新型导电尼龙材料的研发

边亚微，杨树娥，陈 峥，刘素芹

(天津长芦海晶集团有限公司，天津 300450)

导电高分子特殊的结构和优异的物理化学性能使它成为材料科学的研究热点，作为不可替代的新兴基础有机功能材料之一，导电高分子材料在能源、光电子器件、信息、传感器、分子导线和分子器件，以及电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术上有着广泛、诱人的应用前景。到目前为止，导电高分子在分子设计和材料合成、掺杂方法和掺杂机理、可溶性和加工性、导电机理、光、电、磁等物理性能及相关机理以及技术上的应用探索都已取得重要的研究进展[1-2]。

国内导电高分子材料发展，目前尚处于起步阶段，导电高分子材料制品无论种类、性能、还是与之相关的理论研究，均与发达国家有一定的差距。因此，导电高分子材料的研究在国内仍具有很大的潜力，导电高分子材料市场潜力很大，应用前景广阔[3-4]。研究选择以尼龙6(PA6)为高分子基体，以炭黑(CB)和不锈钢纤维(SSFs)为导电填料，研发力学性能及导电性能优异的导电尼龙材料。

1 实验部分

1.1 主要原料

尼龙6，PA6(3816BR)，天津海晶隆；炭黑母粒，CB；不锈钢母粒，SSFs。

1.2 实验设备

TE-35型双螺杆挤出机，南京欧立；SA600注塑机，海天塑机；万能试验机、缺口制样机、简支梁试验机，美斯特；表面电阻仪。

1.3 实验步骤

将PA6颗粒、炭黑母粒、不锈钢纤维等在高混合机中进行混料，然后将混好的料加到双螺杆挤出机的喂料口，物料在SHJ-35型双螺杆挤出机中熔融、挤出、造粒、干燥。双螺杆挤出机的实验条件：加热区T1～T10温度分布在230 ℃～250 ℃，主机转速200 r/min～500 r/min。改性新产品研发工艺路线如图1。

图1 改性工艺流程Fig.1 Modification process flow

2 注塑与检测

采用海天塑机SA600注塑机制备标准样条，注塑条件如表1。

表1 注塑机注塑条件Tab.1 Injection molding conditions of injection machine

利用万能试验机、缺口制样机、简支梁试验机、表面电阻仪等，对注塑机制备的样条进行检测，检测方法和国标依据如表2。

检测方法及标准的力学性能表征：

室温(25 ℃)下，按GB/T 1043-93测试试样的悬臂梁缺口冲击强度。每个测试样选取7个～8个进行测试，并取其平均值；

室温(25 ℃)下，按GB/T 1040-06测试试样的拉伸强度和断裂伸长率，标准距离为50 mm，拉伸速度为50 mm/min±10%；

表2 样条的检测方法和依据Tab.2 Detection method and basis of spline

室温(25 ℃)下，按GB/T 9341-2008，测试试样的弯曲强度和弯曲模量，试验速度为2 mm/min，试样长度80 mm，支点间距64 mm。

3 技术开发路线

图2为技术路线图，此项目研究单一导电填料填充尼龙6制备PA6/CB、PA6/SSFs两相复合材料，以及两种导电填料复配填充尼龙6制备PA6/CB/SSF三相复合材料的性能变化规律，从而得到低填充导电尼龙复合材料的制备工艺。

图2 技术路线图Fig.2 Technology roadmap

需进行如下研究工作：

(1)不锈钢纤维(SSFs)和炭黑(CB)单独填充尼龙6两相复合材料的制备及电学力学性能研究；

(2)不锈钢纤维(SSFs)和炭黑(CB)复配填充尼龙6三相复合材料的制备及电学力学性能研究；

(3)尼龙6导电复合材料的增韧改性及性能研究。

4 结果与讨论

4.1 炭黑母粒填充的两相复合材料性能研究

图3为PA6/CB复合材料的力学电学性能随炭黑母粒含量的增加的变化曲线。从图3可以看出随着炭黑母粒的含量的增大，PA6/CB复合材料的电阻率逐渐降低，导电性能逐渐增强。当炭黑母粒的含量在50%时，炭黑含量的增大对电阻率的影响相对较小，电阻率的变化趋于平缓。从图3还可看出，PA6/CB复合材料的拉伸强度和弯曲强度均随炭黑母粒含量的增加呈现增大趋势，缺口冲击强度逐渐降低。

图3 炭黑母粒含量对PA6/CB复合材料性能的影响Fig.3 Effect of carbon black master batch content on properties of PA6/CB Composites

4.2 不锈钢纤维母粒填充的两相复合材料性能研究

图4为PA6/SSFs复合材料的力学电学性能随不锈钢纤维母粒含量的增加的变化曲线。从图4可以看出随着不锈钢纤维母粒含量的增大，PA6/SSFs复合材料的电阻率逐渐降低。PA6/SSFs复合材料的拉伸强度和弯曲强度均随不锈钢纤维母粒含量的增加有升高的趋势，而缺口冲击强度逐渐下降。

图4 不锈钢纤维母粒含量对PA6/SSFs复合材料性能的影响Fig.4 Effect of master batch content of stainless steel fiber on properties of PA6/SSFs Composites

4.3 炭黑和不锈钢母粒填充的三相复合材料性能研究

表4为不同导电填料配比条件下，对PA6/CB/SSFs复合材料性能的影响。三相复合材料中固定尼龙的含量为50%，调整炭黑母粒和不锈钢纤维母粒的含量配比，从表4中可以看出，PA6/CB/SSFs复合材料的力学性能受两种导电填料配比不同的影响相对较小。复合材料的电阻率随不锈钢纤维母粒的含量增大及炭黑母粒含量的减少有增大的趋势，但变化较平缓。不锈钢纤维和炭黑在增强尼龙材料导电性能方面，表现出一种协同增强作用。

表4 PA6/CB/SSFs性能参数Tab.4 Performance parameters of PA6/CB/SSFs

5 结论

1)单一导电填料填充的两相复合材料的导电性能随导电填料含量的增大而增强，拉伸和弯曲强度呈增大的趋势，而缺口冲击强度逐渐下降。

2)当炭黑母粒的含量达到50%时，炭黑含量的增大对电阻率的影响相对较小，故电阻率的变化趋势趋于平缓。

3)PA6/CB/SSFs复合材料的力学性能受两种导电填料配比不同的影响相对较小，变化趋势趋于稳定。炭黑与不锈钢的复配可以协同提高复合材料的导电性能。