CN103571036A - 回收碳纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种回收碳纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法，包括以下步骤：(1)按上述配比，称取5-40份的回收碳纤维加入到高混机中，然后加入0.1-3份的表面处理剂对回收碳纤维进行表面处理；(2)再按配比称取60-95份聚丙烯，3-20份相容剂，0-20份增韧剂，0.1-0.6份润滑剂，0.1-0.5份抗氧剂，0-20份填料于高混机中，混合均匀；(3)将步骤(2)混合均匀的原料加入到双螺杆机中熔融共混，挤出，水冷，拉条切粒得到回收碳纤维增强的PP组合物。与现有技术相比，本发明复合材料具有强度高、力学性能优异、成本低等优点。

Description

回收碳纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料回收技术领域，具体涉及一种回收碳纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
碳纤维复合材料(CFRP)具有质轻、高强度、高模量等优异的性能，是其他玻璃纤维增强复合材料所无法比拟的，因此被广泛的应用于航空航天、汽车工业、轨道交通、新能源、体育用品等高新技术产业领域。随着经济的高速发展，CFRP在各个领域的使用量迅猛增长，所产生的废弃树脂也与日俱增，而废弃的CFRP中的成份都不可降解，若直接丢弃到环境中的话，一方面会给环境带来严重的污染；另一方面，这些废弃的CFRP中往往含有高附加值碳纤维，而碳纤维的生产是一个高耗能的过程，若不加以回收利用也将造成资源的严重浪费。
聚丙烯(PP)作为一种通用塑料，由于其具有密度低，机械性能和加工性能优异，且价格便宜等优点，已被广泛的应用于汽车，家电，电器等领域。而纯PP树脂由于其强度，硬度，尺寸稳定性和耐热性等性能往往存在些不足，需要对其改性方能将其应用于上述领域。为了改善PP的这些性能，目前常用的方法是通过采用玻璃纤维增强聚丙烯或采用无机填料如碳酸钙，滑石粉等来填充改性聚丙烯，如专利CN1125127所述。而玻璃纤维或无机填料密度较大，填充改性PP后得到的组合物密度也随之大幅增加，这会导致产品的市场竞争力下降，同时，受玻璃纤维或无机填料本身性能限制，采用玻纤或无机填料增强改性的PP性能有限，在一些性能要求较高的场合应用将受限制。为了进一步提高改性PP复合材料的性能，并使改性材料轻量化，使其满足对性能要求较高领域的应用，一种方法是采用碳纤维增强改性PP，如专利CN100368471、CN100478386所述，制备得到的复合材料不仅强度高，性能优异，而且密度低；但是新碳纤维价格昂贵，这也导致了用其增强改性得到的PP复合材料成本较高，这直接限制了其广泛使用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种强度高、力学性能优异、成本低的回收碳纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种回收碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，该组合物包含以下重量份的组分制成：
所述的聚丙烯为均聚聚丙烯或共聚聚丙烯。
所述的回收碳纤维是从废弃的CFRP中回收所得，碳纤维长度为0.1mm-100mm。
所述的表面处理剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂和铝酸酯偶联剂中的一种或一种以上。
所述的相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)、丙烯酸接枝聚丙烯(PP-g-AA)和乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯无规三元共聚物(AX8900)中的一种或一种以上。
所述的增韧剂为乙烯-辛烯共聚物(POE)、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁苯橡胶(SBS)、乙丙橡胶(EPR)中的一种或一种以上。
所述的润滑剂为硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸锌、聚乙烯腊、白油中的一种或一种以上；所述的抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂1098、抗氧剂168中的一种或一种以上。
所述的填料为碳酸钙、滑石粉、云母、蒙脱土等无机填料，优选粒径为800-3000目。
一种回收碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按上述配比，称取5-40份的回收碳纤维加入到高混机中，然后加入0.1-3份的表面处理剂对回收碳纤维进行表面处理；
