抗靜電尼龍610復合材料的制備和研究

黃金鵬，翟紅波，韋洪屹，楊振樞

(蘇州博利邁新材料科技有限公司，江蘇　蘇州　215105)

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抗靜電尼龍610復合材料的制備和研究

黃金鵬，翟紅波，韋洪屹，楊振樞

(蘇州博利邁新材料科技有限公司，江蘇蘇州215105)

分別選用導電炭黑、碳納米管以及碳纖維作為抗靜電劑，使用雙螺桿熔融擠出制備抗靜電尼龍610復合材料。對比發(fā)現(xiàn)，要達到抗靜電效果，碳納米管的加入最少5 wt%的加入量就能夠達到抗靜電效果；而導電炭黑和碳纖維都要加到15wt%才能達到抗靜電要求。同時，碳納米管的加入對材料力學性能的影響最?。粚щ娞亢趯Σ牧闲阅軗p失最大，需要進一步增韌才有使用價值；而碳纖維具有增強效果，但是會導致產(chǎn)品外觀有浮纖現(xiàn)象。

導電炭黑；碳納米管；碳纖維；抗靜電

高分子材料由于其易于加工和著色、密度低、耐腐蝕等優(yōu)異的性能在越來越多的領域逐漸取代傳統(tǒng)的金屬材料；特別是工程塑料，如聚酰胺、聚酯類、聚甲醛以及聚苯醚等。而在眾多工程塑料中，以聚酰胺類材料的應用最為廣泛，主要包括尼龍6和尼龍66，這兩者占整個聚酰胺大類的80%以上。但是由于尼龍6和尼龍66都同屬于短碳鏈尼龍，其分子結構中酰胺鍵比例高，易于吸水導致材料性能波動大，尺寸穩(wěn)定性差，不適合制備高精度的產(chǎn)品；而長碳鏈尼龍在保持了尼龍材料耐油性好、耐疲勞性優(yōu)異的基礎上，自身吸水率大大降低，尺寸穩(wěn)定性也明顯改善。因此，在一些對尺寸穩(wěn)定性和性能穩(wěn)定性要求高的場合，使用長碳鏈尼龍就成了必然趨勢[1]。同時，部分長碳鏈尼龍，如尼龍610，1010以及1012等都是部分或全部生物基的材料，相比于傳統(tǒng)的石油基材料，具有環(huán)保的優(yōu)勢[2-3]。

然而大部分高分子材料自身是絕緣材料，相對于金屬材料，具有表面電阻高的特點，在長期使用過程中，材料表面往往會積聚靜電導致火災。所以在很多應用場合，如煤礦，加油站以及印刷行業(yè)都需要材料具有抗靜電甚至導電的特性，這樣可以避免靜電積聚，消除安全隱患。本文選用尼龍610作為基體材料，分別選用導電炭黑，碳納米管以及碳纖維作為抗靜電劑，成功制備了抗靜電尼龍610復合材料，并對不同抗靜電劑制備的材料的力學性能進行了比較。

1　實　驗

1.1實驗原料

尼龍610(注塑級)，山東東辰；表面處理的多壁碳納米管，中科院蘇州納米研究所；超導炭黑(市售)，捷克產(chǎn)；碳纖維，美國ZOLTEK；抗氧劑1010，巴斯夫；抗氧劑168，巴斯夫；潤滑劑和白油，市售。

1.2儀器和設備

CPM-TSE-35型雙螺桿擠出機，南京瑞亞；CH-50型注塑機，臺灣震雄；表面電阻儀，泰克曼；電子萬能拉力機，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司；擺錘式?jīng)_擊試驗機，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司。

1.3實驗步驟

(1)將尼龍610分別同5wt%，10wt%，15wt%導電炭黑用高速攪拌機攪拌均勻，在攪拌過程中加入白油起粘合作為，混合均勻后，通過雙螺桿擠出機擠出、切粒，分別得到樣品CB05，CB10以及CB15；

(2)同樣將尼龍610分別同1wt%，3wt%，5wt%的多壁碳納米管用高速攪拌機混合均勻，重復以上步驟，得到CNT01，CNT03以及CNT05；

(3)將尼龍610同少量抗氧劑以及潤滑劑攪拌均勻，從雙螺桿擠出機的主喂料口加入，碳纖維從側喂料口加入，控制比例分別為5wt%，10wt%以及15wt%，分別得到樣品CF05，CF10以及CF15。

(4)將以上制備的各個樣品用注塑機制備標準試條測試表面電阻以及力學性能，同時測試純的尼龍610的材料的性能作為參考。材料的所有性能測試都是在干態(tài)下進行的。

1.4測試方式

(1)表面電阻：ASTM D257;

(2)拉伸強度：ISO 527;

(3)斷裂伸長率：ISO 527;

(4)簡支架缺口沖擊強度：ISO 527；

(5)外觀：目測。

2　結果與討論

2.1超導炭黑系列

表1　不同比例導電炭黑產(chǎn)品的表面電阻Table 1　Surface resistance of different conductive carbon black contents

參照IEC61340，當表面電阻在105～1011Ω之間時，可以認為材料滿足抗靜電要求；從表1可以看出，只有當導電炭黑的加入量達到15wt%時，采用導電炭黑作為抗靜電劑的產(chǎn)品才能滿足抗靜電的要求。而在導電炭黑加入量為5wt%時，表面電阻與純的尼龍610相比，幾乎沒有變化；而在導電炭黑的加入量達到10wt%時，表面電阻有一些降低，仍然無法滿足抗靜電的要求。

