldagem por injeção reativa, incluindo a preparação no molde da matriz PA6, na presença dos mesmos tecidos de malha (processo NYRIM). As micropartículas (MPs) de PA6 para o processo PCCM foram preparadas por polimerização aniónica em suspensão antes da moldagem por compressão. No processo NYRIM foi aplicado um processo de polimerização aniónica semelhante, mas realizado in situ na massa e diretamente no molde NYRIM, na presença dos reforços têxteis. Dois padrões básicos de malha (Rib1x1 e Jersey) e de estruturas tecidas (Tafetá e Cetim de 5) foram selecionados como reforços. Neste estudo foram utilizados pela primeira vez como reforços, estruturas em tafetá com pesponto, patenteadas pela empresa Jackob Muller AG® e consideradas como uma nova classe de tecidos. Todos os reforços foram tensionados e termofixados antes da moldagem. A influência da arquitetura de reforço, fração volúmica de fibra (variando na gama de 15-25%), orientação de reforço e ordem de sobreposição de camadas, nas propriedades mecânicas dos compósitos (resistência à tração, flexão e impacto Izod) foi avaliada para ambas as técnicas de moldagem. De uma forma geral, o processo PCCM conduziu a compósitos laminados de polímero único com boas propriedades mecânicas em tensão. A técnica de NYRIM produziu laminados com baixos valores de rigidez e resistência à tração, principalmente devido à formação de oligómeros na presença dos reforços têxteis. Nos compósitos reforçados com tecidos pespontados e preparados pelo processo PCCM, verificou-se uma maior rigidez e resistência à tração até 50% e 63%, respetivamente, quando comparadas com as amostras reforçadas com estruturas de malha e com a matriz. Os compósitos reforçados com tecido demonstraram ser mais dúcteis do que os compósitos reforçados com estruturas de malha devido à elevada tensão na rotura. Todos os compósitos reforçados por malhas apresentaram propriedades de flexão e impacto melhoradas quando comparados com os compósitos reforçados com tecidos e com a matriz pura. Verificou-se através de microscopia eletrónica e por simulação que o comportamento de todos compósitos na fratura depende da deformação estrutural dos reforços. Os resultados obtidos por microscopia eletrónica e, indiretamente, por estudos de difração de raios X sugeriram a formação de uma camada transcristalina na interface fibra-matriz nos compósitos produzidos pelos processos NYRIM e PCCM. Neste último caso, esta camada transcristalina é ligeiramente mais espessa. Através de estudos estruturais utilizando métodos térmicos e de difração de raios X foi possível demonstrar a importância do pré-tensionamento e termofixação dos reforços têxteis na consolidação de amostras para ambos os processos. Constatou-se que as propriedades mecânicas dos compósitos laminados de polímero único estudados dependem significativamente da estrutura cristalina da matriz e dos reforços.

Single polymer laminate composites (SPCs) based on anionic polyamide 6 (PA6) matrix and reinforced by PA6 knitted and woven textile structures were successfully prepared by two techniques: (i) a combination of powder-coating of PA6 knitted textile structures with PA6 microparticles and subsequent consolidation by compression molding (PCCM process) or (ii) by reactive injection molding including the in-mold preparation of the PA6 matrix, in the presence of the knitted textiles (NYRIM process). The PA6 microparticles (MPs) for PCCM were prepared by anionic polymerization in suspension prior to the compression molding. In the NYRIM process, a similar anionic polymerization process was applied but carried out in situ in the bulk and directly in the NYRIM mold, in the presence of the textile reinforcements. Two basic knitted patterns (Rib 1×1 and Jersey) and woven architectures (Plain and Satin-5 harness) were selected as reinforcements. Stitched plain structures, a promising novel class of woven fabrics patented by Jackob Muller company AG®, were used for the first time as reinforcements in the present study. All reinforcements were stretched and annealed prior molding. The influence of the reinforcement architecture, fiber volume fraction (varying in the 15-25% range), reinforcement orientation and stacking order, on the mechanical properties of the single polymer composites (tensile, flexural and Izod impact) was evaluated for both molding techniques. In general, it was found that the PCCM process leads to single polymer laminates with good mechanical properties in tension. On the other hand, the NYRIM technique produced laminates with low stiffness and strength values, the reason being the formation of oligomers in the presence of the textile reinforcements. In the composites reinforced by stitched plain fabrics and prepared by the PCCM process, a higher tensile stiffness and strength up to 50% and 63%, respectively was obtained, when compared to the knitted reinforced ones and the matrix component. Woven reinforced composites were more ductile than the ones reinforced with knitted structures due to the high strain at failure. All knitted reinforced composites showed higher flexural and impact properties when compared to the woven reinforced composites and the neat matrix. Using electron microscopy complemented and by simulation studies it was demonstrated that the fracture behavior of all composites depend on the structural deformation of the reinforcements. The microscopy results and, indirectly, the X-ray diffraction (XRD) studies suggested the formation of a transcrystalline layer at the fiber-matrix interface in both NYRIM and PCCM composites. This transcrystalline layer is slightly thicker in the latter case. Structural studies carried out using thermal methods and XRD pointed out to the importance of the stretch-annealing pre-treatment of the textile reinforcements for samples’ consolidation in both processes. The mechanical properties of the SPCs were found to depend on the crystalline structure of both matrix and reinforcements.