(2)再按配比称取60-95份聚丙烯，3-20份相容剂，0-20份增韧剂，0.1-0.6份润滑剂，0.1-0.5份抗氧剂，0-20份填料于高混机中，混合均匀；
(3)将步骤(2)混合均匀的原料加入到双螺杆机中熔融共混，挤出，水冷，拉条切粒得到回收碳纤维增强的PP组合物。
所述的步骤(3)的双螺杆挤出机为同向或异向双螺杆挤出机，挤出机温度为180-230℃，螺杆转速为150-400rpm，螺杆长径比L/D为30-50：1。
本发明的目的之一是提供一种回收碳纤维增强聚丙烯复合材料，该复合材料不仅具有强度高、力学性能优异、成本低等优点；同时该复合材料采用的是从废弃的CFRP材料中回收的碳纤维对基体树脂进行增强改性，使废弃的碳纤维得以重新利用，减少了其对环境的污染，增加了其附加值，节约了资源。
本发明的另一目的是提供一种上述回收碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，该制备方法加工操作简单。
与现有技术相比，本发明所提供的回收碳纤维增强聚丙烯复合材料不仅具有强度高、力学性能优异、成本低等优点；更重要的是该复合材料采用的是从废弃的CFRP材料中回收的碳纤维对基体树脂进行增强改性，使废弃的碳纤维得以重新利用，减少了其对环境的污染，增加了其附加值，节约了资源。制备得到的复合材料可以广泛的应用于航空航天，汽车，机械，电子电器，家电等产品零部件。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
以下实施例中，拉伸性能测试标准为ASTM D638，弯曲性能测试标准为ASTMD790，Izod缺口冲击强度测试标准为ASTM D256。
实施例1
(1)称取10份回收碳纤维于高混机中，碳纤维长度为0.1mm，加入0.1份硅烷偶联剂KH560表面处理回收碳纤维。
(2)称取90份均聚聚丙烯，3份PP-g-MAH，0.1份硬脂酸，0.3份抗1010，0.1份抗168，20份800目碳酸钙于高混机中混合均匀。
(3)将混合均匀的原料加入双螺杆挤出机中，熔融共混，挤出，拉条切粒得所需的回收碳纤维增强PP复合材料，双螺杆挤出机各区温度为：一区185℃，二区195℃，三区205℃，四区205℃，五区215℃，六区215℃，七区225℃，八区225℃，九区230℃，十区230℃，机头225℃；螺杆转速400rpm，长径比L/D=30/1。
实施例2
(1)称取20份回收碳纤维于高混机中，碳纤维长度为1mm，加入0.4份硅烷偶联剂KH550表面处理回收碳纤维。
(2)称取80份共聚聚丙烯，10份AX8900，10份POE，0.3份硬脂酸锌，0.2份抗1076，0.2份抗168，5份2500目滑石粉于高混机中混合均匀。
(3)将混合均匀的原料加入双螺杆挤出机中，熔融共混，挤出，拉条切粒得所需的回收碳纤维增强PP复合材料，双螺杆挤出机各区温度为：一区185℃，二区195℃，三区205℃，四区205℃，五区215℃，六区215℃，七区225℃，八区225℃，九区230℃，十区230℃，机头225℃；螺杆转速250rpm，长径比L/D=40/1。
实施例3
(1)称取30份回收碳纤维于高混机中，碳纤维长度为10mm，加入3份钛酸酯偶联剂异丙基三异十八酰钛酸酯表面处理回收碳纤维。
(2)称取70份共聚聚丙烯，15份PP-g-MAA，20份EPDM，0.6份聚乙烯腊，0.2份抗1098，0.2份抗168于高混机中混合均匀。
(3)将混合均匀的原料加入双螺杆挤出机中，熔融共混，挤出，拉条切粒得所需的回收碳纤维增强PP复合材料，双螺杆挤出机各区温度为：一区185℃，二区195℃，三区205℃，四区205℃，五区215℃，六区215℃，七区225℃，八区225℃，九区230℃，十区230℃，机头225℃；螺杆转速350rpm，长径比L/D=50/1。
实施例4
(1)称取5份回收碳纤维于高混机中，碳纤维长度为100mm，加入2份钛酸酯偶联剂异丙基三(十二烷基苯磺酰基)钛酸酯表面处理回收碳纤维。
(2)称取95份共聚聚丙烯，5份PP-g-MAH，3份SBS，0.5份白油，0.3份抗1010，0.1份抗168，15份1250目蒙脱土于高混机中混合均匀。
(4)将混合均匀的原料加入双螺杆挤出机中，熔融共混，挤出，拉条切粒得所需的碳纤维增强PP复合材料，双螺杆挤出机各区温度为：一区185℃，二区195℃，三区205℃，四区205℃，五区215℃，六区215℃，七区225℃，八区225℃，九区230℃，十区230℃，机头225℃；螺杆转速150rpm，长径比L/D=40/1。
实施例5
(1)称取20份回收碳纤维于高混机中，碳纤维长度为6mm，加入2份铝酸酯偶联剂二硬脂酰氧异丙基铝酸酯表面处理回收碳纤维。
(3)称取80份均聚聚丙烯，15份PP-g-MAH，5份EPR，0.5份硬脂酸钙，0.3份抗1010，0.1份抗168，5份1250目云母于高混机中混合均匀。
(4)将混合均匀的原料加入双螺杆挤出机中，熔融共混，挤出，拉条切粒得所需的回收碳纤维增强PP复合材料，双螺杆挤出机各区温度为：一区185℃，二区195℃，三区205℃，四区205℃，五区215℃，六区215℃，七区225℃，八区225℃，九区230℃，十区230℃，机头225℃；螺杆转速300rpm，长径比L/D=40/1。
