尼龍/石墨烯復(fù)合材料的制備與特性

凌 巧

（安徽孟凌精密電子有限公司，安徽 銅陵 244000）

尼龍是應(yīng)用廣泛的工程塑料之一，其抗疲勞強度和剛性較高、耐熱性較好、摩擦系數(shù)低、耐磨性好，具有優(yōu)良的綜合性能，被廣泛應(yīng)用在機械、電子、汽車、航空等領(lǐng)域，但由于其導(dǎo)熱系數(shù)低，強度、熱穩(wěn)定性等相對較差，不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展要求。

石墨烯自2004年被英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫發(fā)現(xiàn)后，因其具有良好的彈性、韌性、斷裂強度、致密性等屬性，在機械、電子、光電、計算機等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，特別是在改性高分子材料領(lǐng)域受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者利用不同方法研究尼龍/石墨烯復(fù)合材料的屬性，尤其在力學(xué)、導(dǎo)電和熱性能領(lǐng)域，取得了重大的突破。如王貴賓等人通過溶液共混法研究尼龍/石墨烯復(fù)合材料的電導(dǎo)率隨著石墨烯體積分數(shù)的變化情況，李同生通過兩步熔融共混法研究尼龍/石墨烯復(fù)合材料的力學(xué)性能和黏度，U.Jorge等研究了不同的制備方法對尼龍/石墨烯復(fù)合材料的性能影響，等等。本文就安徽孟凌精密電子有限公司在生產(chǎn)電機用絕緣材料過程中產(chǎn)生的大量尼龍/石墨烯復(fù)合材料邊角料進行研究，研制具有耐磨、自潤滑、高韌性的新型尼龍/石墨烯絕緣材料。

一、研究方案設(shè)計

通過對電機配件生產(chǎn)邊角料的成份進行化學(xué)分析，在理論研究成果的指導(dǎo)下，適當(dāng)添加一定比例的二硫化鉬、尼龍、石墨烯等原料及其它輔助材料，通過特定的加工工藝制作尼龍和石墨烯復(fù)合材料試樣，再對試樣進行性能測試，根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整原料配比及成型工藝，使產(chǎn)品符合既定的性能指標(biāo)。

尼龍/石墨烯復(fù)合材料增韌改性的方法有三種：第一種是加入增塑劑，通過改變形態(tài)相結(jié)構(gòu)進行物理改性；第二種是開發(fā)研制新的催化劑或選用多功能團助催化劑，通過改變分子結(jié)構(gòu)進行化學(xué)改性；第三種是共聚改性，目前常采用嵌段共聚方法改性，即采用一種端基已被活化了的“長鏈活性劑”，并以此引發(fā)陰離子聚合，最終獲得共聚物。

本文采用第一種方法，通過加入增塑劑改變形態(tài)結(jié)構(gòu)的方式來提升耐磨性和高韌性?；舅悸肥窍葘δ繕?biāo)性能進行分析，確定各組成成份和性能指標(biāo)要求，在對廢料進行成份分析后依據(jù)目標(biāo)性能及指標(biāo)擬定成份方案，確定配方，然后試制樣品，對試樣進行分析測試，根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整工藝流程和工藝參數(shù)，直至產(chǎn)品性能滿足要求。通過分析實驗，公司采用將尼龍原料與二硫化鉬原料分別進行清洗，然后進行粉碎、烘干、造粒3道工序，將上述完成的尼龍原料及二硫化鉬原料按照19:1的比例進行混合并加入總比例3%的石墨烯粉，經(jīng)250度高溫處理，進行塑化，最后按平流擠出的方式將原料成型，最后進行壓片、分切、復(fù)卷等工作，生產(chǎn)出具有耐磨、自潤滑、高韌性的尼龍/石墨烯復(fù)合材料。圖一為尼龍/石墨烯復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)線路圖，圖二為其生產(chǎn)工藝流程圖。

