用于汽车轻量化领域的碳纤维增强尼龙66复合材料的制备与研究

王峰 ,  张家辉 ,  孙文革 ,  高素静 ,  程莉 ,  雷皓

塑料科技 ›› 2024, Vol. 52 ›› Issue (07) : 101 -104.

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塑料科技 ›› 2024, Vol. 52 ›› Issue (07) : 101 -104. DOI: 10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.07.022
加工与应用

用于汽车轻量化领域的碳纤维增强尼龙66复合材料的制备与研究

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Preparation and Research of Carbon Fiber Reinforced Nylon 66 Composites for Automotive Light Weighting

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摘要

为了改善尼龙66(PA66)的力学性能以及热稳定性,使其在汽车轻量化领域应用更加广泛,在PA66基体中掺杂5%~20%的碳纤维(CF)。结果表明:相比未改性的PA66材料,掺杂15% CF的PA66复合材料具有较好的综合性能。PA66/15%CF的拉伸强度为180 MPa,提升了177%;弹性模量为19 867 MPa,提高7.1倍;弯曲强度为262 MPa,提升212%;弯曲模量为15 867 MPa,提高6.4倍。PA66/15%CF的冲击强度为12.7 kJ/m2,提升49.4%。PA66/15%CF复合材料的质量保留率为22.8%,材料的热稳定性显著提高。研究表明,经CF改性增强的PA66复合材料具有用于汽车轻量化领域的潜力,以15%的掺杂量较好。

关键词

尼龙66 / 碳纤维 / 力学性能 / 热稳定性

Key words

PA66 / Carbon fiber / Mechanical properties / Thermal stability

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王峰,张家辉,孙文革,高素静,程莉,雷皓. 用于汽车轻量化领域的碳纤维增强尼龙66复合材料的制备与研究[J]. 塑料科技, 2024, 52(07): 101-104 DOI:10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.07.022

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绿色低碳是人与自然和谐共生的关键[1],然而当前汽车尾气正在对全球环境造成严重的污染[2]。研究表明,减轻汽车自身质量可减少燃油使用和二氧化碳的排放[3],因此对汽车进行轻量化改造具有重要意义[4]
尼龙66(PA66)因具有耐油性、耐腐蚀性、耐老化性、可模具化加工的特点[5],在汽车轻量化领域尤其是汽车发动机周边零部件方面,具有巨大的应用前景[6-7]。然而,汽车发动机周边环境温度交替(-40~150 ℃)、易接触燃油、冷却液等化学物质[8],且PA66材料吸水性强,尺寸稳定性不佳,因此需对PA66改性[9]。将玻璃纤维和无机矿物质与PA66掺杂改性后制备出的复合材料[10]可应用于发动机盖板、气缸头盖和进气歧管等汽车发动机周边零部件[11]。龚莉雯[12]在低密度改性PA66发泡物中掺杂5份玻璃纤维,复合材料的压缩强度提升了149%,弯曲模量提高了289%。然而,传统的玻璃纤维和无机矿物质改性对PA66性能提升幅度不够[13],且材料耐热性一般。为了制备性能更加优越的复合材料,需要对PA66性能进一步优化[14]。研究发现,碳纤维强度是普通钢材的3倍左右,然而密度只有钢材的1/5,近年来被广泛应用于汽车轻量化改造[15]。张彩霞等[16]通过在PA66基体中掺杂25%长碳纤维,制备的复合材料拉伸强度提升到140 MPa以上。孙伟[17]将碳纤维进行氧化处理,经双螺杆挤出机加工后制备出碳纤维分布均匀且吸水性能小的尼龙6/碳纤维复合材料。然而,长碳纤维与聚合物基体相容性不佳,且加工过程中强扭矩会对机器带来损伤,而当前使用短碳纤维改性PA66的报道较少。因此,本实验通过双螺杆挤出机制备了碳纤维改性PA66复合材料,并使用万能试验机、悬梁冲击仪,热失重仪器,探究了复合材料的拉伸强度、弹性模量、弯曲强度、弯曲模量、冲击性能以及热稳定性能。

1 实验部分

1.1 主要原料

碳纤维(CF),T-300,长度为5 mm,日本东丽工业株式会社;尼龙66(PA66),1013B,密度1.14 g/cm3,东莞市乐睿塑料有限公司;偶联剂,KH-560,济南山海化工科技有限公司;增容剂,马来酸酐接枝尼龙66,接枝率1.5%,东莞市胜浩塑料原料有限公司;浓硝酸、丙酮、双酚A二缩水甘油醚,工业级,成都科隆试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

