高流动性碳纤维增强尼龙66的制备与性能

2021-08-23张友强王宝生赵付宝王旭华姚立凯张学锋诸葛炯

工程塑料应用 2021年8期

张友强，王宝生，赵付宝，王旭华，姚立凯，张学锋，诸葛炯

(山东非金属材料研究所，济南 250031)

尼龙在通用工程塑料中产量最大、品种最多、用途最广，其综合性能优良[1]。在尼龙的众多品种中，尼龙66占有绝对主导地位。尼龙66是一种多晶型半结晶热塑性聚合物，具有密度低、强度高、耐腐蚀、耐磨性好等优异性能，但是尼龙66还存在吸水率高、吸水后强度下降、尺寸稳定性差以及低温下抗冲击能力差等缺陷，这些缺陷也限制了尼龙66的应用范围[2–3]。因此，为了提高尼龙66的综合性能，需要对其进行改性，其中，将玻璃纤维、碳纤维等高性能纤维与尼龙66进行复合来提高材料的力学性能是较为常用的手段[4–7]。

碳纤维是含碳量高于90%的一种无机纤维，主要由聚丙烯腈纤维等有机纤维经碳化处理制得，它具有密度小、强度高、模量高以及耐磨性好等优点，常用于高性能复合材料的制备，广泛应用于航空航天、医疗器械以及汽车领域[8–10]。

利用碳纤维高强高模的特点，对尼龙66进行增强改性，可以大幅度提高材料的强度和刚性，这也成为了尼龙66改性的研究热点[11–12]。陈邑等[13]采用注塑方法制备了纯PA66及纤维质量分数分别为10%，20%，30%，40%的五种碳纤维增强PA66复合材料，采用拉伸试验测定了材料的拉伸强度和弹性模量，比较了不同纤维含量对材料性能增强作用的差异。王立岩等[14]采用双螺杆挤出机熔融共混法制备了碳纤维增强尼龙66复合材料，并系统地研究了复合材料的结构和性能，研究结果对碳纤增强热塑性复合材料的制备起到较好的借鉴作用，对该类复合材料的生产具有一定指导意义。曲日华等[15]对碳纤维增强尼龙66复合材料的热性能进行了研究，结果表明碳纤维的加入使得复合材料的结晶性能以及热稳定性得到提高，但是同时也会降低材料的熔体流动速率(MFR)。

MFR的降低使得碳纤维增强尼龙66材料的流动性能变差，加工成型困难，在制品表面易出现纤维外漏等不良现象，影响产品外观[16]。目前，对于纤维增强尼龙66材料的流动性能改善最为有效的方法是添加流动改性剂。流动改性剂可以与尼龙66树脂良好相容，降低树脂分子间的内聚力以及纤维间的摩擦力，从而提高材料熔体的流动性。

笔者以尼龙66为基体材料，添加流动改性剂等相关功能助剂，通过双螺杆挤出机采用连续碳纤维进料的方式制备了碳纤维增强尼龙66复合材料，并系统地研究了碳纤维、流动改性剂等对复合材料力学性能和熔体流动性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原材料

尼龙66：EPR27，平顶山神马工程塑料有限责任公司；

碳纤维长丝：T700，日本东丽株式会社；

增韧剂马来酸酐接枝聚烯烃弹性体(POE-g-MAH)：CMG9805，佳易容相容剂江苏有限公司；

流动改性剂：CF–201，余姚市凯姆立华塑料科技有限公司；

抗氧剂1098，168：德国巴斯夫公司。

1.2 主要仪器与设备

双螺杆挤出机：CTE–35型，南京科亚化工成套装备有限公司；

注塑机：HTF90W1型，宁波海天集团股份有限公司；

电热鼓风干燥箱：ZB101–1型，山东淄博仪表厂；

万能试验机：E43型，美特斯工业系统(中国)有限公司；

冲击试验机：XJJ–50型，承德试验机有限责任公司；

MFR仪：XNR–400AM型，承德衡通试验检测仪器有限公司。

1.3 试样制备

将尼龙66、增韧剂、流动改性剂、抗氧剂等按一定比例(增韧剂质量分数为5%，抗氧剂质量分数为0.2%)混合均匀，碳纤维在挤出机侧喂料处加入，经双螺杆挤出机挤出造粒，通过控制碳纤维束数量，制备出碳纤维质量分数分别为15%，25%，35%的碳纤维增强尼龙66材料，挤出温度为265～285℃，螺杆转速为250～350 r／min。将制备的碳纤维增强尼龙66粒料在100℃下鼓风干燥8~10 h后通过注塑机制备出标准试样，注塑温度为265～285℃，注塑压力为8 MPa。

