CN111073247A - 一种高力学性能、导电且低翘曲的碳纤维增强聚碳酸酯复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高力学性能、导电且低翘曲的碳纤维增强聚碳酸酯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高力学性能、导电且低翘曲的碳纤维增强聚碳酸酯复合材料及其制备方法；这种聚碳酸酯复合材料组分按重量份分别为：聚碳酸酯树脂40～80份、扁平碳纤维10～50份、马来酸酐接枝物0～10份、抗氧剂0.1～1份、超支化聚合物0.1～2份、加工助剂0.2～2份。与目前市场上常见的截面为圆形的碳纤维增强聚碳酸酯复合材料相比，本发明的扁平碳纤维增强聚碳酸酯复合材料在保持较高的力学性能和导电性能的同时，而且具有尺寸稳定、低翘曲的优良性能，提升了聚碳酸酯的应用附加值，可用于IC托盘等对平整度要求较高的领域。

Description

一种高力学性能、导电且低翘曲的碳纤维增强聚碳酸酯复合 材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维增强聚碳酸酯复合材料，具体涉及一种高力学性能、导电且低翘曲的碳纤维增强聚碳酸酯复合材料及其制备方法，这是一种工艺简单、适用于对力学性能、导电性及平整度有高要求的一种碳纤维增强聚碳酸酯复合材料。
背景技术
在高科技的推动下，工程塑料得到了迅速的发展，其中聚碳酸酯由于优良的机械性能、抗冲击性能、耐热性与耐寒性，越来越受到人们的欢迎，为了满足不同领域的需要，通常对其进行进一步改性，如专利CN105838052A,CN104312129A对通过碳纤维增强提高聚碳酸酯材料的力学性能进行了研究，通过改性的聚碳酸酯复合材料在电子电器、汽车、机械设备和精密仪器得到了广泛的应用。然而，近年来，在一些应用如IC塑料托盘领域对聚碳酸酯制件的力学性能、导电性、尺寸精度及平整度提出了越来越高的要求，一些制品选用截面为圆形的碳纤维填充聚碳酸酯制备复合材料，解决了聚碳酸酯制品的力学性能及导电性能，但是对于平整度要求较高的IC托盘制品，这种方法达不到相关要求，而一些发明者选用添加部分防翘曲剂(如玻璃微珠)能够改善复合材料的平整度问题，但是效果不是很明显，且会影响复合材料及制品的力学性能。
因此，为了改善碳纤维增强聚碳酸酯制品平整度要求，有必要进一步加强研究工作，开发出一种尺寸稳定性及平整度优异的碳纤维增强聚碳酸酯复合材料。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高力学性能、导电且低翘曲的碳纤维增强聚碳酸酯复合材料及其制备方法
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种高力学性能、导电且低翘曲的碳纤维增强聚碳酸酯复合材料，由以下重量百分比计的原料组成：
聚碳酸酯树脂：40～80％；
扁平碳纤维：10～50％；
马来酸酐接枝物：0～10％；
超支化聚合物：0.1～1％；
润滑剂：0.2-1％
抗氧剂：0.2～1％.
所述的聚碳酸酯树脂可以是熔融指数10.0到30.0g/10min之间的一种或者几种的组合物。
所述的扁平碳纤维长度为6mm，横截面长径比为(3～4)：1，并且经过硅烷偶联剂处理。扁平碳纤维的制备方法：制备聚丙烯腈纺丝原液，经脱单、脱泡后的聚丙烯腈纺丝原液经过滤、计量后，通过喷丝头挤出后形成纺丝细流，生产过程中使用的喷丝头是矩形喷孔组合喷丝头,其喷丝帽喷孔形状为矩形，其长宽比为4:1，之后进入凝固浴凝固成型，进行牵伸、水洗、干燥致密化，得到高性能碳纤维用扁平聚丙烯腈原丝，扁平聚丙烯腈原丝通过氧化，低温碳化、高温碳化之后经过上浆硅烷化处理再收卷，得到扁平碳纤维，之后切成6mm的短扁平碳纤维。
所述的马来酸酐接枝为ABS-g-MAH。
所述的超支化聚合物为武汉超支化树脂科技有限公司提供，牌号为Hyper C100。
所述的润滑剂为硬脂酸酰胺、石蜡、聚乙烯蜡和硅酮母粒的一种或者几种组合。
所述的抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168按照1:2的比例复配而成。
上述高力学性能、导电且低翘曲的碳纤维聚碳酸酯复合材料及其制备方法如下：
