碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料的性能研究

王立偉，任懷居，孫 墨，張貴賢，張 明

(中國(guó)石油吉林石化公司 碳纖維廠，吉林 吉林 132021)

碳纖維(CF)是一種優(yōu)異的增強(qiáng)材料，具有良好力學(xué)性能、自潤(rùn)滑性能[1]。利用CF增強(qiáng)尼龍66(PA66)樹(shù)脂，可以大大提高PA66樹(shù)脂的剛性、耐磨性能，與玻璃纖維增強(qiáng)PA66基復(fù)合材料相比，CF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料具有質(zhì)輕，CF用量少，摩擦系數(shù)小、磨損量低的特點(diǎn)，因此，可以廣泛應(yīng)用于油田采油系統(tǒng)耐磨部件。

本工作采用連續(xù)擠出造粒的加工方式，研制集束性短切CF增強(qiáng)PA66復(fù)合材料，分析了各種影響CF/尼龍復(fù)合材料性能的因素。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PA66樹(shù)脂：牌號(hào)1300，日本旭化成公司；集束性短切CF：牌號(hào)JHTD-1，拉伸強(qiáng)度 4.9GPa，吉林石化公司碳纖維廠；相容劑：TK-95，遼寧大學(xué)高分子研究中心；抗氧劑：1076，瑞士汽巴公司；碳化硅：β晶型，10 000 nm，連云港市加貝碳化硅有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)：TE-35，南京科亞實(shí)業(yè)有限公司；注塑機(jī)：JM88S，香港震雄集團(tuán)；微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：長(zhǎng)春智能儀器設(shè)備有限公司；沖擊試驗(yàn)機(jī)：JJ-5.5，長(zhǎng)春智能儀器設(shè)備有限公司；高混機(jī)：KS-55，江蘇白熊機(jī)械廠；掃描電子顯微鏡：KYKY2800B，中國(guó)科學(xué)院儀器廠；摩擦磨損測(cè)試儀：M-2000，濟(jì)南竟成測(cè)試儀器有限公司。

1.3 試樣制備

按實(shí)驗(yàn)配方將PA66、集束性短切碳纖維、相容劑、耐磨助劑、抗氧劑等加入高速混合機(jī)中，在室溫下混合5～10 min出料待用。將混合好的原料通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)熔融共混，擠出，經(jīng)水冷、干燥后進(jìn)行切粒，擠出工藝條件見(jiàn)表1。

表1 CF/PA66復(fù)合材料擠出工藝條件

將制備好的CF/ PA66復(fù)合材料于80 ℃下烘干3 h。通過(guò)注塑機(jī)注塑成型，制得標(biāo)準(zhǔn)樣件，注塑工藝見(jiàn)表2。

表2 CF/PA66復(fù)合材料注塑工藝條件

1.4 分析與測(cè)試

拉伸強(qiáng)度按GB/T 1447—2005進(jìn)行測(cè)試；摩擦磨損性能按GB/T 3960—83進(jìn)行測(cè)試；彎曲性能按GB/T9341—2000進(jìn)行測(cè)試，下壓速率為2 mm/min；測(cè)試溫度25 ℃。

CF長(zhǎng)度的測(cè)定：從注塑樣條上截取一小塊樣品放到坩堝中，在馬弗爐中加熱至550 ℃，保持1 h，將殘留的CF分散在載玻片上，利用偏光顯微鏡進(jìn)行拍照，然后將CF對(duì)照標(biāo)尺進(jìn)行測(cè)量。

掃描電鏡(SEM)分析：將樣條斷口噴金后，在掃描電子顯微鏡上拍照觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 CF用量對(duì)CF/PA66復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

