CN105733096A - 一种长碳纤维增强热塑性复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于长碳纤维复合材料技术领域，具体涉及一种长碳纤维增强热塑性复合材料及其制备方法，其制备原料按质量百分比计包括：碳纤维30%?50%、聚酰胺0%?40%、聚丙烯10%?45%、相容剂3%?5、辅助添加剂0.5%?1%。本发明通过对普通性能级别的碳纤维表面纳米化处理形成的仿生结构，有效提高了碳纤维与聚合物基体界面的结合强度。基体材料采用廉价的聚丙烯与聚酰胺形成共混合金，使聚丙烯高性能化，从而使普通复合材料高性能化，用以替代高性能等级复合材料，降低复合材料生产成本。通过旋转张力辊对碳纤维进行展宽，可有效降低碳纤维在展宽过程中的损伤。碳纤维与热塑性基体间的旋转拉挤复合成型，保证了熔体对碳纤维良好的浸润性。

Description

一种长碳纤维增强热塑性复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于长碳纤维复合材料技术领域，具体涉及一种长碳纤维增强热塑性复合材料及其制备方法。
背景技术
在当下高速发展的社会，汽车作为大众交通工具，消耗了约60％的石油资源，随着能源资源、环境污染问题日益突出，提高汽车燃油效率，降低CO2排放的要求越来越高。根据美国国家环境保护局(EPA)的标准，到2025年，每英里(1.6公里)的CO2排放量不能超过163g，这意味着每百公里油耗不到5升，要满足EPA的要求，每辆汽车大概需要减重200kg，约为整车重量的10％。目前，纤维增强树脂基复合材料(FRPC)成为结构减重材料最大的竞争者，可用于车身和底盘，也可以满足汽车工业的挑战。作为汽车先进制造技术的风向标，有些高端汽车已把碳纤维复合材料应用到i3电动车上，已于2014投放北美市场。除此之外，机器人、医疗康复器械、轨道交通等领域也需要使用大量轻量化碳纤维复合材料。但是，由于碳纤维生产成本高昂，采用碳纤维作为增强材料的复合材料，制造成本高是制约其大批量应用的瓶颈问题之一。
发明内容
综上所述，为了解决了制造碳纤维生产成本高的问题，本发明提供了一种长碳纤维增强热塑性复合材料及其制备方法。
一种长碳纤维增强热塑性复合材料，其制备原料按质量百分比计包括：
一种长碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、先将碳纳米管分别进行表面氧化、水洗、敏化、水洗、活化和水洗处理；
步骤二、把处理过的碳纳米管表面进行化学镀镍处理，镀层厚度0.01-0.05μm，镀液温度70-80℃，时间20-60min，然后进行水洗和干燥处理，化学镀镍处理后的碳纳米管分散在四氢呋喃和油胺按照体积比为5：1配制的分散液中进行超声振荡处理，即完成对碳纤维表面的纳米化；
步骤三、镀镍碳纳米管表面上浆，在步骤二中所述的分散液中加入聚氨酯溶液配制成上浆剂，其中分散液和聚氨酯溶液的体积比为1：3，把上浆剂均匀涂抹在纳米化后的碳纤维表面，将上浆后的碳纤维烘干备用，其烘干温度为80-100℃；
步骤四、按质量百分比计，将碳纤维30％～50％、聚丙烯10％～45％、聚酰胺0％～40％、相容剂3％～5％和辅助添加剂0.5％～1％混合，将混合好的材料加入双螺杆挤出机加料仓，经双螺杆挤出机熔融挤出熔体，挤出温度温度为190-230℃；
步骤五：碳纤维复合材料的制备，将步骤四中所述的熔体挤入模具熔池内，将步骤三中制备的碳纤维经一组旋转张力辊展宽，进入模具内与熔池内的熔体在压力作用下进行拉挤复合，复合压力控制在0.5-1MPa之间，拉挤成型后的复合材料经水冷，切粒后既得长碳纤维增强热塑性复合材料。
进一步，所述的相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯。
进一步，所述的辅助添加剂包括抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯9、三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯、复合型抗氧剂、润滑剂聚乙烯蜡和硬脂酸锌中的一种或几种。
进一步，所述的长碳纤维增强热塑性复合材料，其粒料长度为5-25mm之间。
有益效果：
1、本发明通过对普通性能级别的碳纤维表面纳米化处理形成的仿生结构，有效提高了碳纤维与聚合物基体界面的结合强度；基体材料采用廉价的聚丙烯与聚酰胺形成共混合金，使聚丙烯高性能化，从而使普通复合材料高性能化，用以替代高性能等级复合材料，降低复合材料生产成本。
2、本发明通过旋转张力辊对碳纤维进行展宽，可有效降低碳纤维在展宽过程中的损伤，保证复合材料的高性能。
3、碳纤维与热塑性基体间的旋转拉挤复合成型，保证了熔体对碳纤维良好的浸润性，同时保证了纤维在基体中的分散均匀。
4、本发明制备的复合材料可以采用注塑、挤出等高效成型工艺，成型设备通用，工艺简单，产品制造成本低、可回收再利用。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1：
一种长碳纤维增强热塑性复合材料，其制备原料按质量百分比计包括：
所述相容剂为5％的马来酸酐接枝聚丙烯；
所述辅助添加剂为0.1％的抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯9、0.2％的三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯和0.5％的复合型抗氧剂。
一种长碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤一、对碳纳米管进行表面氧化、敏化和活化处理，其工艺流程为：氧化—水洗—敏化—水洗—活化—水洗；
步骤二：对碳纳米管表面进行化学镀镍处理，镀层厚度0.01-0.05μm，镀液温度70-80℃，时间20-60min，然后进行水洗和干燥处理，化学镀镍处理后的碳纳米管分散在四氢呋喃和油胺体积比5：1配制的分散液进行超声振荡处理即完成对碳纤维管表面的纳米化；
步骤三：镀镍碳纳米管表面上浆，在步骤二中所述的分散液中加入聚氨酯溶液配制成上浆剂，其中分散液和聚氨酯溶液的体积比为1：3，配制成上浆剂，把上浆剂均匀涂覆在碳纤维表面，然后进行烘干，其烘干温度为80-100℃；
步骤四：将制备原料中相应质量百分比的碳纤维、聚丙烯、聚酰胺、相容剂和辅助添加剂混合，加入双螺杆挤出机加料仓，经双螺杆挤出机熔融挤出，挤出温度温度为190-230℃；
步骤五：碳纤维复合材料的制备，将步骤四中所述的熔体挤入模具熔池内，将步骤三中制备的碳纤维经一组旋转张力辊展宽，进入模具内与熔池内的熔体在压力作用下进行拉挤复合，复合压力控制在0.5-1MPa之间，拉挤成型后的复合材料经水冷，切粒后既得碳纤维增强热塑性复合材料，其粒料长度为12mm。
实施例2
一种长碳纤维增强热塑性复合材料，其制备原料按质量百分比计包括：
所述相容剂为5％的马来酸酐接枝聚丙烯
所述辅助添加剂为的抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯9、0.2％的三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯和0.5％的复合型抗氧剂。
一种长碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，具体步骤同实施例1，在此不再赘述。
实施例3
一种长碳纤维增强热塑性复合材料，其制备原料按质量百分比计包括：
所述相容剂为5％的马来酸酐接枝聚丙烯
所述辅助添加剂为0.1％的抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯9、0.2％的三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯和0.5％的复合型抗氧剂。
一种长碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，具体步骤同实施例1，在此不再赘述。
实施例4
一种长碳纤维增强热塑性复合材料，其制备原料按质量百分比计包括：
所述相容剂为5％的马来酸酐接枝聚丙烯
所述辅助添加剂为0.1％的抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯9、0.2％的三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯和0.5％的复合型抗氧剂。
一种长碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，具体步骤同实施例1，在此不再赘述。
实施例5
一种长碳纤维增强热塑性复合材料，其制备原料按质量百分比计包括：
所述相容剂为5％的马来酸酐接枝聚丙烯
所述辅助添加剂为0.1％的抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯9、0.2％的三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯和0.5％的复合型抗氧剂。
一种长碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，具体步骤同实施例1，在此不再赘述。
实施例6
一种长碳纤维增强热塑性复合材料，其制备原料按质量百分比计包括：
所述相容剂为5％的马来酸酐接枝聚丙烯
所述辅助添加剂为0.1％的抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯9、0.2％的三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯和0.5％的复合型抗氧剂。
一种长碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，具体步骤同实施例1，在此不再赘述。
综上所述，由实施例1～实施例6制备的长碳纤维增强热塑性复合材料的力学性能如下表所示：