1)按照重量配比称取原料；
2)将除碳纤维以外的原料投入到高速混合器中干混3～5min；
3)将步骤2)得到的物质经主喂料器送入双螺杆挤出机中，并在双螺杆挤出机的侧喂料口中加入碳纤维；
4)将步骤3)得到的物质经过挤出、冷却、切粒、干燥处理，其中，双螺杆挤出机转速为300～400r.p.m；双螺杆挤出机各段温度在220～260℃之间。
本发明的优点是：
1、本发明使用截面为扁平的碳纤维用于改性复合材料，与使用截面为圆形的碳纤维改性聚碳酸酯复合材料相比，制品具有尺寸稳定性更好、翘曲度更低、平整度更优异的优点。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明的技术特点。
本发明实施例中，聚碳酸酯为韩国LG公司提供，型号为PC-201-22，熔融指数为22g/10min；扁平碳纤维其长度为6mm，其拉伸强度为4.0GPa，拉伸模量230GPa，堆积密度为350g/l,由东华大学高性能实验室提供；碳纤维形状为圆形的短切碳纤维(简称圆形碳纤维)为韩国TYM公司提供的长度为6mm短切圆棒状碳纤维，其拉伸强度为4.0GPa，拉伸模量为230GPa，密度为1.78g/cm3；，堆积密度为350g/l。马来酸酐接枝物为马来酸酐接枝为ABS-g-MAH；润滑剂为德国瓦克提供的硅酮母粒；抗氧剂为1010和抗氧剂168按照重量比1：2配比复配；超支化聚合物为武汉超支化树脂科技有限公司提供，牌号为Hyper C100。
实施例1：
(1)按重量配比称取原料聚碳酸酯85.9％，ABS-g-MAH 3％,抗氧剂0.3％，润滑剂0.3％，超支化聚合物0.5％。
(2)将上述原料放入高速混合机共混5分钟，然后由双螺杆挤出机主喂料口加入。
(3)将重量比为10％的扁平碳纤维由双螺杆侧喂料口加入。
(4)上述物料经双螺杆挤出机挤出造粒，温度口到机头的温度分别为230℃，230℃，245℃，255℃，255℃，260℃，260℃，260℃，其转速为380r.p.m，混合物在双螺杆挤出机内受到剪切、熔融等复合处理。
(5)将步骤(4)得到的物质经过挤出、冷却、切粒、干燥处理。
实施例2：
(1)按重量配比称取原料聚碳酸酯80.9％，ABS-g-MAH 3％,抗氧剂0.3％，润滑剂0.3％，超支化聚合物0.5％。
(2)将上述原料放入高速混合机共混5分钟，然后由双螺杆挤出机主喂料口加入。
(3)将重量比为15％的扁平碳纤维由双螺杆侧喂料口加入。
(4)上述物料经双螺杆挤出机挤出造粒，温度口到机头的温度分别为230℃，230℃，245℃，255℃，255℃，260℃，260℃，260℃，其转速为380r.p.m，混合物在双螺杆挤出机内受到剪切、熔融等复合处理。
(5)将步骤(4)得到的物质经过挤出、冷却、切粒、干燥处理。
实施例3：
(1)按重量配比称取原料聚碳酸酯75.9％，ABS-g-MAH 3％,抗氧剂0.3％，润滑剂0.3％，超支化聚合物0.5％。
(2)将上述原料放入高速混合机共混5分钟，然后由双螺杆挤出机主喂料口加入。
(3)将重量比为20％的扁平碳纤维由双螺杆侧喂料口加入。
(4)上述物料经双螺杆挤出机挤出造粒，温度口到机头的温度分别为230℃，230℃，245℃，255℃，255℃，260℃，260℃，260℃，其转速为380r.p.m，混合物在双螺杆挤出机内受到剪切、熔融等复合处理。
(5)将步骤(4)得到的物质经过挤出、冷却、切粒、干燥处理。
实施例4：
(1)按重量配比称取原料聚碳酸酯70.9％，ABS-g-MAH 3％,抗氧剂0.3％，润滑剂0.3％，超支化聚合物0.5％。
(2)将上述原料放入高速混合机共混5分钟，然后由双螺杆挤出机主喂料口加入。
(3)将重量比为25％的扁平碳纤维由双螺杆侧喂料口加入。
(4)上述物料经双螺杆挤出机挤出造粒，温度口到机头的温度分别为230℃，230℃，245℃，255℃，255℃，260℃，260℃，260℃，其转速为380r.p.m，混合物在双螺杆挤出机内受到剪切、熔融等复合处理。
(5)将步骤(4)得到的物质经过挤出、冷却、切粒、干燥处理。
实施例5：
(1)按重量配比称取原料聚碳酸酯65.9％，ABS-g-MAH 3％,抗氧剂0.3％，润滑剂0.3％，超支化聚合物0.5％。