双螺杆挤出造粒机,TSE-65B,南京海思挤出设备有限公司;注射机,TT-120,北京泰坦机械设备有限公司;电子万能试验机,LX-WN-LL2T,东莞市力雄仪器有限公司;悬臂梁冲击试验机,XJBCJ,上海湘杰仪器仪表科技有限公司;热重分析仪(TG),Setline TGA,凯璞科技(上海)有限公司;真空干燥箱,YZG-1000,常州市加利美干燥设备有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 活化CF制备

由于CF与PA66界面作用力较弱,需对其活化改性。首先,用浓硝酸对CF进行活化3 h,随后用超纯水洗至中性,接着在含有10%的双酚A二缩水甘油醚丙酮溶液中氧化4 h,制得表面含有环氧基团的活化CF。

1.3.2 PA66/CF复合材料制备[18]

表1为PA66/CF复合材料配方。于90 ℃的条件下,将CF和PA66于真空干燥箱内干燥12 h,除去少量吸附水后备用。按表1配方,设置喂料区到机头温度依次为230、235、240、240、245 ℃,在100 r/min的条件下,将称量好的PA66、CF、偶联剂和增容剂在双螺杆挤出内进行熔融混合,经水浴冷却后送入切割机中造粒。最后,使用注射机制备成标准测试样条,用于复合材料力学性能和热稳定性测试。

1.4 性能测试与表征

拉伸性能测试:按GB/T 1040—2006进行测试,使用万能试验机对样品施加50 N的负荷,设置为十字头速率5 mm/min,测试PA66/CF复合材料的拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率。每组样品设5个重复,结果取平均值。

弯曲性能测试:按GB/T 9341—2008进行测试,设置负荷为5 N,测试PA66/CF复合材料的弯曲强度和弯曲模量,每组样品设置5个对照组,结果取平均值。

悬臂梁缺口冲击强度测试:按GB/T 1843—2008进行测试,设置摆锤为2.75 J,测试PA66/CF复合材料的冲击强度,每组样品设5个重复,结果取平均值。

密度测试:按GB/T 1033.1—2008进行测试,采用比重瓶法对PA66/CF复合材料进行密度测试,每组样品设5个重复,结果取平均值。

TG测试:按GB/T 2951.41—2008进行测试,使用差热-热失重仪,测试PA66/CF复合材料在温度区间50~800 ℃条件下的热失重曲线。氮气流速 50 mL/min,升温速度10 ℃/min。

2 结果与讨论

2.1 拉伸强度和弹性模量

使用万能试验机对PA66/CF复合材料的力学性能进行测试[19]图1为PA66/CF复合材料的拉伸强度和弹性模量随CF含量的变化趋势图。从图1可以看出,未经改性的PA66的拉伸强度为65 MPa,弹性模量为2 458 MPa。随着CF掺杂含量的增加,PA66/CF复合材料的拉伸强度和弹性模量呈现先增大后减少的趋势。当掺杂15%的CF时,PA66/15%CF复合材料的拉伸强度为180 MPa,提升了177%;弹性模量为19 867 MPa,提高了7.1倍。这是由于带有环氧基团的CF和PA66基体之间具有较好的界面结合力,当复合材料遭受应力时,PA66基体可以通过界面将应力传递给CF骨架[20],而CF本身拉伸强度为4 900 MPa,从而起到增强复合材料力学性能的作用。当掺杂CF过多时(>15%),PA66/CF复合材料的拉伸强度和弹性模量相比PA66/15%CF反而下降。这是由于CF含量过多时,PA66基体中的CF占比增加,在加工过程中CF与基体的相容性不佳导致出现团聚,给材料带来缺陷。材料在遭受外力作用时,容易出现应力集中点,复合材料的力学性能反而变差。

2.2 弯曲强度和弯曲模量

图2为PA66/CF复合材料的弯曲强度和弯曲模量。从图2可以看出,未经改性的PA66的弯曲强度为84 MPa,弯曲模量为2 158 MPa,随着CF含量的增加,PA66复合材料的弯曲强度和弹性模量与拉伸性能相似,呈现先增大后减少的趋势。当掺杂CF含量低于15%时,PA66/CF复合材料的弯曲性能逐渐增加,其中PA66/15%CF的弯曲强度为262 MPa,提升了212%;弯曲模量为1 5867 MPa,提高了6.4倍。这是由于CF具有较好的刚度,当复合材料遭受应力时,材料发生弯曲形变需要消耗的能量更多,且在一定范围内,复合材料的弯曲性能随CF的含量增加而增强。然而,当掺杂CF过多时(>15%),PA66复合材料的弯曲强度和弯曲模量反而下降,这是由于当CF含量过多时,PA66基体中的CF占比增加,容易出现团聚现象,给材料带来一定的缺陷,此时PA66复合材料的弯曲性能反而随着CF含量的增加而变差。