各实施例力学性能测试结果如下表1所示：
表1力学性能测试结果
从上表中力学性能测试结果分析可知，采用回收碳纤维增强的PP复合材料强度高，力学性能优异，符合对性能要求较高的场合使用。
实施例6
(1)称取40份回收碳纤维于高混机中，碳纤维长度为100mm，加入3份铝酸酯偶联剂二硬脂酰氧异丙基铝酸酯表面处理回收碳纤维。
(3)称取60份均聚聚丙烯，20份PP-g-MAH，15份EPR，0.5份硬脂酸钙，0.1份抗168，10份1250目蒙脱土于高混机中混合均匀。
(4)将混合均匀的原料加入双螺杆挤出机中，熔融共混，挤出，拉条切粒得所需的回收碳纤维增强PP复合材料，双螺杆挤出机各区温度为：一区185℃，二区195℃，三区205℃，四区205℃，五区215℃，六区215℃，七区225℃，八区225℃，九区230℃，十区230℃，机头225℃；螺杆转速150rpm，长径比L/D=40/1。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对实施例做出各种修改，并把此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种回收碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，该组合物包含以下重量份的组分制成：
Figure FDA0000415541380000011
2.根据权利要求1所述的回收碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的聚丙烯为均聚聚丙烯或共聚聚丙烯。
3.根据权利要求1所述的回收碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的回收碳纤维是从废弃的CFRP中回收所得，碳纤维长度为0.1mm-100mm。
4.根据权利要求1所述的回收碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的表面处理剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂和铝酸酯偶联剂中的一种或一种以上。
5.根据权利要求1所述的回收碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)、丙烯酸接枝聚丙烯(PP-g-AA)和乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯无规三元共聚物(AX8900)中的一种或一种以上。
6.根据权利要求1所述的回收碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的增韧剂为乙烯-辛烯共聚物(POE)、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁苯橡胶(SBS)、乙丙橡胶(EPR)中的一种或一种以上。
7.根据权利要求1所述的回收碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的润滑剂为硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸锌、聚乙烯腊、白油中的一种或一种以上；所述的抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂1098、抗氧剂168中的一种或一种以上。
8.根据权利要求1所述的回收碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的填料为碳酸钙、滑石粉、云母、蒙脱土等无机填料，优选粒径为800-3000目。
9.一种如权利要求1所述的回收碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按上述配比，称取5-40份的回收碳纤维加入到高混机中，然后加入0.1-3份的表面处理剂对回收碳纤维进行表面处理；
(2)再按配比称取60-95份聚丙烯，3-20份相容剂，0-20份增韧剂，0.1-0.6份润滑剂，0.1-0.5份抗氧剂，0-20份填料于高混机中，混合均匀；
(3)将步骤(2)混合均匀的原料加入到双螺杆机中熔融共混，挤出，水冷，拉条切粒得到回收碳纤维增强的PP组合物。
10.根据权利要求9所述的回收碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)的双螺杆挤出机为同向或异向双螺杆挤出机，挤出机温度为180-230℃，螺杆转速为150-400rpm，螺杆长径比L/D为30-50：1。
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