(2)将上述原料放入高速混合机共混5分钟，然后由双螺杆挤出机主喂料口加入。
(3)将重量比为30％的扁平碳纤维由双螺杆侧喂料口加入。
(4)上述物料经双螺杆挤出机挤出造粒，温度口到机头的温度分别为230℃，230℃，245℃，255℃，255℃，260℃，260℃，260℃，其转速为380r.p.m，混合物在双螺杆挤出机内受到剪切、熔融等复合处理。
(5)将步骤(4)得到的物质经过挤出、冷却、切粒、干燥处理。
对比例1：
(1)按重量配比称取原料聚碳酸酯85.9％，ABS-g-MAH 3％,抗氧剂0.3％，润滑剂0.3％，超支化聚合物0.5％。
(2)将上述原料放入高速混合机共混5分钟，然后由双螺杆挤出机主喂料口加入。
(3)将重量比为10％的圆形碳纤维由双螺杆侧喂料口加入。
(4)上述物料经双螺杆挤出机挤出造粒，温度口到机头的温度分别为230℃，230℃，245℃，255℃，255℃，260℃，260℃，260℃，其转速为380r.p.m，混合物在双螺杆挤出机内受到剪切、熔融等复合处理。
(5)将步骤(4)得到的物质经过挤出、冷却、切粒、干燥处理。
对比例2：
(1)按重量配比称取原料聚碳酸酯80.9％，ABS-g-MAH 3％,抗氧剂0.3％，润滑剂0.3％，超支化聚合物0.5％。
(2)将上述原料放入高速混合机共混5分钟，然后由双螺杆挤出机主喂料口加入。
(3)将重量比为15％的圆形碳纤维由双螺杆侧喂料口加入。
(4)上述物料经双螺杆挤出机挤出造粒，温度口到机头的温度分别为230℃，230℃，245℃，255℃，255℃，260℃，260℃，260℃，其转速为380r.p.m，混合物在双螺杆挤出机内受到剪切、熔融等复合处理。
(5)将步骤(4)得到的物质经过挤出、冷却、切粒、干燥处理。
对比例3：
(1)按重量配比称取原料聚碳酸酯75.9％，ABS-g-MAH 3％,抗氧剂0.3％，润滑剂0.3％，超支化聚合物0.5％。
(2)将上述原料放入高速混合机共混5分钟，然后由双螺杆挤出机主喂料口加入。
(3)将重量比为20％的圆形碳纤维由双螺杆侧喂料口加入。
(4)上述物料经双螺杆挤出机挤出造粒，温度口到机头的温度分别为230℃，230℃，245℃，255℃，255℃，260℃，260℃，260℃，其转速为380r.p.m，混合物在双螺杆挤出机内受到剪切、熔融等复合处理。
(5)将步骤(4)得到的物质经过挤出、冷却、切粒、干燥处理。
对比例4：
(1)按重量配比称取原料聚碳酸酯70.9％，ABS-g-MAH 3％,抗氧剂0.3％，润滑剂0.3％，超支化聚合物0.5％。
(2)将上述原料放入高速混合机共混5分钟，然后由双螺杆挤出机主喂料口加入。
(3)将重量比为25％的圆形碳纤维由双螺杆侧喂料口加入。
(4)上述物料经双螺杆挤出机挤出造粒，温度口到机头的温度分别为230℃，230℃，245℃，255℃，255℃，260℃，260℃，260℃，其转速为380r.p.m，混合物在双螺杆挤出机内受到剪切、熔融等复合处理。
(5)将步骤(4)得到的物质经过挤出、冷却、切粒、干燥处理。
对比例5：
(1)按重量配比称取原料聚碳酸酯65.9％，ABS-g-MAH 3％,抗氧剂0.3％，润滑剂0.3％，超支化聚合物0.5％。
(2)将上述原料放入高速混合机共混5分钟，然后由双螺杆挤出机主喂料口加入。
(3)将重量比为30％的圆形碳纤维由双螺杆侧喂料口加入。
(4)上述物料经双螺杆挤出机挤出造粒，温度口到机头的温度分别为230℃，230℃，245℃，255℃，255℃，260℃，260℃，260℃，其转速为380r.p.m，混合物在双螺杆挤出机内受到剪切、熔融等复合处理。
(5)将步骤(4)得到的物质经过挤出、冷却、切粒、干燥处理。
根据实施例和对比例制的样品，进行性能测试对比，拉伸性能测试按照ISO527-2进行，试样尺寸为150*10*4mm，拉伸速度为50mm/min；弯曲性能测试按照ISO 178进行，试样尺寸为80*10*4mm，弯曲速度为2mm/min；简支梁冲击强度按ISO 179，试样尺寸55*6*4；熔融流动指数按照ISO 1183测试采用ISO测试标准，表面电阻用quick 4990表面电阻仪测试，翘曲度通过塞尺测试评估，测试方法为先用模具打板，模具尺寸为150mm*100mm*2mm，通过测试板同一位置的翘曲度对比。测试性能如下表1所示。