二、實驗部分

（一）原始材料及儀器設(shè)備

主要使用的原始材料有：天然石墨烯，二硫化鉬，尼龍，甲苯二異氰酸酯，濃硫酸、高錳酸鉀、濃硝酸、鹽酸、潤滑劑等。

在研制過程中主要使用的儀器設(shè)備有：雙螺桿擠出機、注塑機、調(diào)整混合機、導(dǎo)熱系數(shù)測試儀、軟化點溫度測試儀、電熱恒溫干燥箱、磁力攪拌箱、萬能制樣機、洛氏硬度計、電子顯微鏡等。

（二）性能分析

1.耐高溫性能

由于石墨烯本身具有耐高溫性，它的加入可顯著改善尼龍的的熱變形溫度。用上述工藝生產(chǎn)的尼龍/石墨烯復(fù)合材料，其熱變形溫度隨著石墨烯質(zhì)量分數(shù)的增加而增加，當(dāng)石墨烯含量達3%時，熱變形溫度可達到1500C，完全符合防火材料的要求。

2.導(dǎo)電性能

純尼龍本身是絕緣體，但石墨烯的加入會大大降低尼龍的體電阻，即降低復(fù)合材料的電阻率。上述工藝生產(chǎn)的尼龍/石墨烯復(fù)合材料，其導(dǎo)電性會隨著石墨烯含量的增加逐步提高，這是由于當(dāng)石墨烯含量增多時，石墨烯可以通過熱膨脹來改性尼龍，依靠石墨烯顆粒之間的接觸導(dǎo)電，且石墨烯含量越多，導(dǎo)電性越好，但由于在制備過程中石墨烯粉容易沉積，所以必須進行高溫膨化，才能保證導(dǎo)電率均勻。（圖2）

3.磨損性能

由于石墨烯本身是良好的潤滑劑，它的加入可顯著改善尼龍的的摩擦特性。用上述工藝生產(chǎn)的尼龍/石墨烯復(fù)合材料，由于石墨烯粉分子填充到尼龍的凹凸微觀表面，在摩擦過程中石墨烯很容易在磨面上形成一層轉(zhuǎn)移膜，同時尼龍大分子由于填充物的牽連也不易解脫，導(dǎo)致石墨烯填充的磨損量較?。涣硪环矫媸┍旧硎橇己玫臐櫥瑒?，起到了潤滑劑的作用，所以其耐磨性能大幅提升，同時其硬度和剪切強度都有一定程度提高。

圖2 尼龍/石墨烯復(fù)合材料生產(chǎn)工藝流程圖

圖1 尼龍/石墨烯復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)線路圖

4.力學(xué)性能

理論研究表明：石墨烯的含量對復(fù)合材料力學(xué)性能有很大的影響，其中拉伸強度會隨著石墨烯含量的增加先增大后減小，且在石墨烯含量為3%時復(fù)合材料的拉伸強度達到最大值，而沖擊強度也是隨著石墨烯含量的增加先增大后減小，但在石墨烯含量為10%時沖擊強度達到最大值。用上述工藝配方生產(chǎn)的尼龍/石墨烯復(fù)合材料，根據(jù)公司對復(fù)合材料的具體要求，采用3%的石墨烯粉，以提高復(fù)合材料的拉伸強度，從而提升其韌性。

三、結(jié)論

逆向研究是當(dāng)前應(yīng)用較廣的一種研究方法。本文通過對進口尼龍/石墨烯復(fù)合材料進行逆向研究，在理論研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)公司對材料的技術(shù)需求，通過實驗和測試手段確定合理成份和生產(chǎn)工藝，研制出具有耐磨、自潤滑、高韌性的尼龍/石墨烯復(fù)合材料。論實踐驗證，研制的尼龍/石墨烯復(fù)合材料可替代日本東洋精工的尼龍復(fù)合絕緣材料，可供給微電機、微型減速機械、自動化設(shè)備零配件、樂器、電位器等諸多行業(yè)。產(chǎn)品的研究不但大大降低了原料的使用成本，也為其它進口原料的研制提供了參考方法。