低密度聚乙烯(LDPE)具有良好的延伸性、电绝缘性、化学稳定性、加工性能和耐低温性[1]，可用于制备建筑用薄膜、包装、挤塑管材和滚塑制品等[2]。但LDPE的力学强度、摩擦性能、回弹性能、耐环境应力开裂性和耐热性差，导致LDPE在交通、军工等领域的应用受到限制[3]。需要对LDPE改性，提升其力学性能、摩擦性能和阻燃性能。碳纤维(CF)是一种力学性能优异的新材料，主要与聚乙烯、金属、陶瓷等基体复合，CF增强复合材料具有强度高和稳定性好等特点，在国防军工、建筑工业及交通运输等领域广泛应用[4]。大量研究表明CF能够增强聚乙烯材料的力学性能。盛旭敏[5]将短切CF加入聚乙烯，能够提升复合材料的拉伸强度和冲击强度。梁训美等[6]研究表明：CF能够增强中密度聚乙烯复合材料的屈服强度及弹性模量。目前关于CF增强的LDPE复合材料的研究相对较少[7]。邵时雨等[8]探究了CF对线型LDPE复合材料导热性的影响。复合材料的性能受CF和聚乙烯之间界面的影响，但是CF表面较光滑，呈现一定化学惰性，导致CF和聚乙烯复合时界面黏附性相对较差，限制其使用范围。此外，CF的介电常数较高，与自由空间的阻抗不匹配，对电磁波产生强烈反射，通常对CF进行改性以提高电阻率，从而调整介电常数。聚酰胺具有加工流动性好、耐磨损性好、力学强度高及介电性能好等优势[9]。而目前聚酰胺改性CF增强LDPE复合材料的报道较少。本实验基于聚酰胺改性CF制备LDPE/改性CF复合材料，对其力学性能、摩擦性能、介电性能和阻燃性能等进行分析，为LDPE/改性CF复合材料的应用提供帮助。1实验部分1.1主要原料碳纤维(CF)，T600，常州丰茂新材料有限公司；低密度聚乙烯(LDPE)，XL600，淄博源丰生物科技有限公司；偶联剂，马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)，上海日之升新科技有限公司；石蜡，化学纯，上海凌峰化学试剂有限公司；聚酰胺，PA66，巩义市龙达水处理材料有限公司。1.2仪器与设备箱式电阻炉，YDHX4-19-700，惠州远达机械设备有限公司；温度控制器，stc-200，江苏省精创电气股份有限公司；螺杆注射机，HA1700，东莞市晟达机械设备有限公司；万能试验机，WDW4100，山东万辰试验机有限公司；悬臂梁冲击试验机，MDS-50D-CM，安徽麦德施环保科技有限公司；磨损试验机，SGW-10A，苏州亚诺天下仪器有限公司；硬度计，DHT-300，德光仪器中国有限公司；极限氧指数仪(LOI)，KS-653BH，上海今森检测设备有限公司；扫描电子显微镜，SU3800，日本日立公司；击穿强度测定仪，SU22，中航时代有限公司。1.3样品制备参照文献[10]方法对CF进行聚酰胺改性处理。表1为LDPE/CF和LDPE/改性CF复合材料配方。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.015.T001表1LDPE/CF和LDPE/改性CF复合材料配方Tab.1Formula of LDPE/CF and LDPE/modified CF composites样品CF改性CFLDPEMAPE石蜡10094.04.02.021.5092.54.02.032.5091.54.02.043.5090.54.02.054.5089.54.02.065.5088.54.02.0701.592.54.02.0802.591.54.02.0903.590.54.02.01004.589.54.02.01105.588.54.02.0%%按表1配方将原料通过高速混合机混合，共混转速为120 r/min，混合15 min，通过螺杆注塑成型，获得LDPE/CF和LDPE/改性CF复合材料，经过双螺杆熔融复合挤出后粉碎成颗粒，再经压机模型成型和冷却。1.4性能测试与表征拉伸性能测试：按GB/T 1040.2—2006进行测试，有效拉伸空间为650 mm，有效压缩空间为550 mm。冲击性能测试：按GB/T 1843—2008进行测试，悬臂梁冲击试验机的摆锤扬角为160°，冲击速度为3.5 m/s，摆锤能量为1 J。硬度测试：按GB/T 2411—2008进行测试。