CN108342084A - 一种碳纤维增强热塑性复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种碳纤维增强热塑性复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及新能源汽车材料技术领域，特别涉及一种碳纤维增强复合材料及其制备方法。原料包括以下组分及重量份含量：热塑性树脂45‑60，碳纤维30‑50，无机填料4.5‑10，偶联剂0.5‑2，抗氧剂0.5‑1.5，润滑剂0.5‑2、阻燃剂2‑5、氮化硼1‑3，其中，氮化硼内添加催化剂0.07‑0.15；将原料热塑性树脂、碳纤维和无机填料通过烘干机充分干燥，将三氧化二铬与氮化硼混合反应备用；将热塑性树脂、与混合后的氮化硼混合，并通过加热器加温，加热时间为1‑1.5小时，温度为250℃‑280℃；将混合后的热塑性树脂与无机填料、偶联剂、抗氧剂、润滑剂、及阻燃剂在搅拌机内高速混合，然后将混合得到的物料加入双螺杆挤出机料斗，并将碳纤维通过挤出机加纤口加入，挤出造粒，即得到碳纤维增强热塑性树脂复合材料。

Description

一种碳纤维增强热塑性复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车材料技术领域，特别涉及一种碳纤维增强热塑性复合材料及其制备方法。
背景技术
在过去的半个世纪中，航空航天、新能源汽车等高技术领域应用的先进结构材料一直被髙性能热固性复合材料所占据。由于热固性复合材料在应用过程中存在着耐热性差、抗冲击性和抗损伤能力低、制造成本髙等不足之处，在一定程度上限制了其应用范围，而随着碳纤维复合材料的发展，碳纤维复合材料与热固性复合材料相比，具有许多优点，例如：断裂韧性高、断裂伸长率大；成型过程中无化学反应，因此成型速度快，成型周期短；预浸料可以无限期存放，且对存放无特殊要求等，因此碳纤维热塑性复合材料逐渐取代了传统的热固性复合材料；特别新能源汽车的大力发展，碳纤维热塑性复合材料被广泛用于新能源汽车领域，但现有的碳纤维热塑性复合材料导热系数较差，用这些材料制备的外壳、发动机外罩等产品时，容易因散热性能较差而损毁设备，而且许多厂家对碳纤维热塑性复合材料的阻燃等级明确要求必须达到UL94V-0级，因此，目前的碳纤维热塑性复合材料在导热及阻燃性方向还有待进一步的改进。
发明内容
为了克服背景技术的不足，本发明的目的在于提供了一种具有高导热系数且阻燃性效果好的环保型碳纤维增强热塑性复合材料。
本发明所采用的技术方案是：一种碳纤维增强热塑性复合材料，原料包括以下组分及重量份含量：热塑性树脂45-60，碳纤维30-50，无机填料4.5-10，偶联剂0.5-2，抗氧剂0.5-1.5，润滑剂0.5-2、阻燃剂2-5、氮化硼1-3，其中，氮化硼内添加催化剂0.07-0.15。
所述的热塑性树脂为聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)或聚醚醚酮(PEEK)中的一种。
所述的碳纤维为拉伸模量大于700GPa，热导率大于200W/(mK)的沥青基碳纤维或平均长度为10μm～2mm的短切碳纤维。
所述的无机填料为自滑石粉、氧化镁、氧化铝、碳化硅、硅藻土或云母粉中的一种或几种。
所述的偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560)、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-570)、正钛酸四异丙酯、异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯(KR38S)或双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯中的一种或几种。
所述的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂或质量比1：1的受阻酚类抗氧剂1076和亚磷酸酯类抗氧剂168的复配物中的一种。
所述的润滑剂选自乙撑双脂肪酸酰胺、乙烯-丙烯酸共聚物或硅酮粉中的一种或几种。
所述的阻燃剂为无卤阻燃剂，具体为复合三聚氰胺氰尿酸盐。
所述的催化剂为三氧化二铬。
上述碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，采用以下步骤：
1)将原料热塑性树脂、碳纤维和无机填料通过烘干机充分干燥，烘干时间为4-5小时，使干燥后的物料含水量小于0.02wt％。
2)将三氧化二铬与氮化硼混合反应备用；
3)将热塑性树脂、与混合后的氮化硼混合，并通过加热器加温，加热时间为1-1.5小时，温度为250℃-280℃；
