３２塑料工業
第３８卷第１期
２０１０年１月
玻纖／石墨／聚芳醚腈複合材料的製備與效能
詹迎青，鍾家春，劉孝波
（電子科技大學微電子與固體電子學院電子薄膜與整合器件國家重點實驗室，四川成都６１００５４）
摘要：以聚芳醚腈（ｐｅｎ）為基體，採用雙螺桿擠出機熔融共混製備了玻纖、石墨複合材料，重點研究了兩種不同形貌的增強填料對ｐｅｎ樹脂的協同增強作用。測試了不同樣品的拉伸、彎曲和衝擊等力學效能，利用掃瞄電鏡對
拉伸斷面進行形貌分析，並對樣品進行了ｔｇａ測試和流變性能測試。結果表明，大量玻纖以棒狀存在於ｐｅｎ樹脂當中，構成骨架結構，使得ｐｅｎ樹脂力學效能大幅度提高，石墨以片層形狀存在於ｐｅｎ．樹脂與玻纖之間，進一步增強了ｐｅｎ樹脂基體的連線作用，從而使得複合材料力學效能進一步提高；石墨在提高ｐｅｎ樹脂強度的同時能夠提高
ｐｅｎ樹脂的熱穩定性；在相同頻率下，ｐｅｎ基複合材料的儲能模量和耗能模量均隨玻纖和石墨填料含量增加而提高，低含量的石墨填人對體系的模量和黏度影響較小。
關鍵詞：聚芳醚腈；複合材料；力學效能；流變性能中圖分類號：ｔｑ３２４．８
文獻標識碼：ａ
文章編號
一聚芳醚腈（ｐｅｎ）是一類側鏈上具有腈基的半結功開發出商品名為ｉｄ３００的ｐｅｎ產品，其效能與當今傑出效能的聚醚醚酮（ｐｅｅｋ）相當 ，之後大量
晶聚合物，是一種綜合性能優異的熱塑性特種高分子材料，具有很高的耐熱性、阻燃性、機械強度、防紫
的研究集中在不同結構的ｐｅｎ樹脂合成與效能研究方面一１０］。近年來我們在進行基礎研究的同時，大膽地進行了ｐｅｎ樹脂工業化規模研究，獲得了更高機械強度和耐熱性能的高摩爾質量ｐｅｎ樹脂¨ ０為了進一步推動ｐｅｎ樹脂的廣泛應用，本文以ｐｅｎ樹
外線和抗蠕變性好等優良特性，在電子電器、機械制
造、汽車零件、航空航天等領域具有廣泛的應用前景一。
１３本出光興產公司在２０世紀８ｏ年代中期首先成
％聯絡人
作者簡介：詹迎青，男，１９８５年生碩士研究生，主要從事聚芳醚腈特種功能高分子材料的研究。
第３８卷第１期詹迎青等：玻纖／石墨／聚芳醚腈複合材料的製備與效能
脂為基體，通過新增玻璃纖維和石墨製備了協同增強的複合材料，對其熱學效能、機械效能和流變性能進
使拉伸效能得以提高。加入質量分數為３％、６％的
石墨與玻纖協同增強ｐｅｎ複合材料，其拉伸性強度比單純填充質量分數１６％玻纖的複合材料稍有增加，當質量分數為９％的石墨與玻纖協同增強ｐｅｎ複合材料時，其拉伸強度基本與純ｐｅｎ相同；這可能是由於石墨用量的增加，填料在基體中的分散性變差，相鄰粒子問易於團聚，使得材料的拉伸強度降低。
玻纖的加入使ｐｅｎ複合材料的彎曲強度得到大幅度提高，但加入質量分數為３％、６％和９％的石墨行了研究，以期為開發高效能ｐｅｎ複合材料奠定理
論基礎。
ｌ實驗部分
１．１主要原料
聚芳醚腈（ｐｅｎ）：四川飛亞新材料****；無鹼玻璃纖維（ｇｆ）：浙江巨石集團公司，直徑１０
～２０ ｍ；膠體石墨粉（ｇｒ）：上海膠體石墨廠。１．２主要儀器和裝置
雙螺桿擠出機：型號ｔｓｓｊ一２５／４０，晨光塑料機械
研究所，螺桿直徑２５ ｍｍ，長徑比（ｌ／ｄ）＝４０；注射成型機：型號ｈｔｆｗ１，海天注塑機****，螺桿直徑微機控制萬能測試機：深圳新三思材料檢測****；擺錘衝擊試驗機：