摩擦磨损性能测试：按GB/T 3960—2016进行测试，摩擦方式为干摩擦，设置载荷5 kg，机械转速为200 r/min，试验时长设置为25 min，使用电子天平称量磨损前后材料的质量，质量差值是复合材料的磨损质量变化[11]。介电性能测试：频率范围设置为1~104 Hz，样品直径为4 cm，测试温度为25 ℃，湿度为50%。击穿电场强度测试：按GB/T 1408.1—2016进行测试，起始电压强度设置为20 kV，后加压至样品击穿。LOI测试：按GB/T 2406.1—2008进行测试。垂直燃烧测试：按GB/T 2408—2021进行测试。SEM分析：使用液氮浸泡复合材料10 min，取出后快速折断[12-14]，对断面喷金处理，观察表面形貌。2结果与讨论2.1复合材料的力学性能分析表2为LDPE/CF和LDPE/改性CF复合材料的力学性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.015.T002表2LDPE/CF和LDPE/改性CF复合材料的力学性能Tab.2Mechanical properties of LDPE/CF and LDPE/modified CF composites项目CF含量/%LDPE/CFLDPE/改性CF拉伸强度/MPa019.7719.771.522.4529.852.525.5734.763.530.4842.384.535.2851.255.535.7651.86拉伸模量/MPa01067.151067.151.51984.612366.172.52287.213257.683.52827.973562.294.53245.724832.755.53247.194896.32抗冲击强度/（kJ‧m-2）04.014.011.54.876.482.55.047.253.55.558.014.56.338.975.56.218.76从表2可以看出，CF含量在4.5%以内时，随着CF含量的增加，LDPE/CF复合材料的拉伸强度与拉伸模量呈现上升趋势；CF添加量超过4.5%时，变化趋于平缓。LDPE/改性CF复合材料拉伸性能的变化趋势与LDPE/CF相同。由于CF存在较长的长径比，制备过程中需要经过熔体冲模，CF的取向为流动方向，LDPE的强度远低于CF的强度，大量使用CF能够增加复合材料的拉伸性能。CF添加量4.5%时，LDPE/CF复合材料的拉伸强度和拉伸模量分别35.28 MPa和3 245.72 MPa；LDPE/改性CF复合材料的拉伸强度和拉伸模量分别为51.25 MPa和4 832.75 MPa。随着改性前后CF含量的增加，复合材料的抗冲击强度均呈先上升后小幅下降的趋势。改性前后CF用量4.5%时，复合材料的抗冲击强度均达到最高。2.2复合材料的硬度及摩擦磨损性能分析图1为LDPE/CF和LDPE/改性CF复合材料的硬度、磨损率和摩擦系数。图1LDPE/CF和LDPE/改性CF复合材料硬度、磨损率和摩擦系数Fig.1Hardness, wear rate and friction coefficient of LDPE/CF and LDPE/modified CF composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.015.F1a1(a)硬度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.015.F1a2(b)磨损率10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.015.F1a3(c)摩擦系数从图1可以看出，随着CF含量的增加，复合材料的硬度先上升后趋于平缓，而摩擦系数和磨损率先下降后趋于平缓。材料表面产生类似石墨膜的固体润滑剂，能够降低材料磨损。此外，LDPE/改性CF复合材料的硬度和摩擦磨损效果均高于LDPE/CF复合材料。而当改性前后CF添加量分别超过4.5%时，LDPE/CF和LDPE/改性CF复合材料的硬度、摩擦系数和磨损率等变化均趋于平缓，表明当CF和改性CF添加量超过4.5%时，复合材料的硬度及摩擦性能均未受到更大影响。2.3复合材料的介电常数和击穿强度分析图2为LDPE/CF和LDPE/改性CF复合材料的介电常数和直流、交流击穿强度。