CF用量對(duì)CF/PA66體系力學(xué)性能的影響見(jiàn)圖1和圖2。隨著CF用量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度明顯增加，其中當(dāng)CF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～15%時(shí)變化最為明顯，當(dāng)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)15%后，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度增加趨于平緩，這主要是因?yàn)镃F/PA66復(fù)合材料力學(xué)性能的影響受體系中纖維的長(zhǎng)度影響較大，因此控制纖維的長(zhǎng)度是獲得良好性能的保障。通過(guò)分析不同CF用量的復(fù)合材料中纖維平均長(zhǎng)度(見(jiàn)表3)可知，CF平均長(zhǎng)度隨著CF用量的增加而降低，當(dāng)w(CF)<15%時(shí)，CF平均長(zhǎng)度較長(zhǎng)，力學(xué)性能變化明顯，而當(dāng)w(CF)>15%以后，CF的平均長(zhǎng)度較短而且變化不明顯，因此，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度變化較小。之所以有這種變化，主要是因?yàn)椋翰捎秒p螺桿擠出成型加工短切CF/PA66復(fù)合材料過(guò)程中，碳纖維的斷裂損傷主要是由CF/PA66、CF/CF、CF/設(shè)備三個(gè)方面摩擦剪切作用造成的，因?yàn)镃F本身具有自潤(rùn)滑性，因此，CF/CF斷裂損傷影響較小[2-3]。當(dāng)CF用量較低時(shí)，CF在PA66熔體中有足夠的緩沖體積，能夠均勻地分散，因此受到PA66、設(shè)備的捏合剪切作用較弱，CF的平均長(zhǎng)度較長(zhǎng)，而隨著CF用量的增加，CF在熔體中的密集分布造成CF與設(shè)備、CF與CF之間的接觸幾率增多，在螺桿的剪切作用下，熔體對(duì)CF的剪切力增加，造成CF平均長(zhǎng)度的下降，且短纖維較多，因此，纖維在復(fù)合材料體系中增強(qiáng)作用不明顯。

對(duì)于體系的沖擊強(qiáng)度，隨CF用量的增加沖擊強(qiáng)度不斷增大，但當(dāng)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)25%后，體系的沖擊強(qiáng)度減小，這說(shuō)明隨CF用量增加，體系中CF過(guò)于重疊，破壞了尼龍相的連續(xù)性。

w(CF)/%圖1 CF/PA66體系拉伸強(qiáng)度隨CF用量的變化曲線

w(CF)/%圖2 CF/PA66體系沖擊強(qiáng)度隨CF用量的變化曲線

w(CF)/%51015202530CF平均長(zhǎng)度/μm230230225220215210

2.2 CF用量對(duì)CF/PA66體系摩擦磨損性能的影響

CF用量對(duì)CF/PA66體系摩擦系數(shù)影響曲線、摩擦系數(shù)隨磨損時(shí)間的變化曲線如圖3和圖4所示。

w(CF)/%圖3 CF/PA66體系中CF用量對(duì)摩擦系數(shù)的影響曲線

時(shí)間/min圖4 CF/PA66體系摩擦系數(shù)的變化曲線

在載荷200 N，摩擦?xí)r間為120 min，對(duì)磨速度在200 r/min條件下，對(duì)于PA66及不同CF用量的CF/PA66復(fù)合材料，隨著對(duì)磨時(shí)間的增加，材料的摩擦系數(shù)不斷減少，在120 min內(nèi)變化不大。隨CF用量的增加，材料的摩擦系數(shù)不斷減少，較PA66樹(shù)脂，w(CF)=20%的復(fù)合材料體系降低了1/3，這說(shuō)明CF的自潤(rùn)滑作用明顯，當(dāng)CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)30%后復(fù)合材料的摩擦系數(shù)增大。