表1为实施例1-3和对比例1-3的测试数据
Figure BDA0002314998050000071
Figure BDA0002314998050000081
从表中可以看出，用扁平碳纤维增强聚碳酸酯，其力学性能和导电性能和用圆形碳纤维增强聚碳酸酯基本一致，但是扁平碳纤维增强比圆形碳纤维增强聚碳酸酯复合材料的翘曲度明显更小，即扁平碳纤维增强的聚碳酸酯板的平整度明显好于圆形碳纤维增强聚碳酸酯。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，并不用以限制本发明。对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下所做的若干等同替代变型都应视为本发明的权力范围之内。

Claims (9)

1.一种高力学性能、导电且低翘曲的碳纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于：由以下重量百分比计的原料组成：
聚碳酸酯树脂：40～80％；
扁平碳纤维：10～50％；
马来酸酐接枝物：0～10％；
超支化聚合物：0.1～1％；
润滑剂：0.2-1％
抗氧剂：0.2～1％。
2.根据权利要求1所述的一种高力学性能、导电且低翘曲的碳纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于：所述的聚碳酸酯树脂为熔融指数10.0-30.0g/10min之间的一种或者几种的组合物。
3.根据权利要求1所述的一种高力学性能、导电且低翘曲的碳纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于：所述的扁平碳纤维长度为6mm，横截面长径比为(3～4)：1，并且经过硅烷偶联剂处理。
4.根据权利要求3所述的一种高力学性能、导电且低翘曲的碳纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于：扁平碳纤维的制备方法：制备聚丙烯腈纺丝原液，经脱单、脱泡后的聚丙烯腈纺丝原液经过滤、计量后，通过喷丝头挤出后形成纺丝细流，生产过程中使用的喷丝头是矩形喷孔组合喷丝头,其喷丝帽喷孔形状为矩形，其长宽比为4:1，之后进入凝固浴凝固成型，进行牵伸、水洗、干燥致密化，得到高性能碳纤维用扁平聚丙烯腈原丝，扁平聚丙烯腈原丝通过氧化，低温碳化、高温碳化之后经过上浆硅烷化处理再收卷，得到扁平碳纤维，之后切成6mm的短扁平碳纤维。
5.根据权利要求1所述的一种高力学性能、导电且低翘曲的碳纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于：所述的马来酸酐接枝为ABS-g-MAH。
6.根据权利要求1所述的一种高力学性能、导电且低翘曲的碳纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于：所述的超支化聚合物为武汉超支化树脂科技有限公司提供，牌号为Hyper C100。
7.根据权利要求1所述的一种高力学性能、导电且低翘曲的碳纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于：所述的润滑剂为硬脂酸酰胺、石蜡、聚乙烯蜡和硅酮母粒的一种或者几种组合。
8.根据权利要求1所述的一种高力学性能、导电且低翘曲的碳纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168按照1:2的比例复配而成。
9.根据权利要求1-8任意之一所述高力学性能、导电且低翘曲的碳纤维聚碳酸酯复合材料的制备方法，其步骤如下：
1)按照重量配比称取原料；
2)将除碳纤维以外的原料投入到高速混合器中干混3～5min；
3)将步骤2)得到的物质经主喂料器送入双螺杆挤出机中，并在双螺杆挤出机的侧喂料口中加入碳纤维；
4)将步骤3)得到的物质经过挤出、冷却、切粒、干燥处理，其中，双螺杆挤出机转速为300～400r.p.m；双螺杆挤出机各段温度在220～260℃之间。
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