王立偉，任懷居，孫 墨，張貴賢，張 明

(中國石油吉林石化公司 碳纖維廠，吉林 吉林 132021)

碳纖維(CF)是一種優(yōu)異的增強材料，具有良好力學性能、自潤滑性能[1]。利用CF增強尼龍66(PA66)樹脂，可以大大提高PA66樹脂的剛性、耐磨性能，與玻璃纖維增強PA66基復合材料相比，CF增強PA66復合材料具有質(zhì)輕，CF用量少，摩擦系數(shù)小、磨損量低的特點，因此，可以廣泛應用于油田采油系統(tǒng)耐磨部件。

本工作采用連續(xù)擠出造粒的加工方式，研制集束性短切CF增強PA66復合材料，分析了各種影響CF/尼龍復合材料性能的因素。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PA66樹脂：牌號1300，日本旭化成公司；集束性短切CF：牌號JHTD-1，拉伸強度 4.9GPa，吉林石化公司碳纖維廠；相容劑：TK-95，遼寧大學高分子研究中心；抗氧劑：1076，瑞士汽巴公司；碳化硅：β晶型，10 000 nm，連云港市加貝碳化硅有限公司。

1.2 儀器設備

雙螺桿擠出機：TE-35，南京科亞實業(yè)有限公司；注塑機：JM88S，香港震雄集團；微機控制電子萬能試驗機：長春智能儀器設備有限公司；沖擊試驗機：JJ-5.5，長春智能儀器設備有限公司；高混機：KS-55，江蘇白熊機械廠；掃描電子顯微鏡：KYKY2800B，中國科學院儀器廠；摩擦磨損測試儀：M-2000，濟南竟成測試儀器有限公司。

1.3 試樣制備

按實驗配方將PA66、集束性短切碳纖維、相容劑、耐磨助劑、抗氧劑等加入高速混合機中，在室溫下混合5～10 min出料待用。將混合好的原料通過雙螺桿擠出機熔融共混，擠出，經(jīng)水冷、干燥后進行切粒，擠出工藝條件見表1。

表1 CF/PA66復合材料擠出工藝條件

將制備好的CF/ PA66復合材料于80 ℃下烘干3 h。通過注塑機注塑成型，制得標準樣件，注塑工藝見表2。

表2 CF/PA66復合材料注塑工藝條件

1.4 分析與測試

拉伸強度按GB/T 1447—2005進行測試；摩擦磨損性能按GB/T 3960—83進行測試；彎曲性能按GB/T9341—2000進行測試，下壓速率為2 mm/min；測試溫度25 ℃。

CF長度的測定：從注塑樣條上截取一小塊樣品放到坩堝中，在馬弗爐中加熱至550 ℃，保持1 h，將殘留的CF分散在載玻片上，利用偏光顯微鏡進行拍照，然后將CF對照標尺進行測量。

掃描電鏡(SEM)分析：將樣條斷口噴金后，在掃描電子顯微鏡上拍照觀察。

2 結果與討論

2.1 CF用量對CF/PA66復合材料力學性能的影響

CF用量對CF/PA66體系力學性能的影響見圖1和圖2。隨著CF用量的增加，復合材料的拉伸強度明顯增加，其中當CF的質(zhì)量分數(shù)為5%～15%時變化最為明顯，當CF質(zhì)量分數(shù)超過15%后，復合材料的拉伸強度增加趨于平緩，這主要是因為CF/PA66復合材料力學性能的影響受體系中纖維的長度影響較大，因此控制纖維的長度是獲得良好性能的保障。通過分析不同CF用量的復合材料中纖維平均長度(見表3)可知，CF平均長度隨著CF用量的增加而降低，當w(CF)<15%時，CF平均長度較長，力學性能變化明顯，而當w(CF)>15%以后，CF的平均長度較短而且變化不明顯，因此，復合材料的拉伸強度變化較小。之所以有這種變化，主要是因為：采用雙螺桿擠出成型加工短切CF/PA66復合材料過程中，碳纖維的斷裂損傷主要是由CF/PA66、CF/CF、CF/設備三個方面摩擦剪切作用造成的，因為CF本身具有自潤滑性，因此，CF/CF斷裂損傷影響較小[2-3]。當CF用量較低時，CF在PA66熔體中有足夠的緩沖體積，能夠均勻地分散，因此受到PA66、設備的捏合剪切作用較弱，CF的平均長度較長，而隨著CF用量的增加，CF在熔體中的密集分布造成CF與設備、CF與CF之間的接觸幾率增多，在螺桿的剪切作用下，熔體對CF的剪切力增加，造成CF平均長度的下降，且短纖維較多，因此，纖維在復合材料體系中增強作用不明顯。