2.3 冲击强度

图3为PA66复合材料冲击强度。从图3可以看出,未经改性的PA66的冲击强度为8.5 kJ/m2,随着CF含量的增加,PA66复合材料的冲击强度逐渐增强,当CF含量为15%时,冲击强度为12.7 kJ/m2,提升了49.4%。值得注意的是,当掺杂5%的CF时,PA66/5%CF复合材料冲击强度相比纯PA66增加了36.4%,提升幅度较明显,而随着CF含量继续增大,材料的冲击强度增加幅度逐渐变缓,这是由于掺杂在基体中强度较好的CF可以作为应力集中点,当PA66复合材料遭受应力时CF发生断裂,在此过程中CF起到吸收能量的作用。当CF掺杂含量较多时,由于CF的团聚作用,复合材料产生一定的缺陷,导致材料的冲击强度有所变差,材料冲击强度提升变缓。

2.4 断裂伸长率和密度

图4为PA66/CF复合材料断裂伸长率和密度变化趋势。从图4可以看出,随着CF含量的逐渐增加,PA66/CF复合材料的断裂伸长率逐渐减小后增大,当CF含量为15%时,PA66/15%CF复合材料的断裂伸长率为9.4%,相比未经改性的PA66下降了76.7%。而当CF含量为20%时,PA66/20%CF复合材料的断裂伸长率为21.2%,相比未经改性的PA66下降了47.4%,但相比PA66/15%CF复合材料断裂伸长率有所增加。这是由于在PA66加入刚性CF填料会限制基体分子链的自由运动,导致复合材料在遭受载荷时无法有效产生塑性形变,使PA66复合材料的断裂伸长率随着CF含量的增加逐渐降低。当CF含量较高时,与基体相容性不佳,出现团聚,使PA66基体产生缺陷以及裂纹,导致PA66复合材料难以承受较大载荷,材料的断裂伸长率出现升高。此外,从图4还可以看出,PA66材料密度为1.13 g/cm3,随着CF含量增加,PA66/CF复合材料的密度逐渐上升,当CF用量为20%时,材料的密度达到1.28 g/cm3。这是因为CF的密度高于PA66,随着其在复合材料中占比的增加,材料总的密度也增大。值得注意的是,PA66/20%CF密度约为钢材密度(7.8)的1/6,表明PA66/CF复合材料可用于制备汽车轻量化材料[21]

2.5 TG分析

由于汽车发动机周边温度较高,所以对PA66复合材料进行热稳定性测试十分必要[22]图5为PA66和PA66/CF复合材料在氮气氛围下的TG曲线。从图5可以看出,未经改性的PA66材料有1个失重台阶,表明PA66的热降解为一步完成。PA66材料的热失重主要发生在350~480 ℃之间。当温度为442 ℃时,热分解速率达到最大;当温度高于500 ℃时,PA66基本完全热分解,此时质量保留率为1.2%。在PA66基体中掺杂5%~20%的CF时,复合材料的热分解曲线逐渐右移,且最大热失重速率增大,这是由于CF在PA66基体中起到了阻隔作用,减缓了PA66的热分解速率。当温度高于500 ℃时,PA66/CF复合材料的质量保留率分别为8.5%、15.4%、22.8%和29.1%。这是由于CF具有良好的耐高温性能,随着其掺杂含量的增加,高温下PA66/CF复合材料的质量保留率逐渐增加,材料的热稳定性逐渐增强[23]

3 结论

本实验在PA66基体材料中掺杂了5%~20%的CF,成功制备出PA66/CF复合材料。结果表明:相比未改性的PA66材料,当在PA66基体中掺杂15%的CF时,制备的复合材料具有较好的综合性能。PA66/15%CF的拉伸强度为180 MPa,提升了177%;弹性模量为1 9867 MPa,提高了7.1倍;弯曲强度为262 MPa,提升了212%;弯曲模量为15 867 MPa,提高了6.4倍;PA66/15%CF冲击强度为12.7 kJ/m2,提升了49.4%。随着CF含量(<15%)的增加PA66/CF复合材料的断裂伸长率逐渐降低,材料韧性变差。PA66/CF约是钢材密度的1/6。PA66/15%CF复合材料的质量保留率为22.8%,材料的热稳定性显著提高。经CF改性增强的PA66复合材料具有较高的力学性能、较小的密度和较好的热稳定性,具备用于汽车轻量化领域制备相关器件的潜力。

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