长碳纤增强生物基PA56的应用研究.pdf
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1、上海塑料第51卷第3期SHANGHAI PLASTICS长碳纤增强生物基PA56的应用研究Vol.51 No.32023D0I:10.16777/ki.issn.1009-5993.2023.03.005徐莉莉,王增效,陈勇伟(1.上海普利特复合材料股份有限公司,上海2 0 17 0 7;2.浙江普利特新材料有限公司,浙江嘉兴3140 0 6)摘要:生物基聚酰胺56(PA56)的合成单体戊二胺来源于生物质转化,为部分可再生材料。基于PA56、碳纤(C F)、增韧剂、抗氧剂、润滑剂等,通过熔融浸渍法制备了一系列长碳纤(LCF)增强PA56材料,对材料的力学性能、导电性能、热老化性能进行了系统研究
2、。对比了LCF、短碳纤(SCF)增强PA56材料的拉伸强度、拉伸模量、缺口冲击性能、表面电阻、热老化性能的差异。结果表明:SCF增强材料韧性不足,添加增韧剂后综合性能改善不明显;相同CF含量下,LCF增强体系的力学性能、导电性能、热老化性能均优于SCF增强体系;适量润滑剂的加入提高了样品中CF保留长度,对LCF增强材料的力学性能、长期热老化性能影响不大,仍可以满足长期耐热应用要求。关键词:碳纤;聚酰胺;生物基;力学性能中图分类号:TQ342.1文献标志码:A文章编号:10 0 9-5993(2 0 2 3)0 3-0 0 33-0 6Research on the Application of
3、 Long Carbon FiberReinforced Bio-based PA56XU Lilil,W A NG Ze n g x i a o ,C H EN Yo n g w e i?(1.Shanghai PRET Composites Co.,Ltd.,Shanghai 201707,China;2.Zhejiang PRET Advanced Materials Co.,Ltd.,Jiaxing 314006,Zhejiang Province,China)Abstract:The synthetic monomer of bio-based polyamide 56(PA56),
4、pentanediamine,is derived from biomass conver-sion and is a partially renewable material.A series of long carbon fiber(LCF)reinforced PA56 composites,based onPA56,carbon fiber(CF),toughener,anti-oxidant,lubricant etc.were prepared by melt impregnation method.Themechanical properties,conductivity,and
5、 thermal aging properties of the materials were systematically studied.Thedifferences in tensile strength,tensile modulus,notch impact performance,surface resistance,and thermal aging per-formance between LCF and short carbon fiber(SCF)reinforced PA56 materials were compared.The results show thatthe
6、 toughness of SCF reinforced materials is insufficient,and the comprehensive performance improvement is not signifi-cant after adding toughener.Under the same CF content,the mechanical properties,conductivity,and thermal agingperformances of LCF reinforced system are better than those of SCF reinfor
7、ced system.The addition of an appropriateamount of lubricant increases the retention length of CF in the sample,and has lttle effect on the mechanical propertiesand long-term thermal aging properties of LCF reinforced materials,which can still meet the requirements of long-termheat resistance applic
8、ations.Key words:carbon fiber;polyamide;bio-based;mechanical property作者简介:徐莉莉(1990 一),女,硕士,工程师,主要从事高分子材料的加工改性与应用研究;。通信作者:陈勇伟(198 9),男,硕士,工程师,主要从事高分子材料的加工改性与应用研究;。340前言纤维增强聚酰胺(PA)材料具有高比强度的特性,在很多领域可以实现以塑代钢,特别是在交通运输领域,可以有效降低交通工具的自重,更好地实现节能减排1-5。生物基聚酰胺56(PA56)材料的原材料二元胺来源于淀粉的生物质转化,是部分可再生的PA材料,随着低碳排放要求的日益
