无机成核剂改性聚酰胺6/碳纤维复合材料的结构与性能

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2020.12.002

中国塑料 ›› 2020, Vol. 34 ›› Issue (12): 8-16.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2020.12.002

无机成核剂改性聚酰胺6/碳纤维复合材料的结构与性能

丁剑峰, 王伟, 刘耀, 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:2020-05-25 出版日期:2020-12-26 发布日期:2020-12-26
基金资助:
中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(50321042017001)

Structure and Properties of Polyamide 6/Carbon Fiber Composites Modified with Inorganic Nucleating Agents

DING Jianfeng，WANG Wei，LIU Yao，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:2020-05-25 Online:2020-12-26 Published:2020-12-26
Contact: LI Xinxin E-mail:xinxinli@ecust.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

以钛酸钾晶须（PTW）、高岭土（Kaolin）和滑石粉（Talc）为成核剂，制备了无机成核剂改性聚酰胺6/碳纤维（PA6/CF/NA）三元复合材料。通过分析复合材料的力学性能、动态热力学性能、微观形貌、结晶行为、晶体结构、热性能等对其结构和性能进行了系统的研究。结果表明，加入Talc可以大幅提高PA6/CF复合材料的冲击性能，添加2%（质量分数，下同）的Talc时，复合材料的冲击强度提高了44.5%；Talc在挤出过程中能够充分解离成片层并均匀地分散在PA6基体中，PA6/CF/Talc复合材料中存在大量纤维拔出后形成的孔洞，片层与基体黏结较好；与PTW和Kaolin相比，Talc突出的异相成核作用可以显著提高PA6/CF复合材料的结晶温度，并促进PA6形成更为完善的晶体结构。

关键词: 聚酰胺6, 碳纤维, 滑石粉, 复合材料, 成核剂

Abstract:

Three types of inorganic nucleating agents， potassium titanate whisker （PTW）， Kaolin and talc， were used to prepare the PA6/carbon fiber （CF）/NA ternary composites， and their mechanical properties， dynamic mechanical properties， morphology， crystalline structure， thermal stability， non-isothermal crystallization and melting behaviors were investigated. The results indicated that the inorganic nucleating agents had little influence on the mechanical properties of the PA6/CF composites. Nevertheless， the addition of talc could greatly improve the impact properties of the composites， and their impact strength increases by 44.5 % with the addition of 2 wt% talc. Scanning electron microscopic observation showed that there were lots of fibers pulled out of the composites， and the exfoliated talc platelets were homogeneously dispersed in the PA6 matrix. Non-isothermal crystallization analysis indicated that there was a nucleating effect from these three nucleating agents， in which talc exhibited the best nucleating performance. The heterogeneous nucleation of talc could significantly improve the crystallization temperature of the composites and promoted the PA6 matrix to form a more perfect crystalline structure.

Key words: polyamide 6, carbon fiber, talc, composite, nucleating agent

中图分类号:

TQ327.3

丁剑峰, 王伟, 刘耀, 夏浙安, 李欣欣. 无机成核剂改性聚酰胺6/碳纤维复合材料的结构与性能[J]. 中国塑料, 2020, 34(12): 8-16.

DING Jianfeng, WANG Wei, LIU Yao, XIA Zhean, LI Xinxin∗. Structure and Properties of Polyamide 6/Carbon Fiber Composites Modified with Inorganic Nucleating Agents[J]. China Plastics, 2020, 34(12): 8-16.