根據(jù)滲流閾值的理論[4]，不同抗靜電劑加入到高分子基材中，只有當其加入量達到其滲流閾值時，其表面電阻才會出現(xiàn)明顯的下降；也就是當導電介質在高分子材料中形成穩(wěn)定的導電通路時，才會出現(xiàn)電阻的明顯下降。而結合導電炭黑的實驗結果可以看出，導電炭黑在高分子材料中易于團聚，難以分散，只有通過不斷提高加入量才能使團聚的炭黑最終形成導電通路，達到抗靜電效果。

2.2碳納米管系列

表2　不同比例碳納米管產(chǎn)品的表面電阻Table 2　Surface resistance of different carbon nanotube contents

從表2可以看出，將表面處理過的碳納米管加入到尼龍610中，在碳納米管加入量達到3wt%時，表面電阻已經(jīng)出現(xiàn)明顯下降，達到了抗靜電材料的上限值；而隨著碳納米管的加入量進一步加大到5wt%時，表面電阻進一步下降。這說明選擇碳納米管作為抗靜電劑時，其滲流閾值明顯低于超導炭黑。這是由碳納米管的自身結構決定的。碳納米管是一維的碳納米材料，其徑向尺寸是納米級，而在長度方向上是微米級的，具有一定的長徑比，相對于微米級球形的炭黑，更容易形成導電通路[5]。但是碳納米管自身更容易團聚，所以選擇良好表面處理的碳納米管是尤為重要的。

2.3碳纖維系列

從表3可以看出，碳纖維加入量5wt%時，材料的表面電阻基本上沒有什么變化，而在加入量進一步增加到10%時，材料的表面電阻出現(xiàn)明顯下降；進一步增加碳纖維的含量至15wt%，表面電阻降至107Ω級別。碳纖維的直徑是微米級[6]，而長度方向上是毫米級別，其從形貌上看和碳納米管有一定的相似處。但是其直徑方向上巨大差別導致其達到同樣導電效果的加入量有著明顯的差別。

表3　不同比例碳纖維產(chǎn)品的表面電阻Table 3　Surface resistance of different conductive carbon fiber contents

2.4不同抗靜電劑的加入對力學性能的影響

考慮到力學性能對產(chǎn)品的實際應用也非常重要，本文進一步對不同抗靜電劑達到抗靜電效果時的力學性能也加以對比；同時，通過目視對比了產(chǎn)品的外觀。

表4　不同抗靜電劑制備的抗靜電PA610的力學性能Table 4　Mechanical properties of antistatic PA610 based on different antistatic additives

從表4中可以看出，與純的尼龍612相比，選用導電炭黑作為抗靜電劑時，在達到抗靜電性能時，整個材料的力學性能下降幅度很大，特別是韌性很差，必須進一步加增韌劑調(diào)整后才具有實際應用價值；而采用碳納米管和采用碳纖維可以直接使用，使用碳納米管作為導電介質，具有外觀好，加入量低，與純料的性能最有接近。而采用碳纖維作為抗靜電劑的同時，它還具有增強效果，大大提高了材料的剛性，但是碳纖維也帶來了產(chǎn)品表面浮纖和產(chǎn)品翹曲變形等問題。

3　結　論

(1)采用導電炭黑制備抗靜電尼龍610，加入量大，只有加入量達到15wt%時，才能達到抗靜電效果，同時大量導電炭黑的加入，嚴重影響了材料的性能。必須通過進一步增韌才具有使用價值。

(2)采用碳納米管作為抗靜電劑時，加入量達到5wt%時，表面電阻就能夠達到抗靜電效果，同時與純的尼龍610相比，整體力學性能差異較小。

(3)采用碳纖維作為抗靜電劑時，加入量達到15wt%時，可以滿足抗靜電要求；同時碳纖維加入對尼龍610有明顯的增強效果。但是，由于玻纖的加入導致產(chǎn)品表面有浮纖，同時也可能導致產(chǎn)品翹曲變形。

[1]張雄翎,陶華,張廣來. 吸水性對尼龍緊固件拉伸強度的影響[J]. 塑料工業(yè),2006,34(1):47-49.

[2]唐偉家. BASF推出含可再生資源材料的尼龍610[J]. 現(xiàn)代塑料加工應用，2008(04):15.

[3]季棟,方正,歐陽平凱,等. 生物基聚酰胺研究進展[J]. 生物加工過程,2013,11(2):73-80.

[4]楊瑞成,羊海棠,彭采宇,等.逾滲理論及聚合物脆韌轉變逾滲模型[J].蘭州理工大學學報，2005,31(1):26-31.

[5]朱雷,李仲謹,余麗麗,等. 碳納米管/聚合物復合材料研究進展[J]. 化工科技，2009,17(1):71-75.

[6]岳中仁,李仍元,王平華,等.碳纖維直徑對結構和性能的影響[J].合成纖維工業(yè)，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

黃金鵬(1986-)，男，工程師，主要從事工程塑料的開發(fā)和應用。

TQ327.3

B

1001-9677(2016)08-0106-03