2.3 相容劑用量對(duì)復(fù)合材料體系的力學(xué)及摩擦磨損性能的影響

由于CF表面比表面積很小，表面化學(xué)惰性較強(qiáng)，使得CF與基體樹(shù)脂的結(jié)合力不夠，必須對(duì)CF表面進(jìn)行處理及添加相容劑[4-5]，在CF表面引入其它基團(tuán)，使其表面的活性官能團(tuán)及活性點(diǎn)與熱塑性基體樹(shù)脂的活性基團(tuán)生成化學(xué)鍵，改善CF與基體樹(shù)脂的結(jié)合力。相容劑用量及對(duì)體系力學(xué)性能、摩擦磨損性能影響見(jiàn)圖5。

從圖5可以看到，隨相容劑用量增加，體系的力學(xué)性能增大，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%后，力學(xué)性能反而下降，而體系的磨損量隨著相容劑用量增加而減少，因此，可以認(rèn)為相容劑的加入使CF與PA66之間的結(jié)合性增強(qiáng)，但相容劑的韌性較大，當(dāng)超過(guò)一定用量后體系的力學(xué)性能開(kāi)始下降，復(fù)合材料剛性降低，磨損量增加。所以，在碳纖維增強(qiáng)尼龍?bào)w系中，相容劑用量一定要控制好。圖6為填加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的相容劑與未加相容劑的掃描電鏡圖。從圖6能夠明顯看到未加相容劑體系中纖維拔出較多。

(a) 填加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的相容劑

(b) 未填加相容劑圖6 復(fù)合材料的掃描電鏡圖

2.4 耐磨助劑對(duì)復(fù)合材料體系的力學(xué)及摩擦磨損性能的影響

表4為加入耐磨助劑碳化硅后復(fù)合材料體系力學(xué)及摩擦磨損性能。填加適應(yīng)的耐磨助劑可以有效地提高體系的耐磨損性能[6]，尤其是加入吸水性能好的助劑，可以在摩擦表面形成表層，阻止磨損量增大。

表4 耐磨助劑對(duì)復(fù)合材料體系的力學(xué)及摩擦磨損性能的影響1)

1) 體系中CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。

2.5 扶正器專(zhuān)用料及應(yīng)用性能

扶正器專(zhuān)用料要求高強(qiáng)度，高耐磨性，因此要求體系中CF含量達(dá)到一定比例，且CF與PA66的相容性要滿足要求。從表5數(shù)據(jù)上分析，對(duì)于CF/PA66專(zhuān)用料體系，相容劑、耐磨助劑填加量是有限的，因此體系的性能主要取決于CF含量。如表5所示，扶正器專(zhuān)用料不同配比及性能。相比于SY/T5832—2009標(biāo)準(zhǔn)要求，CF/PA66扶正器專(zhuān)用料性能提高明顯，而且通過(guò)油田井下實(shí)驗(yàn)，填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%CF的體系，CF扶正器磨損速度為18.25 mm/a，磨損周期為1 160 d，壽命較長(zhǎng)。

表5 扶正器專(zhuān)用料不同配比及性能指標(biāo)

3 結(jié) 論

(1) CF/PA66復(fù)合材料體系的力學(xué)性能受CF長(zhǎng)度影響較大。

(2) CF/PA66復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨CF用量的增加而增大，但當(dāng)CF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)15%后，增幅緩慢。

(3) 在同一載荷下，隨CF用量的增加，復(fù)合材料體系的摩擦系數(shù)降低，相比PA66樹(shù)脂，CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的復(fù)合材料體系降低了1/3。

(4) CF/PA66復(fù)合材料體系中相容劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)最佳，耐磨助劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)最佳。

(5) 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的CF填充的體系，CF扶正器磨損周期為1 160天。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 蔡小平，張貴賢，王立偉，等.聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：229-245.

[2] 李志路.雜萘聯(lián)苯聚芳醚的碳纖維增強(qiáng)及共混改性研究[D].遼寧：大連理工大學(xué)化工學(xué)院，2011：15-20.

[3] 顧鐵生.短玻纖增強(qiáng)共混改性雜萘聯(lián)苯聚芳醚復(fù)合材料[D].遼寧：大連理工大學(xué)化工學(xué)院，2010：30-32.

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