對于體系的沖擊強度，隨CF用量的增加沖擊強度不斷增大，但當CF質(zhì)量分數(shù)超過25%后，體系的沖擊強度減小，這說明隨CF用量增加，體系中CF過于重疊，破壞了尼龍相的連續(xù)性。

w(CF)/%圖1 CF/PA66體系拉伸強度隨CF用量的變化曲線

w(CF)/%圖2 CF/PA66體系沖擊強度隨CF用量的變化曲線

w(CF)/%51015202530CF平均長度/μm230230225220215210

2.2 CF用量對CF/PA66體系摩擦磨損性能的影響

CF用量對CF/PA66體系摩擦系數(shù)影響曲線、摩擦系數(shù)隨磨損時間的變化曲線如圖3和圖4所示。

w(CF)/%圖3 CF/PA66體系中CF用量對摩擦系數(shù)的影響曲線

時間/min圖4 CF/PA66體系摩擦系數(shù)的變化曲線

在載荷200 N，摩擦時間為120 min，對磨速度在200 r/min條件下，對于PA66及不同CF用量的CF/PA66復合材料，隨著對磨時間的增加，材料的摩擦系數(shù)不斷減少，在120 min內(nèi)變化不大。隨CF用量的增加，材料的摩擦系數(shù)不斷減少，較PA66樹脂，w(CF)=20%的復合材料體系降低了1/3，這說明CF的自潤滑作用明顯，當CF質(zhì)量分數(shù)超過30%后復合材料的摩擦系數(shù)增大。

2.3 相容劑用量對復合材料體系的力學及摩擦磨損性能的影響

由于CF表面比表面積很小，表面化學惰性較強，使得CF與基體樹脂的結合力不夠，必須對CF表面進行處理及添加相容劑[4-5]，在CF表面引入其它基團，使其表面的活性官能團及活性點與熱塑性基體樹脂的活性基團生成化學鍵，改善CF與基體樹脂的結合力。相容劑用量及對體系力學性能、摩擦磨損性能影響見圖5。

從圖5可以看到，隨相容劑用量增加，體系的力學性能增大，當質(zhì)量分數(shù)達到10%后，力學性能反而下降，而體系的磨損量隨著相容劑用量增加而減少，因此，可以認為相容劑的加入使CF與PA66之間的結合性增強，但相容劑的韌性較大，當超過一定用量后體系的力學性能開始下降，復合材料剛性降低，磨損量增加。所以，在碳纖維增強尼龍體系中，相容劑用量一定要控制好。圖6為填加質(zhì)量分數(shù)為10%的相容劑與未加相容劑的掃描電鏡圖。從圖6能夠明顯看到未加相容劑體系中纖維拔出較多。

(a) 填加質(zhì)量分數(shù)為10%的相容劑

(b) 未填加相容劑圖6 復合材料的掃描電鏡圖

2.4 耐磨助劑對復合材料體系的力學及摩擦磨損性能的影響

表4為加入耐磨助劑碳化硅后復合材料體系力學及摩擦磨損性能。填加適應的耐磨助劑可以有效地提高體系的耐磨損性能[6]，尤其是加入吸水性能好的助劑，可以在摩擦表面形成表層，阻止磨損量增大。

表4 耐磨助劑對復合材料體系的力學及摩擦磨損性能的影響1)

1) 體系中CF質(zhì)量分數(shù)為20%。

2.5 扶正器專用料及應用性能

扶正器專用料要求高強度，高耐磨性，因此要求體系中CF含量達到一定比例，且CF與PA66的相容性要滿足要求。從表5數(shù)據(jù)上分析，對于CF/PA66專用料體系，相容劑、耐磨助劑填加量是有限的，因此體系的性能主要取決于CF含量。如表5所示，扶正器專用料不同配比及性能。相比于SY/T5832—2009標準要求，CF/PA66扶正器專用料性能提高明顯，而且通過油田井下實驗，填充質(zhì)量分數(shù)為20%CF的體系，CF扶正器磨損速度為18.25 mm/a，磨損周期為1 160 d，壽命較長。

表5 扶正器專用料不同配比及性能指標

3 結 論

(1) CF/PA66復合材料體系的力學性能受CF長度影響較大。

(2) CF/PA66復合材料的拉伸強度隨CF用量的增加而增大，但當CF的質(zhì)量分數(shù)超過15%后，增幅緩慢。

(3) 在同一載荷下，隨CF用量的增加，復合材料體系的摩擦系數(shù)降低，相比PA66樹脂，CF質(zhì)量分數(shù)為20%的復合材料體系降低了1/3。

(4) CF/PA66復合材料體系中相容劑的質(zhì)量分數(shù)為10%時最佳，耐磨助劑質(zhì)量分數(shù)為2%時最佳。

(5) 質(zhì)量分數(shù)為20%的CF填充的體系，CF扶正器磨損周期為1 160天。

參 考 文 獻：

[1] 蔡小平，張貴賢，王立偉，等.聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012：229-245.

[2] 李志路.雜萘聯(lián)苯聚芳醚的碳纖維增強及共混改性研究[D].遼寧：大連理工大學化工學院，2011：15-20.

[3] 顧鐵生.短玻纖增強共混改性雜萘聯(lián)苯聚芳醚復合材料[D].遼寧：大連理工大學化工學院，2010：30-32.

[4] 張艷霞，呂永根，袁象愷.表面處理對CF/PA66復合材料磨損性能的影響[J].合成纖維工業(yè)，2010，33(5)：24-27.

[5] 邢亞娟，張廣成，馬科峰，等.改性PA66復合材料的摩擦磨損性能研究[J].機械科學與技術，2009，28(1)：31-35.

[6] 張靜，路琴，何春霞，等.納米SiC或Si3N4與玻璃纖維混雜填充PA6復合材料摩擦磨損性能研究[J].塑料，2008，37(4)：18-20.