聚酰胺6/短切碳纤维/铜盐复合材料抗热氧老化机理的研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.07.002

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (7): 12-17.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.07.002

聚酰胺6/短切碳纤维/铜盐复合材料抗热氧老化机理的研究

刘耀, 丁剑峰, 夏浙安(), 李欣欣()

华东理工大学材料科学与工程学院，特种功能高分子材料及相关技术教育部重点实验室，上海 200237

收稿日期:2021-03-08 出版日期:2021-07-26 发布日期:2021-07-21
基金资助:
中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(50321042017001)

Study on Anti⁃thermal Oxidative Aging Mechanism of Polyamide 6/Short⁃cut Carbon Fiber/Copper Salt Composites

LIU Yao, DING Jianfeng, XIA Zhean(), LI Xinxin()

The Key Laboratory of Specially Functional Polymeric Materials and Related Technology，Ministry of Education，School of Materials Science and Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China

Received:2021-03-08 Online:2021-07-26 Published:2021-07-21
Contact: XIA Zhean,LI Xinxin E-mail:xiazhean@ecust.edu.cn;xinxinli@ecust.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

采用熔融共混法制备了聚酰胺6（PA6）/短切碳纤维（SCF）/铜盐/碘化钾（KI）复合材料，通过电子万能试验机、差示扫描量热分析仪（DSC）、X射线多晶衍射仪（XRD）和X射线光电子能谱仪（XPS）等研究了铜盐/KI体系对聚酰胺材料力学性能及热氧老化行为的影响，并分析探讨了材料耐热氧老化的作用机理。结果表明，单一铜盐或KI对PA6的抗热氧老化作用不大，而铜盐/KI复配体系可以有效提高PA6/SCF耐热老化后的拉伸强度保持率；SCF有一定的自由基捕捉能力，铜盐/KI/SCF的加入显著延长了PA6的氧化诱导时间（OIT）；铜盐/KI体系的抗热氧老化机理为：首先KI使聚酰胺基体中的二价铜转化为一价铜，然后过量KI与一价铜反应生成二碘合铜配离子［CuI₂］^-，［CuI₂］^-离子具有较强还原性，能够消耗聚酰胺老化过程中产生的自由基，从而延缓了聚酰胺6的热降解过程。

关键词: 抗热氧老化, 聚酰胺6, 铜盐, 碘化钾, 配位离子, 碳纤维

Abstract:

Polyamide 6 （PA6）/short-cut carbon fiber （SCF）/copper salt/potassium（KI） composites were prepared using a melt blending method. The heat-resistant oxidative aging mechanisms of copper salt/KI system for the PA6 composi-tes were studied using electronic universal testing machine， differential scanning calorimetry （DSC）， X?ray polycrystalline diffractometer （XRD） and X-ray photoelectron spectrometer （XPS）. The results indicated that there is little effect from a single copper salt or KI on the thermal-oxidative aging resistance of PA6. The copper salt/KI compounding system can effectively improve the retention rate of tensile strength for the PA6/SCF composites after heat aging. The carbon fiber has a certain capability to capture free radicals. The addition of copper salt， KI and SCF significantly prolonged the oxidation induction time of PA6. The anti-thermal oxidative aging mechanism of the copper salt/KI system is proposed as follows： firstly， KI converts the divalent copper in the polyamide matrix into monovalent copper， then excessive KI can react with monovalent copper to form Cupric diiodide ion ［CuI₂］^-. ［CuI₂］^-ions have strong reducibility， which consumes free radicals generated during the aging process of PA6， delaying the thermal degradation process of PA6 accordingly.

Key words: resistance to thermal-oxidative aging, polyamide 6, copper salt, potassium iodide, coordination ion, carbon fiber

中图分类号:

TQ327.3

刘耀, 丁剑峰, 夏浙安, 李欣欣. 聚酰胺6/短切碳纤维/铜盐复合材料抗热氧老化机理的研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(7): 12-17.

LIU Yao, DING Jianfeng, XIA Zhean, LI Xinxin. Study on Anti⁃thermal Oxidative Aging Mechanism of Polyamide 6/Short⁃cut Carbon Fiber/Copper Salt Composites[J]. China Plastics, 2021, 35(7): 12-17.

图/表 7

材料组成	配比（质量比）
PA6/SCF	95/5
PA6/SCF/CuCl₂	95/5/0.1
PA6/SCF/CuCl₂/KI	95/5/0.1/0.6
PA6/SCF/KI	95/5/0.6
PA6/SCF/Cu（OAc）₂/KI	95/5/0.1/0.6
PA6/SCF/CuI/KI	95/5/0.1/0.6

表1 PA6/SCF/铜盐/KI复合材料的配方

Tab. 1 Formulation of PA6/SCF/copper salt/KI composites

图1 PA6基复合材料在不同老化时间下的拉伸强度保持率

Fig.1 Tensile strength retention rate of PA6 composite material under different aging time

图2 PA6基复合材料的OIT对比图

Fig.2 Comparison chart of OIT of PA6 composite

图3 不同组分的甲基紫/H2SO4溶液光谱图

Fig.3 Spectrogram of different components in methyl violet/H2SO4 solution

图4 PA6/SCF/CuCl2/KI复合材料的XPS（Cu2p）谱图

Fig.4 XPS spectrum diagram of PA6/SCF/CuCl2/KI composites （Cu2p）

Cu类型	2p_3/2	2p_1/2	卫星峰
标准Cu⁺（Ⅰ）	932	952	-
标准Cu²⁺（Ⅱ）	934	954	942
试样Cu	932.2	952.1	-

表2 试样与标准价态Cu的出峰对比

Tab.2 Comparison of the peak between the sample and the standard valence state Cu

图5 PA6/铜盐/KI材料的XRD谱图

Fig.5 XRD spectrum diagram of PA6/copper salt/KI material

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聚酰胺6/短切碳纤维/铜盐复合材料抗热氧老化机理的研究

Study on Anti⁃thermal Oxidative Aging Mechanism of Polyamide 6/Short⁃cut Carbon Fiber/Copper Salt Composites

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