抗静电尼龙610复合材料的制备和研究

黄金鹏，翟红波，韦洪屹，杨振枢

(苏州博利迈新材料科技有限公司，江苏　苏州　215105)



抗静电尼龙610复合材料的制备和研究

黄金鹏，翟红波，韦洪屹，杨振枢

(苏州博利迈新材料科技有限公司，江苏苏州215105)

分别选用导电炭黑、碳纳米管以及碳纤维作为抗静电剂，使用双螺杆熔融挤出制备抗静电尼龙610复合材料。对比发现，要达到抗静电效果，碳纳米管的加入最少5 wt%的加入量就能够达到抗静电效果；而导电炭黑和碳纤维都要加到15wt%才能达到抗静电要求。同时，碳纳米管的加入对材料力学性能的影响最小；导电炭黑对材料性能损失最大，需要进一步增韧才有使用价值；而碳纤维具有增强效果，但是会导致产品外观有浮纤现象。

导电炭黑；碳纳米管；碳纤维；抗静电

高分子材料由于其易于加工和着色、密度低、耐腐蚀等优异的性能在越来越多的领域逐渐取代传统的金属材料；特别是工程塑料，如聚酰胺、聚酯类、聚甲醛以及聚苯醚等。而在众多工程塑料中，以聚酰胺类材料的应用最为广泛，主要包括尼龙6和尼龙66，这两者占整个聚酰胺大类的80%以上。但是由于尼龙6和尼龙66都同属于短碳链尼龙，其分子结构中酰胺键比例高，易于吸水导致材料性能波动大，尺寸稳定性差，不适合制备高精度的产品；而长碳链尼龙在保持了尼龙材料耐油性好、耐疲劳性优异的基础上，自身吸水率大大降低，尺寸稳定性也明显改善。因此，在一些对尺寸稳定性和性能稳定性要求高的场合，使用长碳链尼龙就成了必然趋势[1]。同时，部分长碳链尼龙，如尼龙610，1010以及1012等都是部分或全部生物基的材料，相比于传统的石油基材料，具有环保的优势[2-3]。

然而大部分高分子材料自身是绝缘材料，相对于金属材料，具有表面电阻高的特点，在长期使用过程中，材料表面往往会积聚静电导致火灾。所以在很多应用场合，如煤矿，加油站以及印刷行业都需要材料具有抗静电甚至导电的特性，这样可以避免静电积聚，消除安全隐患。本文选用尼龙610作为基体材料，分别选用导电炭黑，碳纳米管以及碳纤维作为抗静电剂，成功制备了抗静电尼龙610复合材料，并对不同抗静电剂制备的材料的力学性能进行了比较。

1　实　验

1.1实验原料

尼龙610(注塑级)，山东东辰；表面处理的多壁碳纳米管，中科院苏州纳米研究所；超导炭黑(市售)，捷克产；碳纤维，美国ZOLTEK；抗氧剂1010，巴斯夫；抗氧剂168，巴斯夫；润滑剂和白油，市售。

1.2仪器和设备

CPM-TSE-35型双螺杆挤出机，南京瑞亚；CH-50型注塑机，台湾震雄；表面电阻仪，泰克曼；电子万能拉力机，美特斯工业系统(中国)有限公司；摆锤式冲击试验机，美特斯工业系统(中国)有限公司。

1.3实验步骤

(1)将尼龙610分别同5wt%，10wt%，15wt%导电炭黑用高速搅拌机搅拌均匀，在搅拌过程中加入白油起粘合作为，混合均匀后，通过双螺杆挤出机挤出、切粒，分别得到样品CB05，CB10以及CB15；

(2)同样将尼龙610分别同1wt%，3wt%，5wt%的多壁碳纳米管用高速搅拌机混合均匀，重复以上步骤，得到CNT01，CNT03以及CNT05；

(3)将尼龙610同少量抗氧剂以及润滑剂搅拌均匀，从双螺杆挤出机的主喂料口加入，碳纤维从侧喂料口加入，控制比例分别为5wt%，10wt%以及15wt%，分别得到样品CF05，CF10以及CF15。

(4)将以上制备的各个样品用注塑机制备标准试条测试表面电阻以及力学性能，同时测试纯的尼龙610的材料的性能作为参考。材料的所有性能测试都是在干态下进行的。

1.4测试方式

(1)表面电阻：ASTM D257;

(2)拉伸强度：ISO 527;

(3)断裂伸长率：ISO 527;

(4)简支架缺口冲击强度：ISO 527；

(5)外观：目测。

2　结果与讨论

2.1超导炭黑系列

表1　不同比例导电炭黑产品的表面电阻Table 1　Surface resistance of different conductive carbon black contents

参照IEC61340，当表面电阻在105～1011Ω之间时，可以认为材料满足抗静电要求；从表1可以看出，只有当导电炭黑的加入量达到15wt%时，采用导电炭黑作为抗静电剂的产品才能满足抗静电的要求。而在导电炭黑加入量为5wt%时，表面电阻与纯的尼龙610相比，几乎没有变化；而在导电炭黑的加入量达到10wt%时，表面电阻有一些降低，仍然无法满足抗静电的要求。

根据渗流阈值的理论[4]，不同抗静电剂加入到高分子基材中，只有当其加入量达到其渗流阈值时，其表面电阻才会出现明显的下降；也就是当导电介质在高分子材料中形成稳定的导电通路时，才会出现电阻的明显下降。而结合导电炭黑的实验结果可以看出，导电炭黑在高分子材料中易于团聚，难以分散，只有通过不断提高加入量才能使团聚的炭黑最终形成导电通路，达到抗静电效果。

