碳纖維增強(qiáng)尼龍66的研究

1、碳纖維增強(qiáng)尼龍66的研究一、選題聚酰胺（Polymaide,簡(jiǎn)稱PA）俗稱尼龍，是五大工程塑料之一，自1889年Gariel和Maass兩人首先在實(shí)驗(yàn)室合成，已有100多年的歷史。尼龍66不僅最先被開(kāi)發(fā)出來(lái)，也是目前用量最大的工程塑料品種。因其大分子鏈中含有酰胺鍵，能形成氫鍵，具有強(qiáng)韌、耐磨、耐沖擊、耐疲勞、耐腐蝕等優(yōu)異的特性，特別是耐磨性和自潤(rùn)滑性能優(yōu)良，摩擦系數(shù)小等特點(diǎn)，尼龍66在與其他工程塑料的激烈競(jìng)爭(zhēng)中穩(wěn)步迅速增長(zhǎng)，從1998年至2002年的5年間，國(guó)內(nèi)五大工程塑料市場(chǎng)需求保持30.3%的增長(zhǎng)速度。但是尼龍66存在低溫和干態(tài)沖擊性能差，吸水性大等弱點(diǎn)，使其應(yīng)用領(lǐng)域受到一定限制，為適應(yīng)工

2、業(yè)發(fā)展的需要，國(guó)內(nèi)外研制出更多綜合性能優(yōu)越，可滿足特殊要求的改性尼龍材料，使普通工程塑料向高性能的工程塑料和功能塑料發(fā)展，對(duì)尼龍的增強(qiáng)增韌技術(shù)進(jìn)行了研究，使其進(jìn)一步高性能化、結(jié)構(gòu)化和工程化。增強(qiáng)改性是在尼龍66中添加纖維、填料等具有增強(qiáng)作用的材料，使尼龍66的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度等性能大幅度提高。具有增強(qiáng)作用的材料有纖維類(lèi)、片狀、針狀超細(xì)（納米）無(wú)機(jī)填料以及有機(jī)高聚物等。在PA66樹(shù)脂中加入玻璃纖維（GF）、碳纖維（CF）、欽酸鉀晶須短纖維、芳香族聚醐胺纖維（KF）、無(wú)機(jī)礦物填料等，不僅保持了PA樹(shù)脂的耐化學(xué)性、良好的加工性等固有優(yōu)點(diǎn)，而且力學(xué)性能、耐熱性有了大幅度提高，尺寸穩(wěn)定性等也有明顯改善

3、。玻璃纖維是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中應(yīng)用最為廣泛的增強(qiáng)體，它具有成本低、不燃燒、耐熱、耐化學(xué)腐蝕性好、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度高、斷裂延伸率小、絕熱性及絕緣性好等特點(diǎn)。玻纖的比強(qiáng)度和楊氏模量比PA66大10到20倍，線膨脹系數(shù)約為PA的1/20,吸水率接近于零，且有耐熱和耐化學(xué)品性好等特點(diǎn)。因而國(guó)外對(duì)GF增強(qiáng)PA66的研究非?；钴S，20世紀(jì)70年代，美國(guó)的杜邦公司開(kāi)發(fā)出超強(qiáng)PA66,掀開(kāi)了改性尼龍的新紀(jì)元。隨著增強(qiáng)PA66中GF含量逐步提高。國(guó)內(nèi)外對(duì)高GF含量PA的研究較多，其中最典型研究應(yīng)用部件是用增強(qiáng)PA66生產(chǎn)的汽車(chē)散熱器水箱部件，作為冷卻系統(tǒng)的重要工作部件。碳纖維是1959年日本人進(jìn)藤昭男發(fā)明，具

