新型導(dǎo)電尼龍材料的研發(fā)

邊亞微，楊樹娥，陳 崢，劉素芹

(天津長蘆海晶集團(tuán)有限公司，天津 300450)

導(dǎo)電高分子特殊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能使它成為材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)，作為不可替代的新興基礎(chǔ)有機(jī)功能材料之一，導(dǎo)電高分子材料在能源、光電子器件、信息、傳感器、分子導(dǎo)線和分子器件，以及電磁屏蔽、金屬防腐和隱身技術(shù)上有著廣泛、誘人的應(yīng)用前景。到目前為止，導(dǎo)電高分子在分子設(shè)計(jì)和材料合成、摻雜方法和摻雜機(jī)理、可溶性和加工性、導(dǎo)電機(jī)理、光、電、磁等物理性能及相關(guān)機(jī)理以及技術(shù)上的應(yīng)用探索都已取得重要的研究進(jìn)展[1-2]。

國內(nèi)導(dǎo)電高分子材料發(fā)展，目前尚處于起步階段，導(dǎo)電高分子材料制品無論種類、性能、還是與之相關(guān)的理論研究，均與發(fā)達(dá)國家有一定的差距。因此，導(dǎo)電高分子材料的研究在國內(nèi)仍具有很大的潛力，導(dǎo)電高分子材料市場(chǎng)潛力很大，應(yīng)用前景廣闊[3-4]。研究選擇以尼龍6(PA6)為高分子基體，以炭黑(CB)和不銹鋼纖維(SSFs)為導(dǎo)電填料，研發(fā)力學(xué)性能及導(dǎo)電性能優(yōu)異的導(dǎo)電尼龍材料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

尼龍6，PA6(3816BR)，天津海晶隆；炭黑母粒，CB；不銹鋼母粒，SSFs。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

TE-35型雙螺桿擠出機(jī)，南京歐立；SA600注塑機(jī)，海天塑機(jī)；萬能試驗(yàn)機(jī)、缺口制樣機(jī)、簡支梁試驗(yàn)機(jī)，美斯特；表面電阻儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

將PA6顆粒、炭黑母粒、不銹鋼纖維等在高混合機(jī)中進(jìn)行混料，然后將混好的料加到雙螺桿擠出機(jī)的喂料口，物料在SHJ-35型雙螺桿擠出機(jī)中熔融、擠出、造粒、干燥。雙螺桿擠出機(jī)的實(shí)驗(yàn)條件：加熱區(qū)T1～T10溫度分布在230 ℃～250 ℃，主機(jī)轉(zhuǎn)速200 r/min～500 r/min。改性新產(chǎn)品研發(fā)工藝路線如圖1。

圖1 改性工藝流程Fig.1 Modification process flow

2 注塑與檢測(cè)

采用海天塑機(jī)SA600注塑機(jī)制備標(biāo)準(zhǔn)樣條，注塑條件如表1。

表1 注塑機(jī)注塑條件Tab.1 Injection molding conditions of injection machine

利用萬能試驗(yàn)機(jī)、缺口制樣機(jī)、簡支梁試驗(yàn)機(jī)、表面電阻儀等，對(duì)注塑機(jī)制備的樣條進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)方法和國標(biāo)依據(jù)如表2。

檢測(cè)方法及標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)性能表征：

室溫(25 ℃)下，按GB/T 1043-93測(cè)試試樣的懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度。每個(gè)測(cè)試樣選取7個(gè)～8個(gè)進(jìn)行測(cè)試，并取其平均值；

室溫(25 ℃)下，按GB/T 1040-06測(cè)試試樣的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，標(biāo)準(zhǔn)距離為50 mm，拉伸速度為50 mm/min±10%；

表2 樣條的檢測(cè)方法和依據(jù)Tab.2 Detection method and basis of spline

室溫(25 ℃)下，按GB/T 9341-2008，測(cè)試試樣的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量，試驗(yàn)速度為2 mm/min，試樣長度80 mm，支點(diǎn)間距64 mm。

3 技術(shù)開發(fā)路線

圖2為技術(shù)路線圖，此項(xiàng)目研究單一導(dǎo)電填料填充尼龍6制備PA6/CB、PA6/SSFs兩相復(fù)合材料，以及兩種導(dǎo)電填料復(fù)配填充尼龍6制備PA6/CB/SSF三相復(fù)合材料的性能變化規(guī)律，從而得到低填充導(dǎo)電尼龍復(fù)合材料的制備工藝。