9、突出,PA56的研究逐渐成为热点。应用于PA树脂的纤维增强剂品种主要有:玻璃纤维(GF)、碳纤维(CF)、芳纶纤维等,其中应用最广泛的是GF。而以塑代钢的一些应用场景,如5G通信、智能制造领域,有导电或电磁屏蔽6-7 的要求,此时CF增强PA材料成为首选方案。此外,CF增强PA材料还具有机械强度高、线性膨胀系数小、耐磨性好等优点。刘树文等8 使用双螺杆挤出机熔融共混制备了CF/聚酰胺6 6(PA66)复合材料,研究了CF含量对CF/PA66复合材料性能的影响。结果表明:CF对PA66有显著的增强作用,30%(质量分数,下同)CF增强PA66的综合性能最平衡。CF的石墨结构具有一定的自润滑作用,
10、再加之聚四氟乙烯的润滑效果,可以有效改善PA66 的摩擦性能。曲日华等9 采用双螺杆挤出机熔融共混的方法制备了短碳纤(SCF)增强PA66复合材料,并利用差示扫描量热仪、热重分析仪、熔融指数仪对其热性能进行测试。结果表明:加人SCF后,复合材料的熔点变化较小,但结晶温度明显提高,且不随SCF含量的增加而变化,这表明SCF能够加快结晶速度;加入SCF后,复合材料最大热降解速率所对应的温度升高,耐热性能提升。相比于短纤维,长纤维增强热塑性复合材料具有更好的力学性能和耐温性能,而CF价格较高,因此在达到相同力学性能的情况下,长碳纤(LCF)比SCF增强复合材料更有降本、减重的优势。随着CF生产技术的
11、改进,CF在民用领域的应用逐渐增加。目前,对LCF增强体系的研究主要集中在热固性树脂上10-1,该材料回收困难,而LCF增强热塑性PA的研究较少。因此,拓展LCF增强PA56材料的应用范畴具有重要的环保意义。本文通过熔融浸渍法12-3 制备了一系列LCF增强PA56材料,并对其力学性能、导电性能、热老上海塑料化性能进行了系统研究,同时对比研究了LCF、SCF增强PA56材料的性能差异。1实验部分1.1三主要原料与试剂PA56,E-1272,工业级,上海凯赛化工有限公司;LCF,CVS1016,工业级,三菱化学株式会社;SCF,PAN24T,工业级,三菱化学株式会社;增韧剂,GR216,工业级,
12、陶氏化学(中国)有限公司;润滑剂,C100,工业级,武汉超支化树脂科技有限公司;抗氧剂,10 98,工业级,上海璞展实业有限公司;抗氧剂,ST-9228,工业级,上海璞展实业有限公司;甲酸,工业级,常州市川磷化工有限公司;无水乙醇,工业级,无锡东能化工科技有限公司。1.2主要设备与仪器高速混合机,HJ系列,常州宇通干燥设备有限公司;双螺杆挤出机,TSE-35/600-22-44,南京瑞亚高聚物装备有限公司;注塑机,SA2500/1000,海天塑机集团有限公司;电子天平,XS104,METTLERTOLEDO公司;电子冲击试验机,B5102.202型,德国ZWICK公司;电子万能材料试验机,BT
13、C-FROCOTH.A50型,德国ZWICK公司;热氧老化烘箱,UT6200,ThermoFisher公司;表面电阻仪,499D,常州快克锡焊股份有限公司;显微镜,FiLDAS,诺纪通科技(北京)有限公司;游标卡尺,0 2 0 0 mm,桂林广陆数字测控股份有限公司;电液伺服万能材料试验机,MTS858,美特斯工业系统(中国)有限公司。2023年第51卷第3期1.3试样制备LCF增强PA56材料的各试样配方见表1。以试样PA56-LCF20-1#为例,按比例分别称取PA56、抗氧剂10 98、抗氧剂ST-9228,利用高速搅拌机将其混合均匀,得到混合原料A。然后将混合原料A从双螺杆挤出机的主喂
14、料口加入,采用熔融浸渍法经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理制得LCF增强PA56材料,浸渍温度设置为2 6 0 2 90。对于SCF增强PA56材料,以试样PA56-SCF20-5#为例,PA56-项目LCF20-1#LCF30-2#LCF40-3#LCF50-4#SCF20-5#SCF30-6#SCF30-7#SCF30-8#PA56质量79.8分数/%LCF质量分数/%SCF质量分数/%增韧剂质量分数/%润滑剂质量分数/%抗氧剂10 98质量分数/%抗氧剂ST-9228质量分数/%加工方式熔融浸渍熔融浸渍熔融浸渍熔融浸渍挤出造粒挤出造粒挤出造粒挤出造粒1.4测试与表征拉伸性能测试:采用电子万
15、能材料试验机按照ISO5272012塑料拉伸性能的测定进行试样的拉伸性能测试,样条尺寸为17 0 mm10mm4mm,细颈处宽度为10 mm,拉伸测试速度设置为5 mm/min。缺口冲击性能测试:采用电子冲击试验机按照IS01792010塑料简支梁冲击强度的测定进行试样的缺口冲击性能测试,样条尺寸为8 0 mm10 mm4mm,缺口深度为2 mm。徐莉莉,等:长碳纤增强生物基PA56的应用研究表1试样配方PA56-PA56-69.859.820300000000.10.10.10.135按比例分别称取PA56、抗氧剂10 98、抗氧剂ST-9228,利用高速搅拌机将其混合均匀,得到混合原料B;
16、按比例称取SCF。然后将混合原料B从双螺杆挤出机的主喂料口加入,SCF通过双螺杆挤出机的侧喂料口加入,采用熔融共混法经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理制得SCF增强PA56材料,双螺杆挤出机温度设置为2 7 0 30 0。所得的塑料颗粒经注塑机注塑成标准拉伸、缺口冲击样条和收缩板。PA56-PA56-49.879.840500000000.10.10.10.1PA56-69.800203000000.10.10.10.1表面电阻测试:采用499D表面电阻仪,按照IEC600912004船上的电气安装电缆进行试样的导电性能测试,试样为150 mm100mm3.2mm的收缩板,注塑过程中模温为12
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