4、有質(zhì)輕、拉伸強(qiáng)度高、耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱等特點(diǎn)，與玻璃纖維相比，模量高3-5倍，因而是一種獲得高剛性和高強(qiáng)度尼龍材料的優(yōu)良增強(qiáng)材料。碳纖維大致可分為通用型、高強(qiáng)型、高模型、高強(qiáng)高模型四大類(lèi)。通用型碳纖維是指抗拉強(qiáng)度在0.6-1.2GPa抗拉模量在30-40GPa左右，技術(shù)性能要求不高但價(jià)格要求便宜，廣泛用于民用產(chǎn)品；高強(qiáng)型碳纖維的抗拉強(qiáng)度一般在3.0GPa以上,名牌號(hào)指標(biāo)也不相同，但抗拉模量要求較高，一般在300GPa以上,但對(duì)抗拉強(qiáng)度要求相對(duì)較低，主要用于要求形態(tài)穩(wěn)定的部件，高強(qiáng)高模型碳纖維對(duì)抗拉強(qiáng)度和抗拉模量均要求很高，以日本東麗公司生產(chǎn)的M620J為例，抗拉強(qiáng)度達(dá)到3.92

5、GPa抗拉模量為588GPa.人們?cè)诟倪M(jìn)不同種類(lèi)的碳纖維復(fù)合材料加工方法和性能方面投入了大量的研究。從預(yù)浸樹(shù)脂到模塑法加工，從短纖維摻混塑料注射加工到層壓成型，在碳纖維復(fù)合材料及制品制作方面積累了很多成功的經(jīng)驗(yàn)。目前普遍認(rèn)為，長(zhǎng)（連續(xù)）纖維有高強(qiáng)、高韌方面的優(yōu)越性,短切纖維有加工性好的特點(diǎn)。因此，長(zhǎng)碳纖維復(fù)合材料在加工上完善成型工藝、短碳纖維復(fù)合材料進(jìn)一步提高力學(xué)性能是碳纖維復(fù)合材料發(fā)展的方向。根據(jù)碳纖維長(zhǎng)度、表面處理方式及用量的不同，還可以制備綜合性能優(yōu)異、導(dǎo)電性能各異的導(dǎo)電材料，如抗靜電材料、電磁屏蔽材料、面狀發(fā)熱體材料、電極材料等。因?yàn)槟猃埡吞祭w維都是各自領(lǐng)域性能優(yōu)異的材料，具復(fù)合材料綜

6、合體現(xiàn)了二者的優(yōu)越性，強(qiáng)度與剛性比未增強(qiáng)的尼龍高很多，高溫蠕變小，熱穩(wěn)定性顯著提高，尺寸精度好，耐磨，阻尼性優(yōu)良，與玻纖增強(qiáng)尼龍相比有更好的綜合性能。由于碳纖維/尼龍復(fù)合材料具備了代替金屬的優(yōu)異性能，且質(zhì)輕高韌，易于加工，國(guó)外應(yīng)用范圍幾乎涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。1、汽車(chē)工業(yè)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)，這主要是因?yàn)樯鲜霾牧系哪陀托?、耐磨性和抗蠕變性極佳，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬材料時(shí)具有重量輕的優(yōu)勢(shì)。包括PA66在內(nèi)的多種工程塑料被碳纖維增強(qiáng)后正逐漸取代早先汽車(chē)用金屬壓鑄構(gòu)件，如燃料箱等。在美國(guó)、西歐和日本，尼龍幾乎用于汽車(chē)的所有部位，如發(fā)動(dòng)機(jī)部位、電氣部位和車(chē)體部位。碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料

7、具有較強(qiáng)的耐疲勞能力，這種特性使其應(yīng)用于汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)同步驅(qū)動(dòng)齒輪的制造。德國(guó)重型柴油機(jī)就使用了這種材料制造齒輪、管接頭等零件。2、國(guó)防工業(yè)美國(guó)印第安納Wikon-Fiberfil公司開(kāi)發(fā)了含碳纖維40%的PA66復(fù)合材料，牌號(hào)為NylamM1501,其性能超過(guò)目前使用的其它高強(qiáng)度材料。這種材料可代替金屬，主要用于國(guó)防與宇航領(lǐng)域。美國(guó)MX導(dǎo)彈使用40%碳纖維增強(qiáng)PA66代替鋁合金制造導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)部件。英國(guó)亨廷公司開(kāi)發(fā)的火箭筒的筒體大部分為碳纖維增強(qiáng)尼龍制造，兩節(jié)型的發(fā)射筒用長(zhǎng)纖維卷繞法制造，箭彈彈尾也由上述材料制成。3、航空航天美國(guó)比奇飛機(jī)公司研制的雙發(fā)小型公務(wù)機(jī)，其主機(jī)翼、鴨翼、穩(wěn)定翼、短艙等70

