碳纤维增强尼龙66的研究

碳纤维增强尼龙66的研究

一、选题

聚酰胺(Polymaide，简称PA)俗称尼龙，是五大工程塑料之一，自1889年Gariel和Maass两人首先在实验室合成，已有100多年的历史。尼龙66不仅最先被开发出来，也是目前用量最大的工程塑料品种。因其大分子链中含有酰胺键，能形成氢键，具有强韧、耐磨、耐冲击、耐疲劳、耐腐蚀等优异的特性，特别是耐磨性和自润滑性能优良，摩擦系数小等特点，尼龙66在与其他工程塑料的激烈竞争中稳步迅速增长，从1998年至2002年的5年间，国内五大工程塑料市场需求保持30.3%的增长速度。但是尼龙66存在低温和干态冲击性能差，吸水性大等弱点，使其应用领域受到一定限制，为适应工业发展的需要，国内外研制出更多综合性能优越，可满足特殊要求的改性尼龙材料，使普通工程塑料向高性能的工程塑料和功能塑料发展，对尼龙的增强增韧技术进行了研究，使其进一步高性能化、结构化和工程化。

增强改性是在尼龙66中添加纤维、填料等具有增强作用的材料，使尼龙66的弯曲强度、拉伸强度等性能大幅度提高。具有增强作用的材料有纤维类、片状、针状超细(纳米)无机填料以及有机高聚物等。在PA66树脂中加入玻璃纤维(GF)、碳纤维（CF)、钦酸钾晶须短纤维、芳香族聚酞胺纤维(KF)、无机矿物填料等，不仅保持了PA树脂的耐化学性、良好的加工性等固有优点，而且力学性能、耐热性有了大幅度提高，尺寸稳定性等也有明显改善。

玻璃纤维是纤维增强复合材料中应用最为广泛的增强体，它具有成本低、不燃烧、耐热、耐化学腐蚀性好、拉伸强度和冲击强度高、断裂延伸率小、绝热性及绝缘性好等特点。玻纤的比强度和杨氏模量比PA66大10到20倍，线膨胀系数约为PA的1/20，吸水率接近于零，且有耐热和耐化学品性好等特点。因而国外对GF增强PA66的研究非常活跃，20世纪70年代，美国的杜邦公司开发出超强PA66，掀开了改性尼龙的新纪元。随着增强PA66中GF含量逐步提高。国内外对高GF含量PA的研究较多，其中最典型研究应用部件是用增强PA66生产的汽车散热器水箱部件，作为冷却系统的重要工作部件。

碳纤维是1959年日本人进藤昭男发明，具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特点，与玻璃纤维相比，模量高3-5倍，因而是一种获得高刚性和高强度尼龙材料的优良增强材料。碳纤维大致可分为通用型、高强型、高模型、高强高模型四大类。通用型碳纤维是指抗拉强度在0.6-1.2GPa,抗拉模量在30-40GPa 左右,技术性能要求不高但价格要求便宜,广泛用于民用产品;高强型碳纤维的抗拉强度一般在 3.0GPa以上,名牌号指标也不相同,但抗拉模量要求较高,一般在300GPa以上,但对抗拉强度要求相对较低,主要用于要求形态稳定的部件,高强高模型碳纤维对抗拉强度和抗拉模量均要求很高,以日本东丽公司生产的M620J为例,抗拉强度达到3.92GPa,抗拉模量为588GPa.

人们在改进不同种类的碳纤维复合材料加工方法和性能方面投入了大量的研究。从预浸树脂到模塑法加工，从短纤维掺混塑料注射

加工到层压成型，在碳纤维复合材料及制品制作方面积累了很多成功的经验。目前普遍认为，长（连续）纤维有高强、高韧方面的优越性，短切纤维有加工性好的特点。因此，长碳纤维复合材料在加工上完善成型工艺、短碳纤维复合材料进一步提高力学性能是碳纤维复合材料发展的方向。