ｚｂｃ。１０００，深圳新三思材料檢測****；掃瞄電子顯微鏡型，１３本電子公司；熱重分
析儀：ｑ５０，美國ｔａ公司；旋轉流變儀：ａｒ—ｇ２，
美國ｔａ公司。１．３效能測試和表徵
懸臂梁缺口衝擊強度按在室溫下進行測試，測試前用銑樣機在衝擊樣條上加工成ｖ型缺口（深度２ ｍｍ）；拉伸強度和彎曲強度測試執行標準分別為和
熱重分析（ｔｇ）在熱重分析儀上進行，公升溫速度１０￣ｃ／ｍｉｎ；掃瞄電鏡分析（ｓｅｍ）使用掃瞄電子顯微鏡觀察樣品斷面形貌，掃瞄加速電壓２０ ｋｖ；材
料的動態流變行為在旋轉流變儀上進行測試，樣片直徑２５ ｍｍ，厚度１ｍｍ，通過模壓壓制１０ ｍｉｎ制得。
２結果與討論
複合材料的力學效能
表１複合材料的力學效能
表１是不同配方的複合材料的力學效能。由表１
可知，純ｐｅｎ樹脂的拉伸強度最小，加人１６％玻纖後，複合材料的拉伸強度迅速提高；這是由於玻纖加
入後，在複合材料中構成骨架，起到增強作用，從而
與玻纖協同增強ｐｅｎ複合材料，其彎曲強度比單純填充質量分數１６％玻纖的複合材料下降很少，這說明少量石墨填充不影響ｐｅｎ複合材料的韌性。從表１還可以看出，玻纖、玻纖與石墨協同改性增強ｐｅｎ
複合材料，小幅度降低了複合材料的衝擊效能，因此，少量石墨與玻纖協同增強ｐｅｎ，對其衝擊效能
影響不大。綜合分析，玻纖與質量分數為３％、６％的石墨協同改性增強ｐｅｎ複合材料，具有較高的拉伸強度、彎曲強度和彎曲模量，綜合力學效能優異。２．２玻纖、石墨用量對複合材料熱穩定性的影響
圖１為ｐｅｎ／ｇｆ／ｇｒ複合材料ｔｇａ測試結果。通過ｔｇａ分析得到了純ｐｅｎ的初始分解溫度為４１３．１８℃，而加人質量分數分別為３％、６％、９％的石墨與
玻纖協同增強ｐｅｎ後，複合材料的初始分解溫度相對純ｐｅｎ有所提高，並隨石墨用量的增加而小幅度
增加；複合材料８００℃的熱分解殘留量都高於純ｐｅｎ的熱分解殘留量，質量分數為９％的石墨與玻纖協同增強ｐｅｎ複合材料，其在８００℃時６２．９５％的殘留量
大大高於純ｐｅｎ４８．１３％的殘留量。從這個意義上來說，少量石墨與玻纖協同增強ｐｅｎ複合材料，其熱穩定性得到了提高。
圖１複合材料的熱分解曲線
２．３複合材料斷面ｓｅｍ分析
圖２ｂ為單純填人玻纖複合材料的拉伸斷面圖，
與純ｐｅｎ樹脂圖２ａ相比，玻纖以棒狀存在於ｐｅｎ樹
脂當中，構成骨架結構，從而使得ｐｅｎ樹脂力學性
３４塑料工業２０１０年
能大幅度提高。圖２ｃ為石墨與玻纖協同增強ｐｅｎ復
緩，這說明，在石墨填料用量較低的情況下，對複合材料的模量影響較小，但有效地提高了複合材料的力學效能。
合材料拉伸斷面圖，從圖中可以看出，石墨以片層形狀存在於ｐｅｎ樹脂與玻纖之間，進一步增強了起連線作用的ｐｅｎ樹脂基體，從而使得複合材料力學效能進一步提高。
圖２複合材料的斷面形貌
２．４複合材料的動態流變性能
圖３體系ｇ 隨頻率變化趨勢（３５０℃）
圖３和圖４分別為複合材料的儲能模量、耗能模量與頻率的關係曲線。從圖中可以看見，在整個頻率範圍內ｇ 和ｇ」與頻率有很好的線性。在相同頻率下，隨著玻纖和石墨填料量的增加，儲能模量和耗能模量
