尼龙/石墨烯复合材料的制备与特性

凌 巧

（安徽孟凌精密电子有限公司，安徽 铜陵 244000）

尼龙是应用广泛的工程塑料之一，其抗疲劳强度和刚性较高、耐热性较好、摩擦系数低、耐磨性好，具有优良的综合性能，被广泛应用在机械、电子、汽车、航空等领域，但由于其导热系数低，强度、热稳定性等相对较差，不能满足现代工业的发展要求。

石墨烯自2004年被英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫发现后，因其具有良好的弹性、韧性、断裂强度、致密性等属性，在机械、电子、光电、计算机等领域有着广泛的应用前景，特别是在改性高分子材料领域受到国内外学者的广泛关注。

近年来，国内外学者利用不同方法研究尼龙/石墨烯复合材料的属性，尤其在力学、导电和热性能领域，取得了重大的突破。如王贵宾等人通过溶液共混法研究尼龙/石墨烯复合材料的电导率随着石墨烯体积分数的变化情况，李同生通过两步熔融共混法研究尼龙/石墨烯复合材料的力学性能和黏度，U.Jorge等研究了不同的制备方法对尼龙/石墨烯复合材料的性能影响，等等。本文就安徽孟凌精密电子有限公司在生产电机用绝缘材料过程中产生的大量尼龙/石墨烯复合材料边角料进行研究，研制具有耐磨、自润滑、高韧性的新型尼龙/石墨烯绝缘材料。

一、研究方案设计

通过对电机配件生产边角料的成份进行化学分析，在理论研究成果的指导下，适当添加一定比例的二硫化钼、尼龙、石墨烯等原料及其它辅助材料，通过特定的加工工艺制作尼龙和石墨烯复合材料试样，再对试样进行性能测试，根据测试结果调整原料配比及成型工艺，使产品符合既定的性能指标。

尼龙/石墨烯复合材料增韧改性的方法有三种：第一种是加入增塑剂，通过改变形态相结构进行物理改性；第二种是开发研制新的催化剂或选用多功能团助催化剂，通过改变分子结构进行化学改性；第三种是共聚改性，目前常采用嵌段共聚方法改性，即采用一种端基已被活化了的“长链活性剂”，并以此引发阴离子聚合，最终获得共聚物。

本文采用第一种方法，通过加入增塑剂改变形态结构的方式来提升耐磨性和高韧性。基本思路是先对目标性能进行分析，确定各组成成份和性能指标要求，在对废料进行成份分析后依据目标性能及指标拟定成份方案，确定配方，然后试制样品，对试样进行分析测试，根据测试结果调整工艺流程和工艺参数，直至产品性能满足要求。通过分析实验，公司采用将尼龙原料与二硫化钼原料分别进行清洗，然后进行粉碎、烘干、造粒3道工序，将上述完成的尼龙原料及二硫化钼原料按照19:1的比例进行混合并加入总比例3%的石墨烯粉，经250度高温处理，进行塑化，最后按平流挤出的方式将原料成型，最后进行压片、分切、复卷等工作，生产出具有耐磨、自润滑、高韧性的尼龙/石墨烯复合材料。图一为尼龙/石墨烯复合材料生产技术线路图，图二为其生产工艺流程图。

二、实验部分

（一）原始材料及仪器设备

主要使用的原始材料有：天然石墨烯，二硫化钼，尼龙，甲苯二异氰酸酯，浓硫酸、高锰酸钾、浓硝酸、盐酸、润滑剂等。

在研制过程中主要使用的仪器设备有：双螺杆挤出机、注塑机、调整混合机、导热系数测试仪、软化点温度测试仪、电热恒温干燥箱、磁力搅拌箱、万能制样机、洛氏硬度计、电子显微镜等。

（二）性能分析

1.耐高温性能

由于石墨烯本身具有耐高温性，它的加入可显著改善尼龙的的热变形温度。用上述工艺生产的尼龙/石墨烯复合材料，其热变形温度随着石墨烯质量分数的增加而增加，当石墨烯含量达3%时，热变形温度可达到1500C，完全符合防火材料的要求。

2.导电性能

纯尼龙本身是绝缘体，但石墨烯的加入会大大降低尼龙的体电阻，即降低复合材料的电阻率。上述工艺生产的尼龙/石墨烯复合材料，其导电性会随着石墨烯含量的增加逐步提高，这是由于当石墨烯含量增多时，石墨烯可以通过热膨胀来改性尼龙，依靠石墨烯颗粒之间的接触导电，且石墨烯含量越多，导电性越好，但由于在制备过程中石墨烯粉容易沉积，所以必须进行高温膨化，才能保证导电率均匀。（图2）

3.磨损性能

由于石墨烯本身是良好的润滑剂，它的加入可显著改善尼龙的的摩擦特性。用上述工艺生产的尼龙/石墨烯复合材料，由于石墨烯粉分子填充到尼龙的凹凸微观表面，在摩擦过程中石墨烯很容易在磨面上形成一层转移膜，同时尼龙大分子由于填充物的牵连也不易解脱，导致石墨烯填充的磨损量较小；另一方面石墨烯本身是良好的润滑剂，起到了润滑剂的作用，所以其耐磨性能大幅提升，同时其硬度和剪切强度都有一定程度提高。

图2 尼龙/石墨烯复合材料生产工艺流程图

图1 尼龙/石墨烯复合材料生产技术线路图

4.力学性能

理论研究表明：石墨烯的含量对复合材料力学性能有很大的影响，其中拉伸强度会随着石墨烯含量的增加先增大后减小，且在石墨烯含量为3%时复合材料的拉伸强度达到最大值，而冲击强度也是随着石墨烯含量的增加先增大后减小，但在石墨烯含量为10%时冲击强度达到最大值。用上述工艺配方生产的尼龙/石墨烯复合材料，根据公司对复合材料的具体要求，采用3%的石墨烯粉，以提高复合材料的拉伸强度，从而提升其韧性。

三、结论

逆向研究是当前应用较广的一种研究方法。本文通过对进口尼龙/石墨烯复合材料进行逆向研究，在理论研究成果的基础上，根据公司对材料的技术需求，通过实验和测试手段确定合理成份和生产工艺，研制出具有耐磨、自润滑、高韧性的尼龙/石墨烯复合材料。论实践验证，研制的尼龙/石墨烯复合材料可替代日本东洋精工的尼龙复合绝缘材料，可供给微电机、微型减速机械、自动化设备零配件、乐器、电位器等诸多行业。产品的研究不但大大降低了原料的使用成本，也为其它进口原料的研制提供了参考方法。