4)将步骤3中混合后的热塑性树脂与无机填料、偶联剂、抗氧剂、润滑剂、及阻燃剂在搅拌机内高速混合，然后将混合得到的物料加入双螺杆挤出机料斗，并将碳纤维通过挤出机加纤口加入，挤出造粒，即得到碳纤维增强热塑性树脂复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、用氮化硼代替了传统的三氧化二铝，与热塑性树脂结合，并与其他助剂的混合，提高了热塑性复合材料的导热性，使导热系数在原有的基础上提高30％，其中氮化硼内加入催化剂，能降低氮化硼的使用量，并使氮化硼与热塑性树脂的混合反应更彻底，能使氮化硼固定，分子不会稀疏；2、本发明中，热塑性树脂中添加阻燃剂，该阻燃剂为复合三聚氰胺氰尿酸盐，为无卤环保阻燃剂，无卤无毒，对设备及模具无腐蚀，燃烧时烟密度极小，符合绿色环保要求，加工性能优越，在加工过程中，阻燃剂粒子会发生软化及取向，有利于阻燃剂在热塑性树脂中的分散和阻燃材料力学性能的提高，电性能优越、阻燃效果更为优越，同时密度低。
具体实施方式
本发明提供一种碳纤维增强热塑性复合材料，原料包括以下组分及重量份含量：热塑性树脂45-60，碳纤维30-50，无机填料4.5-10，偶联剂0.5-2，抗氧剂0.5-1.5，润滑剂0.5-2、阻燃剂2-5、氮化硼1-3，其中，氮化硼内添加催化剂0.07-0.15；其中热塑性树脂为聚苯硫醚(PPS)，所述的碳纤维为拉伸模量大于700GPa，热导率大于200W/(mK)的沥青基碳纤维或平均长度为10μm～2mm的短切碳纤维，所述的无机填料为氧化铝；所述的偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)、所述的抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂168；所述的润滑剂选自乙撑双脂肪酸酰胺；所述的阻燃剂为无卤阻燃剂，具体为复合三聚氰胺氰尿酸盐；所述的催化剂为三氧化二铬。
上述碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，采用以下步骤：
1)将原料热塑性树脂、碳纤维和无机填料通过烘干机充分干燥，烘干时间为4-5小时，使干燥后的物料含水量小于0.02wt％。
2)将三氧化二铬与氮化硼混合反应备用；
3)将热塑性树脂、与混合后的氮化硼混合，并通过加热器加温，加热时间为1-1.5小时，温度为250℃-280℃；
4)将步骤3中混合后的热塑性树脂与无机填料、偶联剂、抗氧剂、润滑剂、及阻燃剂在搅拌机内高速混合，然后将混合得到的物料加入双螺杆挤出机料斗，并将碳纤维通过挤出机加纤口加入，挤出造粒，即得到碳纤维增强热塑性树脂复合材料。
实施例一：将热塑性树脂56.93、碳纤维30和无机填料8通过烘干机充分干燥，烘干时间为4小时，使干燥后的物料含水量小于0.02wt％，将三氧化二铬0.07与氮化硼1混合反应备用；将热塑性树脂、与混合后的氮化硼混合，并通过加热器加温，加热时间为1小时，温度为250℃；将步骤3中混合后的热塑性树脂与无机填料8、偶联剂0.5、抗氧剂0.5、润滑剂0.5、及阻燃剂2.5在搅拌机内高速混合，反复搅拌3次，每次搅拌30分钟，然后将混合得到的物料加入双螺杆挤出机料斗，并将碳纤维30通过挤出机加纤口加入，挤出造粒，即得到碳纤维增强热塑性树脂复合材料，双螺杆挤出机自喂料口至挤出机模头的六区温度设定分别为180℃、220℃、230℃、240℃、250℃、240℃，主机转速为240～600转/分钟。
实施例二：将热塑性树脂52.7、碳纤维32和无机填料8.5通过烘干机充分干燥，烘干时间为4小时，使干燥后的物料含水量小于0.02wt％，将三氧化二铬0.1与氮化硼1混合反应备用；将热塑性树脂、与混合后的氮化硼混合，并通过加热器加温，加热时间为1-1.5小时，温度为260℃；将步骤3中混合后的热塑性树脂与无机填料8.5、偶联剂1.2、抗氧剂0.8、润滑剂1、及阻燃剂2.7在搅拌机内高速混合，反复搅拌3次，每次搅拌30分钟，然后将混合得到的物料加入双螺杆挤出机料斗，并将碳纤维32通过挤出机加纤口加入，挤出造粒，即得到碳纤维增强热塑性树脂复合材料，双螺杆挤出机自喂料口至挤出机模头的六区温度设定分别为180℃、220℃、230℃、240℃、250℃、240℃，主机转速为240～600转/分钟。
实施例三：将热塑性树脂50.2、碳纤维35和无机填料6.7通过烘干机充分干燥，烘干时间为4小时，使干燥后的物料含水量小于0.02wt％，将三氧化二铬0.1与氮化硼1.1混合反应备用；将热塑性树脂、与混合后的氮化硼混合，并通过加热器加温，加热时间为1小时，温度为280℃；将步骤3中混合后的热塑性树脂与无机填料6.7、偶联剂1.2、抗氧剂1、润滑剂1.2、及阻燃剂3.5在搅拌机内高速混合，反复搅拌3次，每次搅拌30分钟，然后将混合得到的物料加入双螺杆挤出机料斗，并将碳纤维35通过挤出机加纤口加入，挤出造粒，即得到碳纤维增强热塑性树脂复合材料，双螺杆挤出机自喂料口至挤出机模头的六区温度设定分别为180℃、220℃、230℃、240℃、250℃、240℃，主机转速为240～600转/分钟。