均增加，玻纖的加入較大幅度提高了複合材料的ｇ ，而石墨的加入則進一步提高了複合材料的儲能模量和
耗能模量，這是因為，石墨與ｐｅｎ樹脂形成了三維
填料網路結構，這種網路結構的存在，阻礙了分子鏈的相對運動能力，但與玻纖相比，曲線的變化趨勢較
時１０５
０．１ｌｌ０１００
頻￣／ｐ，ｚ
圖４體系ｇ隨頻率變化趨勢（３５０℃）
圖５體系ｉｎ ｉ隨頻率變化趨勢（３５０ ｏｃ）
ｏ－３０．２
從圖５體系ｌ凡 ｊ隨頻率變化趨勢可知，玻纖和無機剛性粒子的加入會增大填充體系的黏度，填充體系與未加填料的ｐｅｎ樹脂的ｊｉ隨頻率的增加而降低，且曲線的下降趨勢比較一致；但從變化趨勢來
看，在相同頻率下，填充體系ｌｎ ｌ隨石墨填料含增
加，其變化趨勢較緩。由此可知，少量的石墨填料的
加入對體系的黏度影響較小，從而對材料的加工效能影響較小。圖６為體系損耗因子與頻率的變化關係。
從圖６可知，在整個頻率範圍內，ｐｅｎ樹脂損耗因子
隨頻率的增加而增加。玻纖和石墨的加入，提高了體
系的損耗因子，在低頻區，填充體系損耗因子隨頻率
第３８卷第１期詹迎青等：玻纖／石墨／聚芳醚腈複合材料的製備與效能３５
的增加而下降；而在高頻區則隨頻率增加而增加，並
趨於一致。
［４］張連來，江璐霞，蔡興賢．新型特種工程塑料——聚芳
醚腈［ｊ］．絕緣材料通訊
３ 結語
採用雙螺桿擠出機熔融共混法，製備了玻纖、石墨填充ｐｅｎ複合材料，研究了兩種不同形貌的增強
填料對ｐｅｎ樹脂的協同增強作用。用１６％玻纖填充ｐｅｎ，使複合材料拉伸強度和彎曲強度大幅度提高
用玻纖和石墨協同改性ｐｅｎ，進一步提高複合材料１９—２２．
的力學效能，實驗表明，採用１６％玻纖和３％、６％
石墨協同增強ｐｅｎ，具有較大的拉伸強度和彎曲強
度，綜合力學效能優異。玻纖、石墨協同改性
使複合材料的熱穩定性大幅度提高。在相同頻率下，
ｐｅｎ基複合材料的儲能模量和耗能模量均隨玻纖和
石墨用量的增加而提高，低用量石墨的填入對體系的模量和加工黏度影響較小。參考
文獻［１０］余興江，劉孝波，鍾家春，等．一種半晶型聚芳醚醚腈
的工業化生產方法
１０—３０．
（修改稿於收到）
（上接第３１頁）
量比為時，缺口衝擊強度最佳，是純奈米ｓｉｏ 複合材料在奈米ｓｉｏ 用量較高
ｐａ６６的１ｏ．９倍，ｔｅｍ**表明奈米ｓｉｏ 分散均勻，時，衝擊強度下降的現象。
團聚現象少。
圖５是放大到５萬倍後的ｔｅｍ**。可以看出，參
考文獻圖５ａ分散好，圖５ｂ則出現明顯的團聚。
［１］王國全．聚合物改性原理與應用［ｍ］．北京：中國輕工３ 結論
業出版社，２００７．
１）、奈米ｓｉｏ２在復合體系中的［２］黃慧，王國全．加工工藝對ｐｐ／彈性體／奈米ｃａｃｏ 復合
協同增韌效果優於奈米ｃａｃｏ 。
材料力學效能的影響［ｊ］．塑料
—９７．
２）奈米ｓｉｏ２、奈米ｃａｃｏ 在對
［３］楊昌榮．共混工藝對ｐｐ／ｐａ６／奈米ｓｉｏ 複合材料力學性
ｍａｈ復合體系增韌的同時，對彎曲彈性模量影響能的影響［ｊ］．塑料工業
很小。（本文於收到）
奈米ｓｉｏ２三元共混體系質
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