高流動性碳纖維增強尼龍66的制備與性能

張友強，王寶生，趙付寶，王旭華，姚立凱，張學鋒，諸葛炯

(山東非金屬材料研究所，濟南 250031)

尼龍在通用工程塑料中產量最大、品種最多、用途最廣，其綜合性能優良[1]。在尼龍的眾多品種中，尼龍66占有絕對主導地位。尼龍66是一種多晶型半結晶熱塑性聚合物，具有密度低、強度高、耐腐蝕、耐磨性好等優異性能，但是尼龍66還存在吸水率高、吸水后強度下降、尺寸穩定性差以及低溫下抗沖擊能力差等缺陷，這些缺陷也限制了尼龍66的應用范圍[2–3]。因此，為了提高尼龍66的綜合性能，需要對其進行改性，其中，將玻璃纖維、碳纖維等高性能纖維與尼龍66進行復合來提高材料的力學性能是較為常用的手段[4–7]。

碳纖維是含碳量高于90%的一種無機纖維，主要由聚丙烯腈纖維等有機纖維經碳化處理制得，它具有密度小、強度高、模量高以及耐磨性好等優點，常用于高性能復合材料的制備，廣泛應用于航空航天、醫療器械以及汽車領域[8–10]。

利用碳纖維高強高模的特點，對尼龍66進行增強改性，可以大幅度提高材料的強度和剛性，這也成為了尼龍66改性的研究熱點[11–12]。陳邑等[13]采用注塑方法制備了純PA66及纖維質量分數分別為10%，20%，30%，40%的五種碳纖維增強PA66復合材料，采用拉伸試驗測定了材料的拉伸強度和彈性模量，比較了不同纖維含量對材料性能增強作用的差異。王立巖等[14]采用雙螺桿擠出機熔融共混法制備了碳纖維增強尼龍66復合材料，并系統地研究了復合材料的結構和性能，研究結果對碳纖增強熱塑性復合材料的制備起到較好的借鑒作用，對該類復合材料的生產具有一定指導意義。曲日華等[15]對碳纖維增強尼龍66復合材料的熱性能進行了研究，結果表明碳纖維的加入使得復合材料的結晶性能以及熱穩定性得到提高，但是同時也會降低材料的熔體流動速率(MFR)。

MFR的降低使得碳纖維增強尼龍66材料的流動性能變差，加工成型困難，在制品表面易出現纖維外漏等不良現象，影響產品外觀[16]。目前，對于纖維增強尼龍66材料的流動性能改善最為有效的方法是添加流動改性劑。流動改性劑可以與尼龍66樹脂良好相容，降低樹脂分子間的內聚力以及纖維間的摩擦力，從而提高材料熔體的流動性。

筆者以尼龍66為基體材料，添加流動改性劑等相關功能助劑，通過雙螺桿擠出機采用連續碳纖維進料的方式制備了碳纖維增強尼龍66復合材料，并系統地研究了碳纖維、流動改性劑等對復合材料力學性能和熔體流動性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

尼龍66：EPR27，平頂山神馬工程塑料有限責任公司；

碳纖維長絲：T700，日本東麗株式會社；

增韌劑馬來酸酐接枝聚烯烴彈性體(POE-g-MAH)：CMG9805，佳易容相容劑江蘇有限公司；

流動改性劑：CF–201，余姚市凱姆立華塑料科技有限公司；

抗氧劑1098，168：德國巴斯夫公司。

1.2 主要儀器與設備

雙螺桿擠出機：CTE–35型，南京科亞化工成套裝備有限公司；

注塑機：HTF90W1型，寧波海天集團股份有限公司；

電熱鼓風干燥箱：ZB101–1型，山東淄博儀表廠；

萬能試驗機：E43型，美特斯工業系統(中國)有限公司；

沖擊試驗機：XJJ–50型，承德試驗機有限責任公司；

MFR儀：XNR–400AM型，承德衡通試驗檢測儀器有限公司。

1.3 試樣制備

將尼龍66、增韌劑、流動改性劑、抗氧劑等按一定比例(增韌劑質量分數為5%，抗氧劑質量分數為0.2%)混合均勻，碳纖維在擠出機側喂料處加入，經雙螺桿擠出機擠出造粒，通過控制碳纖維束數量，制備出碳纖維質量分數分別為15%，25%，35%的碳纖維增強尼龍66材料，擠出溫度為265～285℃，螺桿轉速為250～350 r／min。將制備的碳纖維增強尼龍66粒料在100℃下鼓風干燥8~10 h后通過注塑機制備出標準試樣，注塑溫度為265～285℃，注塑壓力為8 MPa。