根据碳纤维长度、表面处理方式及用量的不同，还可以制备综合性能优异、导电性能各异的导电材料，如抗静电材料、电磁屏蔽材料、面状发热体材料、电极材料等。

因为尼龙和碳纤维都是各自领域性能优异的材料，其复合材料综合体现了二者的优越性，强度与刚性比未增强的尼龙高很多，高温蠕变小，热稳定性显著提高，尺寸精度好，耐磨，阻尼性优良，与玻纤增强尼龙相比有更好的综合性能。由于碳纤维/尼龙复合材料具备了代替金属的优异性能，且质轻高韧，易于加工，国外应用范围几乎涉及国民经济的各个领域。

1、汽车工业

碳纤维增强尼龙复合材料广泛应用于汽车工业，这主要是因为上述材料的耐油性、耐磨性和抗蠕变性极佳，代替传统的金属材料时具有重量轻的优势。包括PA66在内的多种工程塑料被碳纤维增强后正逐渐取代早先汽车用金属压铸构件，如燃料箱等。在美国、西欧和日本，尼龙几乎用于汽车的所有部位，如发动机部位、电气部位和车体部位。碳纤维增强尼龙复合材料具有较强的耐疲劳能力，这种特性使

其应用于汽车内燃机同步驱动齿轮的制造。德国重型柴油机就使用了这种材料制造齿轮、管接头等零件。

2、国防工业

美国印第安纳Wikon-Fiberfil公司开发了含碳纤维40%的PA66复合材料，牌号为NylamM1501，其性能超过目前使用的其它高强度材料。这种材料可代替金属，主要用于国防与宇航领域。美国MX导弹使用40%碳纤维增强PA66代替铝合金制造导弹发动机部件。英国亨廷公司开发的火箭筒的筒体大部分为碳纤维增强尼龙制造，两节型的发射筒用长纤维卷绕法制造，箭弹弹尾也由上述材料制成。

3、航空航天

美国比奇飞机公司研制的双发小型公务机，其主机翼、鸭翼、稳定翼、短舱等70%的部分使用了碳纤维增强/环氧/尼龙材料，新材料比传统的铝材轻19%，这对提高速度、节省燃料极其有利。美国LNP 公司使用碳纤维增强PA612制造波音757飞机发动机上的一些部件。他们用碳纤维加入量40%的PA612注射成型尺寸20.32cm×30.48cm、厚度为0.0381cm的发动机气窗部件，有效使用期达20年以上，具有良好的经济性和长效性。目前，波音公司正在用其制造民用飞机的机舱。

4.文体用品

日本Osaka公司计划使用反应式注射方式生产尼龙/长碳纤维复合材料以满足生产文体用品的要求。具体做法是：先使尼龙单体与预先放置的连续纤维进行混合，注射成型时再引发聚合使其成型。此方

式适用于制造薄壁型产品。该公司计划使用其制造网球拍和高尔夫球棒，也可用其制造头盔、汽车防撞杠和机器人手臂等。

国内碳纤维增强尼龙材料近年来发展很快，王军祥等采用空气氧化法对碳纤维进行表面处理，以注塑成型法制备碳纤维增强尼龙1010复合材料。林志勇等在一系列研究中，制备了表面接枝尼龙6的碳纤维复合材料，利用差示扫描量热仪(DSC)研究了炭纤维(CF)表面异氰酸酯化改性后阴离子接枝尼龙6(PA6)对CFPA6复合材料中PA6的多重熔融行为的影响。

二、总结

为了使工程塑料具有更优异的加工性能，通常采用的办法是对其进行改性加工。传统的工程塑料改性产品是以原生颗粒状物料为原料，通过单一调整螺杆工艺参数来生产的。因传统工程塑料改性加工技术采用分批进料，批次差异无法克服，直接导致产品质量不均匀，物性指标低；又因传统工程塑料改性加工技术的原料为颗粒状，改性生产必须经过将固态转化为熔融态的再熔融过程，能耗及生产成本相对较高，同时再熔融过程为高温降解过程，产品理化性能指标会受到影响，降低产品质量。

碳纤维增强PA66和纯PA66的剪切应力随剪切速率的提高而增大，在应力相同的情况下，碳纤维增强PA66的剪切速率大于纯PA66的剪切速率。由于在碳纤维增强PA66中，碳纤维相当于固体粒子，在一定的剪切应力下有流动滞后作用，从而表现出剪切速率比纯PA66的要大。纯PA66的表观黏度随剪切速率增加而减小，表现为假