从图2a可以看出，随着CF含量的增加，复合材料的介电常数呈现先上升后小幅降低的趋势，在CF添加量在4.5%时达到最高；当CF添加量超过4.5%时，复合材料的介电常数小幅降低，可能是由于CF过量添加导致复合材料中团聚现象。改性CF加入后复合材料表现出相同趋势。LDPE/改性CF复合材料的介电常数高于LDPE/CF复合材料，表明改性CF可以有效提升LDPE复合材料的电场绝缘能力。从图2b和图2c可以看出，复合材料在直流电场下的击穿强度略低于交流电场下的击穿强度。随着改性前后CF含量的增加，复合材料的直流和交流击穿强度均不断增加。改性前后CF的添加量分别为4.5%时，复合材料均具有较好的电绝缘性能。图2LDPE/CF和LDPE/改性CF复合材料的介电常数和直流、交流击穿强度Fig.2The dielectric constant, DC and AC breakdown strength of LDPE/CF and LDPE/modified CF composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.015.F2a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.015.F2a210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.015.F2a32.4复合材料的阻燃性能分析表3为LDPE/CF和LDPE/改性CF复合材料的阻燃性能。从表3可以看出，LDPE/CF复合材料的LOI随CF含量增加呈现先增加后小幅降低的趋势，CF添加量为4.5%时达到最高。LDPE/改性CF复合材料的LOI随改性CF含量的增加呈现先增加后降低的趋势，改性CF含量为4.5%时，LDPE/改性CF的LOI值为32.3%。改性CF的加入能够有效改善LDPE复合材料的阻燃性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.015.T003表3LDPE/CF复合材料的阻燃性能Tab.3Flame retardancy of LDPE/CF composites项目CF含量/%LDPE/CFLDPE/改性CFLOI/%026.7V-01.527.0V-02.527.3V-03.528.1V-04.528.3V-05.527.6V-0UL-94等级1.528.3V-02.529.6V-03.530.3V-04.532.3V-05.531.2V-02.5复合材料的SEM分析图3为LDPE/CF(4.5%)和LDPE/改性CF(4.5%)复合材料的SEM照片。从图3a可以看出，LDPE/CF(4.5%)复合材料断裂后CF发生明显拔出，且拔出的CF表面较光滑，几乎没有黏附LDPE材料。因为CF在复合材料中没有发挥稳定地承受载荷的作用，材料断裂后LDPE出现拉丝，CF从LDPE中拔出后，出现明显的孔洞[15-17]。从图3b可以看出，LDPE/改性CF(4.5%)复合材料发生断裂时，改性CF拔出后仍有大量LDPE黏附在CF表面。因为改性CF与LDPE之间黏结强度增大，LDPE丧失表面自由度，改性CF与LDPE之间产生良好的黏接界面，应力得到传递[18-20]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.015.F003图3LDPE/CF（4.5%）和LDPE/改性CF（4.5%）复合材料的SEM照片Fig.3SEM images of LDPE/CF（4.5%） and LDPE/modified CF（4.5%） composites3结论（1）CF的加入可明显增强复合材料的力学性能。改性CF加入量为4.5%时，与LDPE/CF复合材料相比，LDPE/改性CF复合材料的拉伸强度、拉伸模量及冲击强度均增大。（2）改性CF的加入，复合材料的摩擦性能、介电性能显著提升。改性CF添加量为4.5%时，复合材料的介电常数及电场击穿强度均达到最优，表现出良好的电场绝缘性能。改性CF加入量为4.5%时，复合材料的LOI达到最高32.3%，表现出较优的阻燃性能。（3）改性CF与LDPE之间产生良好的黏接界面，导致改性CF增强LDPE复合材料综合性能得到提升。