2.2碳纳米管系列

表2　不同比例碳纳米管产品的表面电阻Table 2　Surface resistance of different carbon nanotube contents

从表2可以看出，将表面处理过的碳纳米管加入到尼龙610中，在碳纳米管加入量达到3wt%时，表面电阻已经出现明显下降，达到了抗静电材料的上限值；而随着碳纳米管的加入量进一步加大到5wt%时，表面电阻进一步下降。这说明选择碳纳米管作为抗静电剂时，其渗流阈值明显低于超导炭黑。这是由碳纳米管的自身结构决定的。碳纳米管是一维的碳纳米材料，其径向尺寸是纳米级，而在长度方向上是微米级的，具有一定的长径比，相对于微米级球形的炭黑，更容易形成导电通路[5]。但是碳纳米管自身更容易团聚，所以选择良好表面处理的碳纳米管是尤为重要的。

2.3碳纤维系列

从表3可以看出，碳纤维加入量5wt%时，材料的表面电阻基本上没有什么变化，而在加入量进一步增加到10%时，材料的表面电阻出现明显下降；进一步增加碳纤维的含量至15wt%，表面电阻降至107Ω级别。碳纤维的直径是微米级[6]，而长度方向上是毫米级别，其从形貌上看和碳纳米管有一定的相似处。但是其直径方向上巨大差别导致其达到同样导电效果的加入量有着明显的差别。

表3　不同比例碳纤维产品的表面电阻Table 3　Surface resistance of different conductive carbon fiber contents

2.4不同抗静电剂的加入对力学性能的影响

考虑到力学性能对产品的实际应用也非常重要，本文进一步对不同抗静电剂达到抗静电效果时的力学性能也加以对比；同时，通过目视对比了产品的外观。

表4　不同抗静电剂制备的抗静电PA610的力学性能Table 4　Mechanical properties of antistatic PA610 based on different antistatic additives

从表4中可以看出，与纯的尼龙612相比，选用导电炭黑作为抗静电剂时，在达到抗静电性能时，整个材料的力学性能下降幅度很大，特别是韧性很差，必须进一步加增韧剂调整后才具有实际应用价值；而采用碳纳米管和采用碳纤维可以直接使用，使用碳纳米管作为导电介质，具有外观好，加入量低，与纯料的性能最有接近。而采用碳纤维作为抗静电剂的同时，它还具有增强效果，大大提高了材料的刚性，但是碳纤维也带来了产品表面浮纤和产品翘曲变形等问题。

3　结　论

(1)采用导电炭黑制备抗静电尼龙610，加入量大，只有加入量达到15wt%时，才能达到抗静电效果，同时大量导电炭黑的加入，严重影响了材料的性能。必须通过进一步增韧才具有使用价值。

(2)采用碳纳米管作为抗静电剂时，加入量达到5wt%时，表面电阻就能够达到抗静电效果，同时与纯的尼龙610相比，整体力学性能差异较小。

(3)采用碳纤维作为抗静电剂时，加入量达到15wt%时，可以满足抗静电要求；同时碳纤维加入对尼龙610有明显的增强效果。但是，由于玻纤的加入导致产品表面有浮纤，同时也可能导致产品翘曲变形。

[1]张雄翎,陶华,张广来. 吸水性对尼龙紧固件拉伸强度的影响[J]. 塑料工业,2006,34(1):47-49.

[2]唐伟家. BASF推出含可再生资源材料的尼龙610[J]. 现代塑料加工应用，2008(04):15.

[3]季栋,方正,欧阳平凯,等. 生物基聚酰胺研究进展[J]. 生物加工过程,2013,11(2):73-80.

[4]杨瑞成,羊海棠,彭采宇,等.逾渗理论及聚合物脆韧转变逾渗模型[J].兰州理工大学学报，2005,31(1):26-31.

[5]朱雷,李仲谨,余丽丽,等. 碳纳米管/聚合物复合材料研究进展[J]. 化工科技，2009,17(1):71-75.

[6]岳中仁,李仍元,王平华,等.碳纤维直径对结构和性能的影响[J].合成纤维工业，1991,14(3):29-32.

Preparation and Research on Antistatic PA610 Composite

HUANGJin-peng,ZHAIHong-bo,WEIHong-yi,YANGZhen-shu

(Suzhou Polymore New Materials Tech. Co., Ltd., Jiangsu Suzhou 215105, China)

Conductive carbon black, carbon nanotube and carbon fiber were chosen as antistatic additives to prepare the antistatic PA610 composite via melt extrusion with twin-screw machine. Among the three additives, the percent of carbon nanotube was lowest to meet the antistatic level and 5wt% was enough. For the other two items, 15wt% addition was necessary to reach the same target. At the same time, the addition of carbon nanotube had the minimum minus influence on the mechanical properties of the resin. It was a must to improve the toughness of the composite for further application if choosing the carbon black. The addition of carbon fiber can not only reinforce the resin, but also bring the surface issue.

conductive carbon black; carbon nanotube; carbon fiber; antistatic

黄金鹏(1986-)，男，工程师，主要从事工程塑料的开发和应用。

TQ327.3

B

1001-9677(2016)08-0106-03