低吸水性耐磨碳纤维增强尼龙46复合材料的研究

发布时间：2020-04-07 03:53

【摘要】：尼龙(PA)是五大通用工程塑料之一,由于其优异的力学性能,广泛应用于电子电器、汽车、机械、医疗和运动器材等领域。近年来,随着现代工业领域对工程材料性能要求的不断提高,市场对耐高温工程塑料需求急剧扩大。尼龙46(PA46)是少数几种商业化的耐高温尼龙之一,其具有高熔点、高结晶度和良好的耐磨性能,具有较好的应用前景。但由于其结构中酰胺基含量较高,因此吸水性强,吸水后强度降低,并影响尺寸稳定性,限制了其应用领域的扩大。如何有效降低PA46的吸水性,同时提高其复合材料的力学性能、耐磨性、耐热性和阻燃性能等成为亟需解决的关键问题。聚苯醚吸水性低、耐热性和尺寸稳定性好,常被用于PA的改性。本论文采用熔融共混法,以马来酸酐接枝改性聚苯醚(PPOG)与PA46共混降低PA46的吸水性,添加有机改性纳米磷酸锆(FZrP)与聚氨酯包覆处理的碳纤维(PCF)作为增强填料,通过双螺杆挤出机制备了低吸水性耐磨PA46复合材料,研究了复合材料的吸水性、力学性能、耐热性、摩擦磨损性能等。主要研究内容和结果如下:(1)研究了PPOG对PA46吸水性、力学性能、流动性能、热变形温度(HDT)和摩擦磨损性能的影响。研究发现,PPOG可大幅降低PA46/PPOG复合材料的吸水率。当PPOG用量为10 wt%时,复合材料吸水率从4.67%下降至2.64%,并保持了良好的力学性能、流动性和耐热性。扫描电镜(SEM)结果表明,PA46和PPOG相容性良好,PPOG以微小尺寸均匀分散在PA46基体中。(2)通过水热法合成磷酸锆(ZrP),再经过γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)修饰得到有机改性纳米磷酸锆(FZrP),利用熔融共混法制备了PA46/PPOG/FZrP纳米复合材料。水接触角(WCA)、SEM和X射线衍射(XRD)等分析表明,KH-550显著降低了ZrP的亲水性,ZrP被成功剥离为薄的纳米片层。研究发现,FZrP显著增强了PA46/PPOG复合材料的耐磨性和力学性能,使吸水性降低。与纯PA46/PPOG相比,当FZrP用量为2 wt%时,复合材料的摩擦系数和磨损体积分别从0.53和12.4 mm~3下降到0.23和0.7 mm~3;拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别从81.9 MPa、127.3 MPa和9.3 kJ/m~2增加至94.4 MPa、139.0 MPa和12.7 kJ/m~2;吸水率从2.64%下降至2.43%。磨损表面和磨屑的扫描电镜-X射线能谱(SEM-EDX)、X射线光电子能谱(XPS)、XRD等分析表明,在摩擦过程中,FZrP由于与基体较强的界面结合,难以被剥落,而是保留并富集在磨损表面,形成了一层具有较高的强度和较好润滑作用的保护层,从而显著降低了PA46/PPOG/FZrP复合材料的摩擦系数和磨损体积。(3)研究了聚氨酯包覆处理的碳纤维(PCF)对PA46/PPOG复合材料吸水性、力学性能、热性能、摩擦磨损性能等的影响。研究发现,PCF显著提高了PA46/PPOG复合材料的力学性能、耐磨性和耐热性,在一定程度上使PA46/PPOG复合材料的导热性提高,吸水性降低。与纯PA46/PPOG相比,当PCF用量为40 wt%时,复合材料的拉伸强度和弯曲强度分别从81.9 MPa和127.3 MPa增加至282.5 MPa和411.6 MPa;磨损体积从12.4 mm~3下降为0.6 mm~3。当PCF用量为20 wt%时,PA46/PPOG复合材料具有最高的冲击强度,从9.3 kJ/m~2增加至15.1 kJ/m~2。冲击断面SEM照片表明,PCF与PA46/PPOG基体具有良好的相容性和较强的界面相互作用,从而显著提高了复合材料的力学性能。摩擦转移膜的拉曼光谱(LRS)结果表明,摩擦过程中部分碳纤维发生石墨化转变。摩擦过程中形成润滑保护层减少了摩擦面的直接接触,降低了摩擦系数,从而显著提高了复合材料的耐磨性。差示扫描量热分析(DSC)和热失重分析(TGA)表明,PCF可以提高PA46/PPOG复合材料的结晶度和耐热性。当PCF用量仅为10 wt%时,复合材料热变形温度(HDT)即达到281℃,比纯PA46/PPOG增加了110℃。(4)在PA46/PPOG中加入FZrP和PCF,通过双螺杆挤出机熔融共混制备了低吸水性耐磨PA46/PPOG/FZrP/PCF复合材料。研究发现,同时添加FZrP与PCF显著提高了PA46/PPOG复合材料的耐水性、力学性能、耐磨性和阻燃性。当FZrP和PCF用量分别为2 wt%和20 wt%时,复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别为240.0MPa,334.2 MPa和19.1 kJ/m~2;吸水率仅为1.53%;摩擦系数和磨损体积分别为0.23和6.4 mm~3;与PA46/PPOG相比,PA46/PPOG/FZrP/PCF复合材料的极限氧指数(LOI)从30.5%增加至42.0%,锥形量热分析(CCT)起燃时间(TTI)从27 s延长至40 s,热释放速率峰值(PHRR)由807.6 kW/m~2下降至278.1 kW/m~2。磨损表面SEM照片表明,FZrP对PCF的剥落和破碎起到良好的保护作用,使复合材料耐磨性增加。燃烧炭层的SEM、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、LRS和XPS等分析表明,复合材料在燃烧过程中,难燃碳纤维作为骨架支撑,FZrP可以有效催化PA46/PPOG成炭,从而有助于形成致密牢固的炭层,有效阻隔热、氧气和可燃气体的传输,从而显著提高了复合材料的阻燃性能。
【图文】：

高热稳定性,绪论,功能应用,药物载体

第一章绪论纳米复合材料的优良基体[79]。最近关于 ZrP 的研究主要集中在功能应用为催化剂、药物载体、防锈剂、润滑剂、燃料电池等使用[80, 81]。许多文献能够在聚合物表面催化成炭和石墨化[82-85]。rP 由于其具有类似粘土的层状结构，同时具有一些独特的性质，，比如制备度高、晶型好、结构可调、高热稳定性等[86]，使其有望用于 PA 纳米复合改善 PA 的强度、阻燃性和耐磨性等。已有部分研究者在这方面做了一些

单元结构

几种商业化的耐高温尼龙之一，其高酰胺基团含量性能，包括高结晶度、高熔点、高刚性、高耐热和耐的应用于现代汽车和电子电器领域。但因其吸水性强限制了其应用领域的扩大。结构与性能thevs 早在 1938 年提出了 PA46 的合成方法并合成出直到 1985 年底，荷兰皇家帝斯曼集团（DSM）公司建地开发了工业化技术[142]。丁二胺与己二酸缩聚而成，化学名为聚己二酰丁二胺则地排列着四个亚甲基，结构对称。这种完全规整性行结构和β-型单斜晶系的反向平行结构，使得 PA46 1-2 所示:
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB332;TQ327.3

【参考文献】