1.4 性能測試

拉伸性能按GB／T 1040.2–2006測試，拉伸速度為10 mm／min，試樣類型為1A型；

彎曲性能按GB／T 9341–2008測試，試驗速度為2 mm／min；

簡支梁缺口沖擊強度按GB／T1043–2008測試，試樣類型為1eA型；

MFR按GB／T 3682–2000測 試，試 驗 溫 度275℃，標稱負荷2.16 kg。

2 結果與討論

2.1 碳纖維含量對復合材料力學性能的影響

根據碳纖維含量的不同，制備出碳纖維質量分數分別為15%，25%，35%的碳纖維增強尼龍66材料，考察了碳纖維含量對碳纖維增強尼龍66復合材料力學性能的影響，結果如圖1所示(圖1中碳纖維質量分數為0%時的力學性能數據為純尼龍66的數據)。由圖1可知，隨著碳纖維含量的增加，碳纖維增強尼龍66復合材料的拉伸強度、彎曲強度以及缺口沖擊強度都大幅度提高。當碳纖維質量分數達到35%時，碳纖維增強尼龍66復合材料的拉伸強度達到251 MPa，比純尼龍66樹脂提高了210%；復合材料的彎曲強度由純樹脂的72 MPa提高到358 MPa，提高了397%；復合材料的缺口沖擊強度則提高了178%，達到了22 kJ／m2。這是因為，碳纖維具有高強的特點，在碳纖維增強尼龍66材料受到拉伸及彎曲應力時，碳纖維起到了承載外力的作用，從而使得材料的拉伸強度和彎曲強度大幅度提高。另外，碳纖維增強尼龍66材料受到沖擊時，碳纖維和尼龍66的兩相界面受到破壞，碳纖維從樹脂中拔出的過程消耗了沖擊能量，從而使得材料的沖擊強度提高。

圖1 不同碳纖維含量的復合材料力學性能

2.2 碳纖維含量對復合材料熔體流動性能的影響

碳纖維的加入雖然使得碳纖維增強尼龍66復合材料的力學性能大幅度提高，但是也影響了材料的熔體流動性能。研究了不同碳纖維含量對復合材料MFR的影響。其結果如圖2所示(圖2中碳纖維質量分數為0%時的MFR為純尼龍66的MFR)。從圖2可以看出，隨著碳纖維含量的增加，碳纖維增強尼龍66復合材料的MFR大幅度下降，當碳纖維質量分數為35%時，其MFR由純尼龍66樹脂的43 g／(10 min)下降到3.7 g／(10 min)，下降了91.4%。這是因為碳纖維增強尼龍66復合材料體系中的碳纖維束穿插在尼龍66基體中，并且隨著碳纖維含量的增加，材料的內摩擦力增大，導致材料的熔體流動性能變差，表現為MFR降低。

圖2 不同碳纖維含量的復合材料MFR

2.3 流動改性劑含量對復合材料性能的影響

碳纖維的加入可使碳纖維增強尼龍66復合材料獲得優秀的力學性能，但同時也大幅降低了材料的熔體流動性能，這就極大地限制了碳纖維增強尼龍66復合材料的應用范圍。因此，需要加入流動改性劑來改善復合材料的熔體流動性能。以碳纖維含量較高(質量分數分別為25%和35%)的復合材料為例，添加質量分數分別為0.3%，0.5%，0.8%，1%的CF–201流動改性劑，考察了流動改性劑含量對碳纖維增強尼龍66復合材料力學性能及MFR的影響，結果如圖3、圖4所示。

由圖3可知，流動改性劑的加入對碳纖維增強尼龍66復合材料的力學性能影響不大，基本和未添加流動改性劑的材料力學性能持平。從圖4可以看出，流動改性劑的加入能大幅度提高碳纖維增強尼龍66復合材料的MFR，有效地改善復合材料的熔體流動性能。當流動改性劑質量分數達到0.5%時，相對于未添加流動改性劑的復合材料，碳纖維質量分數為25%的復合材料的MFR提高了91%，碳纖維質量分數為35%的復合材料的MFR提高了176%；流動改性劑的質量分數為1%時，碳纖維質量分數為25%的復合材料MFR達到16.1 g／(10 min)，比未添加流動改性劑時提高了193%，碳纖維質量分數為35%的復合材料MFR為15.5 g／(10 min)，比未添加流動改性劑時提高了319%。這是因為流動改性劑可以降低碳纖維增強尼龍66復合材料的內摩擦力，從而提高材料的MFR，改善材料的熔體流動性能。在實際應用中，可根據使用要求添加適宜的流動改性劑，建議添加的質量分數為0.5%～1%，可制備出高流動性碳纖維增強尼龍66復合材料。

圖3 不同流動改性劑含量下碳纖維質量分數為25%和35%的復合材料力學性能

圖4 不同流動改性劑含量下碳纖維質量分數為25%和35%的復合材料MFR

3 結論

(1)碳纖維可以大幅度提高尼龍66的力學性能，當碳纖維質量分數為35%時，復合材料的拉伸強度可以達到251 MPa，比純尼龍66樹脂提高了210%，彎曲強度由純樹脂的72 MPa提高到358 MPa，提高了397%；缺口沖擊強度則提高了178%，達到了22 kJ／m2。

(2)隨著碳纖維含量增加，碳纖維增強尼龍66復合材料的MFR大幅下降。當碳纖維質量分數為35%時，復合材料MFR由純尼龍66樹脂的43 g／(10 min)下降到3.7 g／(10 min)，下降了91.4%。

(3)流動改性劑可以提高碳纖維增強尼龍66復合材料的MFR，且對復合材料力學性能的影響很小，當流動改性劑質量分數為1%時，碳纖維質量分數為25%和35%的復合材料的MFR分別比未添加流動改性劑時提高了193%和319%。