Claims (5)

1.一种长碳纤维增强热塑性复合材料，其特征在于，其制备原料按质量百分比计包括：
碳纤维 30%-50%
聚酰胺 0%-40%
聚丙烯 10%-45%
相容剂 3%-5%
辅助添加剂 0.5%-1% 。
2.基于权利要求1所述的一种长碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、先将碳纳米管分别进行表面氧化、敏化和活化处理，其工艺流程为：氧化—水洗—敏化—水洗—活化—水洗；
步骤二、把处理过的碳纳米管表面进行化学镀镍处理，镀层厚度0.01-0.05μm，镀液温度70-80℃，时间20-60min，然后进行水洗和干燥处理，化学镀镍处理后的碳纳米管分散在四氢呋喃和油胺按照体积比为5：1配制的分散液中进行超声振荡处理，即完成对碳纤维表面的纳米化；
步骤三、镀镍碳纳米管表面上浆，在步骤二中所述的分散液中加入聚氨酯溶液配制成上浆剂，其中分散液和聚氨酯溶液的体积比为1：3，把上浆剂均匀涂抹在纳米化后的碳纤维表面，将上浆后的碳纤维烘干备用，其烘干温度为80-100℃；
步骤四、按质量百分比计，将碳纤维30%～50%、聚丙烯10%～45%、聚酰胺0%～40%、相容剂3%～5%和辅助添加剂0.5%～1%混合，将混合好的材料加入双螺杆挤出机加料仓，经双螺杆挤出机熔融挤出熔体，挤出温度温度为190-230℃；
步骤五：碳纤维复合材料的制备，将步骤四中所述的熔体挤入模具熔池内，将步骤三中制备的碳纤维经一组旋转张力辊展宽，进入模具内与熔池内的熔体在压力作用下进行拉挤复合，复合压力控制在0.5-1MPa之间，拉挤成型后的复合材料经水冷，切粒后既得长碳纤维增强热塑性复合材料。
3.根据权利要求1或2所述的相容剂，其特征在于，所述的相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯。
4.根据权利要求1或2所述的辅助添加剂，其特征在于，所述的辅助添加剂包括抗氧剂四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯9、三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯、复合型抗氧剂、润滑剂聚乙烯蜡和硬脂酸锌中的一种或几种。
5.根据权利要求2所述的一种长碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，其特征在于，所述的长碳纤维增强热塑性复合材料，其粒料长度为5-25mm之间。
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