实施例四：将热塑性树脂50、碳纤维38和无机填料4.5通过烘干机充分干燥，烘干时间为4小时，使干燥后的物料含水量小于0.02wt％，将三氧化二铬0.12与氮化硼1.2混合反应备用；将热塑性树脂、与混合后的氮化硼混合，并通过加热器加温，加热时间为1小时，温度为280℃；将步骤3中混合后的热塑性树脂与无机填料4.5、偶联剂0.7、抗氧剂0.9、润滑剂1、及阻燃剂3.6在搅拌机内高速混合，反复搅拌3次，每次搅拌30分钟，然后将混合得到的物料加入双螺杆挤出机料斗，并将碳纤维38通过挤出机加纤口加入，挤出造粒，即得到碳纤维增强热塑性树脂复合材料，双螺杆挤出机自喂料口至挤出机模头的六区温度设定分别为180℃、220℃、230℃、240℃、250℃、240℃，主机转速为240～600转/分钟。
实施例五：将热塑性树脂45、碳纤维43和无机填料3.9通过烘干机充分干燥，烘干时间为4小时，使干燥后的物料含水量小于0.02wt％，将三氧化二铬0.11与氮化硼1.3混合反应备用；将热塑性树脂、与混合后的氮化硼混合，并通过加热器加温，加热时间为1小时，温度为280℃；将步骤3中混合后的热塑性树脂与无机填料3.9、偶联剂1.5、抗氧剂0.7、润滑剂1.5、及阻燃剂3在搅拌机内高速混合，反复搅拌3次，每次搅拌30分钟，然后将混合得到的物料加入双螺杆挤出机料斗，并将碳纤维80通过挤出机加纤口加入，挤出造粒，即得到碳纤维增强热塑性树脂复合材料，双螺杆挤出机自喂料口至挤出机模头的六区温度设定分别为180℃、220℃、230℃、240℃、250℃、240℃，主机转速为240～600转/分钟。
实施例1～5配方及材料性能见表1：

Claims (10)

1.一种碳纤维增强热塑性复合材料，其特征在于，原料包括以下组分及重量份含量：热塑性树脂45-60，碳纤维30-50，无机填料4.5-10，偶联剂0.5-2，抗氧剂0.5-1.5，润滑剂0.5-2、阻燃剂2-5、氮化硼1-3，其中，氮化硼内添加催化剂0.07-0.15。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强热塑性复合材料，其特征在于：所述的热塑性树脂为聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)或聚醚醚酮(PEEK)中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强热塑性复合材料，其特征在于：所述的碳纤维为拉伸模量大于700GPa，热导率大于200W/(mK)的沥青基碳纤维或平均长度为10μm～2mm的短切碳纤维。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强热塑性复合材料，其特征在于：所述的无机填料为自滑石粉、氧化镁、氧化铝、碳化硅、硅藻土或云母粉中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强热塑性复合材料，其特征在于：所述的偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560)、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-570)、正钛酸四异丙酯、异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯(KR38S)或双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强热塑性复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂或质量比1：1的受阻酚类抗氧剂1076和亚磷酸酯类抗氧剂168的复配物中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强热塑性复合材料，其特征在于：所述的润滑剂选自乙撑双脂肪酸酰胺、乙烯-丙烯酸共聚物或硅酮粉中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强热塑性复合材料，其特征在于：所述的阻燃剂为无卤阻燃剂，具体为复合三聚氰胺氰尿酸盐。
9.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强热塑性复合材料，其特征在于：所述的催化剂为三氧化二铬。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述的碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，其特征在于：采用以下步骤：
1)将原料热塑性树脂、碳纤维和无机填料通过烘干机充分干燥，烘干时间为4-5小时，使干燥后的物料含水量小于0.02wt％。
2)将三氧化二铬与氮化硼混合反应备用；
3)将热塑性树脂、与混合后的氮化硼混合，并通过加热器加温，加热时间为1-1.5小时，温度为250℃-280℃；
4)将步骤3中混合后的热塑性树脂与无机填料、偶联剂、抗氧剂、润滑剂、及阻燃剂在搅拌机内高速混合，然后将混合得到的物料加入双螺杆挤出机料斗，并将碳纤维通过挤出机加纤口加入，挤出造粒，即得到碳纤维增强热塑性树脂复合材料。
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