8、%的部分使用了碳纖維增強(qiáng)/環(huán)氧/尼龍材料，新材料比傳統(tǒng)的鋁材輕19%,這對(duì)提高速度、節(jié)省燃料極其有利。美國(guó)LNP公司使用碳纖維增強(qiáng)PA612制造波音757飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的一些部件。他們用碳纖維加入量40%的PA612注射成型尺寸20.32cmM0.48cm、厚度為0.0381cm的發(fā)動(dòng)機(jī)氣窗部件，有效使用期達(dá)20年以上，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和長(zhǎng)效性。目前，波音公司正在用其制造民用飛機(jī)的機(jī)艙。4.文體用品日本Osaka公司計(jì)劃使用反應(yīng)式注射方式生產(chǎn)尼龍/長(zhǎng)碳纖維復(fù)合材料以滿足生產(chǎn)文體用品的要求。具體做法是：先使尼龍單體與預(yù)先放置的連續(xù)纖維進(jìn)行混合，注射成型時(shí)再引發(fā)聚合使其成型。此方式適用于制造薄壁型產(chǎn)

9、品。該公司計(jì)劃使用其制造網(wǎng)球拍和高爾夫球棒，也可用其制造頭盔、汽車(chē)防撞杠和機(jī)器人手臂等。國(guó)內(nèi)碳纖維增強(qiáng)尼龍材料近年來(lái)發(fā)展很快，王軍祥等采用空氣氧化法對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理，以注塑成型法制備碳纖維增強(qiáng)尼龍1010復(fù)合材料。林志勇等在一系列研究中，制備了表面接枝尼龍6的碳纖維復(fù)合材料，利用差示掃描量熱儀（DSC）研究了炭纖維（CF）表面異富酸酯化改性后陰離子接枝尼龍6（PA6）對(duì)CFPA6復(fù)合材料中PA6的多重熔融行為的影響。二、總結(jié)為了使工程塑料具有更優(yōu)異的加工性能，通常采用的辦法是對(duì)其進(jìn)行改性加工。傳統(tǒng)的工程塑料改性產(chǎn)品是以原生顆粒狀物料為原料，通過(guò)單一調(diào)整螺桿工藝參數(shù)來(lái)生產(chǎn)的。因傳統(tǒng)工程塑料改性加工技術(shù)采用分批進(jìn)料，批次差異無(wú)法克服，直接導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不均勻，物性指標(biāo)低；又因傳統(tǒng)工程塑料改性加工技術(shù)的原料為顆粒狀，改性生產(chǎn)必須經(jīng)過(guò)將固態(tài)轉(zhuǎn)化為熔融態(tài)的再熔融過(guò)程，能耗及生產(chǎn)成本相對(duì)較高，同時(shí)再熔融過(guò)程為高溫降解過(guò)程，產(chǎn)品理化性能指標(biāo)會(huì)受到影響，降低產(chǎn)品質(zhì)量。碳纖維增強(qiáng)PA66和純PA66的剪切應(yīng)力隨剪切速率的提高而增大，在應(yīng)力相同的情況下，碳纖維增強(qiáng)PA66的剪切速率大于純PA66的剪切速率。由于在碳纖維增強(qiáng)PA66中，碳纖維相當(dāng)于固體粒子，在一定的剪切應(yīng)力下有流動(dòng)滯后作用，從而表現(xiàn)出剪切速率比純PA66的要大。純PA66的表