图/表 11

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样品名称	拉伸强度/MPa	拉伸模量/MPa	冲击强度/ kJ·m^-2
PA6/CF	190.1±0.2	939.6±26.8	7.66±0.61
PA6/CF/PTW	175.9±1.0	904.2±31.1	7.10±0.28
PA6/CF/Kaolin	183.0±2.0	1 032.1±26.3	6.52±0.38
PA6/CF/Talc	187.0±2.3	989.6±21.0	11.07±1.44

样品名称	拉伸强度/MPa	拉伸模量/MPa	冲击强度/ kJ·m^-2
PA6/CF	190.1±0.2	939.6±26.8	7.66±0.61
PA6/CF/PTW	175.9±1.0	904.2±31.1	7.10±0.28
PA6/CF/Kaolin	183.0±2.0	1 032.1±26.3	6.52±0.38
PA6/CF/Talc	187.0±2.3	989.6±21.0	11.07±1.44

样品名称	Ф/ ℃·min^-1	T_on/℃	T_p/℃	(T_on-T_p)/ ℃
PA6/CF	5	194.1	191.2	2.9
	10	190.0	186.8	3.2
	15	187.2	183.6	3.7
	20	184.9	181.0	3.9
PA6/CF/PTW	5	193.9	191.0	2.9
	10	189.7	186.4	3.3
	15	186.8	183.1	3.7
	20	184.6	180.6	4.1
PA6/CF/Kaolin	5	194.6	191.8	2.8
	10	190.4	187.4	3.0
	15	188.0	184.4	3.7
	20	185.6	182.0	3.6
PA6/CF/Talc	5	199.8	195.7	4.1
	10	196.1	191.6	4.5
	15	193.6	188.7	4.9
	20	191.5	186.4	5.1

样品名称	Ф/ ℃·min^-1	T_on/℃	T_p/℃	(T_on-T_p)/ ℃
PA6/CF	5	194.1	191.2	2.9
	10	190.0	186.8	3.2
	15	187.2	183.6	3.7
	20	184.9	181.0	3.9
PA6/CF/PTW	5	193.9	191.0	2.9
	10	189.7	186.4	3.3
	15	186.8	183.1	3.7
	20	184.6	180.6	4.1
PA6/CF/Kaolin	5	194.6	191.8	2.8
	10	190.4	187.4	3.0
	15	188.0	184.4	3.7
	20	185.6	182.0	3.6
PA6/CF/Talc	5	199.8	195.7	4.1
	10	196.1	191.6	4.5
	15	193.6	188.7	4.9
	20	191.5	186.4	5.1

样品名称	Ф/ ℃·min^-1	T_m1/℃	T_m2/℃	ΔH_m/ J·g^-1	Χ_c/%
PA6/CF	5	215.4	218.0	42.1	21.9
	10	213.7	219.8	41.6	21.7
	15	212.8	219.9	41.2	21.4
	20	211.6	220.0	41.1	21.4
PA6/CF/PTW	5	214.8	218.5	36.4	19.4
	10	212.8	219.6	31.3	16.7
	15	211.4	220.4	29.3	15.7
	20	210.7	220.4	30.8	16.4
PA6/CF/Kaolin	5	215.1	218.5	41.3	22.1
	10	212.9	219.5	40.4	21.6
	15	211.6	219.6	40.3	21.5
	20	210.8	219.6	40.9	21.9
PA6/CF/Talc	5	-	217.8	42.9	22.9
	10	216.6	216.6	41.4	22.1
	15	215.7	219.5	40.6	21.7
	20	214.7	219.5	40.4	21.6

无机成核剂改性聚酰胺6/碳纤维复合材料的结构与性能

Structure and Properties of Polyamide 6/Carbon Fiber Composites Modified with Inorganic Nucleating Agents

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样品名称	质量分数/%
样品名称	PA6	SCF	PTW	Kaolin	Talc
PA6/CF	80	20	-	-	-
PA6/CF/PTW	78	20	2	-	-
PA6/CF/Kaolin	78	20	-	2	-
PA6/CF/Talc	78	20	-	-	2

样品名称	T_{5 %}/℃	T_{25 %}/℃	T_{45 %}/℃	T_{75 %}/℃
PA6/CF	367.0	433.5	449.4	470.4
PA6/CF/PTW	373.4	434.4	451.5	473.5
PA6/CF/Kaolin	370.2	435.4	452.9	477.9
PA6/CF/Talc	373.1	433.4	449.5	472.1

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