1.4 性能测试

拉伸性能按GB／T 1040.2–2006测试，拉伸速度为10 mm／min，试样类型为1A型；

弯曲性能按GB／T 9341–2008测试，试验速度为2 mm／min；

简支梁缺口冲击强度按GB／T1043–2008测试，试样类型为1eA型；

MFR按GB／T 3682–2000测试，试验温度275℃，标称负荷2.16 kg。

2 结果与讨论

2.1 碳纤维含量对复合材料力学性能的影响

根据碳纤维含量的不同，制备出碳纤维质量分数分别为15%，25%，35%的碳纤维增强尼龙66材料，考察了碳纤维含量对碳纤维增强尼龙66复合材料力学性能的影响，结果如图1所示(图1中碳纤维质量分数为0%时的力学性能数据为纯尼龙66的数据)。由图1可知，随着碳纤维含量的增加，碳纤维增强尼龙66复合材料的拉伸强度、弯曲强度以及缺口冲击强度都大幅度提高。当碳纤维质量分数达到35%时，碳纤维增强尼龙66复合材料的拉伸强度达到251 MPa，比纯尼龙66树脂提高了210%；复合材料的弯曲强度由纯树脂的72 MPa提高到358 MPa，提高了397%；复合材料的缺口冲击强度则提高了178%，达到了22 kJ／m2。这是因为，碳纤维具有高强的特点，在碳纤维增强尼龙66材料受到拉伸及弯曲应力时，碳纤维起到了承载外力的作用，从而使得材料的拉伸强度和弯曲强度大幅度提高。另外，碳纤维增强尼龙66材料受到冲击时，碳纤维和尼龙66的两相界面受到破坏，碳纤维从树脂中拔出的过程消耗了冲击能量，从而使得材料的冲击强度提高。

图1 不同碳纤维含量的复合材料力学性能

2.2 碳纤维含量对复合材料熔体流动性能的影响

碳纤维的加入虽然使得碳纤维增强尼龙66复合材料的力学性能大幅度提高，但是也影响了材料的熔体流动性能。研究了不同碳纤维含量对复合材料MFR的影响。其结果如图2所示(图2中碳纤维质量分数为0%时的MFR为纯尼龙66的MFR)。从图2可以看出，随着碳纤维含量的增加，碳纤维增强尼龙66复合材料的MFR大幅度下降，当碳纤维质量分数为35%时，其MFR由纯尼龙66树脂的43 g／(10 min)下降到3.7 g／(10 min)，下降了91.4%。这是因为碳纤维增强尼龙66复合材料体系中的碳纤维束穿插在尼龙66基体中，并且随着碳纤维含量的增加，材料的内摩擦力增大，导致材料的熔体流动性能变差，表现为MFR降低。

图2 不同碳纤维含量的复合材料MFR

2.3 流动改性剂含量对复合材料性能的影响

碳纤维的加入可使碳纤维增强尼龙66复合材料获得优秀的力学性能，但同时也大幅降低了材料的熔体流动性能，这就极大地限制了碳纤维增强尼龙66复合材料的应用范围。因此，需要加入流动改性剂来改善复合材料的熔体流动性能。以碳纤维含量较高(质量分数分别为25%和35%)的复合材料为例，添加质量分数分别为0.3%，0.5%，0.8%，1%的CF–201流动改性剂，考察了流动改性剂含量对碳纤维增强尼龙66复合材料力学性能及MFR的影响，结果如图3、图4所示。

由图3可知，流动改性剂的加入对碳纤维增强尼龙66复合材料的力学性能影响不大，基本和未添加流动改性剂的材料力学性能持平。从图4可以看出，流动改性剂的加入能大幅度提高碳纤维增强尼龙66复合材料的MFR，有效地改善复合材料的熔体流动性能。当流动改性剂质量分数达到0.5%时，相对于未添加流动改性剂的复合材料，碳纤维质量分数为25%的复合材料的MFR提高了91%，碳纤维质量分数为35%的复合材料的MFR提高了176%；流动改性剂的质量分数为1%时，碳纤维质量分数为25%的复合材料MFR达到16.1 g／(10 min)，比未添加流动改性剂时提高了193%，碳纤维质量分数为35%的复合材料MFR为15.5 g／(10 min)，比未添加流动改性剂时提高了319%。这是因为流动改性剂可以降低碳纤维增强尼龙66复合材料的内摩擦力，从而提高材料的MFR，改善材料的熔体流动性能。在实际应用中，可根据使用要求添加适宜的流动改性剂，建议添加的质量分数为0.5%～1%，可制备出高流动性碳纤维增强尼龙66复合材料。