圖2 技術(shù)路線圖Fig.2 Technology roadmap

需進(jìn)行如下研究工作：

(1)不銹鋼纖維(SSFs)和炭黑(CB)單獨(dú)填充尼龍6兩相復(fù)合材料的制備及電學(xué)力學(xué)性能研究；

(2)不銹鋼纖維(SSFs)和炭黑(CB)復(fù)配填充尼龍6三相復(fù)合材料的制備及電學(xué)力學(xué)性能研究；

(3)尼龍6導(dǎo)電復(fù)合材料的增韌改性及性能研究。

4 結(jié)果與討論

4.1 炭黑母粒填充的兩相復(fù)合材料性能研究

圖3為PA6/CB復(fù)合材料的力學(xué)電學(xué)性能隨炭黑母粒含量的增加的變化曲線。從圖3可以看出隨著炭黑母粒的含量的增大，PA6/CB復(fù)合材料的電阻率逐漸降低，導(dǎo)電性能逐漸增強(qiáng)。當(dāng)炭黑母粒的含量在50%時(shí)，炭黑含量的增大對(duì)電阻率的影響相對(duì)較小，電阻率的變化趨于平緩。從圖3還可看出，PA6/CB復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均隨炭黑母粒含量的增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，缺口沖擊強(qiáng)度逐漸降低。

圖3 炭黑母粒含量對(duì)PA6/CB復(fù)合材料性能的影響Fig.3 Effect of carbon black master batch content on properties of PA6/CB Composites

4.2 不銹鋼纖維母粒填充的兩相復(fù)合材料性能研究

圖4為PA6/SSFs復(fù)合材料的力學(xué)電學(xué)性能隨不銹鋼纖維母粒含量的增加的變化曲線。從圖4可以看出隨著不銹鋼纖維母粒含量的增大，PA6/SSFs復(fù)合材料的電阻率逐漸降低。PA6/SSFs復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均隨不銹鋼纖維母粒含量的增加有升高的趨勢(shì)，而缺口沖擊強(qiáng)度逐漸下降。

圖4 不銹鋼纖維母粒含量對(duì)PA6/SSFs復(fù)合材料性能的影響Fig.4 Effect of master batch content of stainless steel fiber on properties of PA6/SSFs Composites

4.3 炭黑和不銹鋼母粒填充的三相復(fù)合材料性能研究

表4為不同導(dǎo)電填料配比條件下，對(duì)PA6/CB/SSFs復(fù)合材料性能的影響。三相復(fù)合材料中固定尼龍的含量為50%，調(diào)整炭黑母粒和不銹鋼纖維母粒的含量配比，從表4中可以看出，PA6/CB/SSFs復(fù)合材料的力學(xué)性能受兩種導(dǎo)電填料配比不同的影響相對(duì)較小。復(fù)合材料的電阻率隨不銹鋼纖維母粒的含量增大及炭黑母粒含量的減少有增大的趨勢(shì)，但變化較平緩。不銹鋼纖維和炭黑在增強(qiáng)尼龍材料導(dǎo)電性能方面，表現(xiàn)出一種協(xié)同增強(qiáng)作用。

表4 PA6/CB/SSFs性能參數(shù)Tab.4 Performance parameters of PA6/CB/SSFs

5 結(jié)論

1)單一導(dǎo)電填料填充的兩相復(fù)合材料的導(dǎo)電性能隨導(dǎo)電填料含量的增大而增強(qiáng)，拉伸和彎曲強(qiáng)度呈增大的趨勢(shì)，而缺口沖擊強(qiáng)度逐漸下降。

2)當(dāng)炭黑母粒的含量達(dá)到50%時(shí)，炭黑含量的增大對(duì)電阻率的影響相對(duì)較小，故電阻率的變化趨勢(shì)趨于平緩。

3)PA6/CB/SSFs復(fù)合材料的力學(xué)性能受兩種導(dǎo)電填料配比不同的影響相對(duì)較小，變化趨勢(shì)趨于穩(wěn)定。炭黑與不銹鋼的復(fù)配可以協(xié)同提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性能。