CN111098561A - 一种碳纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种碳纤维复合材料，由短切碳纤维和有机材料混合后热压成型，热压成型的热压温度等于或大于有机材料的熔点，所述短切碳纤维和有机材料的重量比为70~90:10~30。该碳纤维复合材料在具有碳纤维复合材料的低密度、阻燃防火、高隔热隔音的性能的同时，还具有良好的抗压性和高回复性。本发明还提供了这种碳纤维复合材料的制备方法，该方法制备得到的复合材料的结构稳固均一。

Description

一种碳纤维复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料生产的技术领域，尤其是涉及一种碳纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
随着交通工具技术的日新月异的发展和目前我国对于环保节能的需求，人们对飞机、轨道机车、汽车和游轮的轻量化和舒适性提出了更高的要求，而且也越来越重视交通工具的NVH（噪声、振动与声振粗糙度）问题。
有统计资料显示，约有汽车整车1/3的故障问题与车辆的NVH问题有关，如果NVH问题处理不好，将直接影响乘客的体验。因此各大汽车公司有近20%的研发费用用于解决车辆的NVH问题。
目前，提高交通工具NVH性能的常规做法是在车厢内部隔层骨架中铺设矿物棉，用于吸声、减震和隔热。但是，由于矿物棉的成分中含有石棉，石棉纤维容易吸入人体内并沉积在肺部，造成肺部疾病。同时，矿物棉的抗水性不好，长期使用后会吸附水蒸气，这大大降低了矿物棉材料的吸声、减震降噪和隔热保温的性能。
中国专利申请CN201810067434.1，公开了一种碳纤维吸音防寒保温棉的制备方法，其先将聚丙烯腈纤维的表面经防水涂料表面处理，制备得到氧指数45%的碳纤维，以质量百分比计碳纤维为90%，低熔点聚酯纤维为10%，将碳纤维和低熔点聚酯纤维，经过梳理后进行热处理，热处理温度为50℃，通过非织造方式结合为一体，制备得到密度为13kg/m3的碳纤维复合材料层。由于其为低密度材料，其为蓬松的材料，类似于玻璃棉（密度为10-48Kg/m3），其保温、隔音效果自然好，但是不容忽视的问题是：具备这种低密度蓬松结构的材料在受外力长期挤压情况下容易发生永久变形，导致产品尺寸和厚度发生明显改变，如产品尺寸和厚度均变小，从而影响其安装使用，并对其隔热、隔音效果也有一定的负面影响。
因此，如何研制出一种环保无石棉，同时具有优异隔音、减震降噪和保温防寒的新型材料，使其在长期挤压状态下具有良好的回复性，是本领域的技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种碳纤维复合材料，其由短切碳纤维和有机材料混合后热压成型，在具有碳纤维复合材料的低密度、阻燃防火、高隔热隔音的性能的同时，还具有良好的抗压性和高回复性。本发明还提供了这种碳纤维复合材料的制备方法，该方法制备得到的复合材料的结构稳固均一。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种碳纤维复合材料，其特征在于，所述碳纤维复合材料由短切碳纤维和有机材料混合后热压成型，所述短切碳纤维和有机材料的重量比为70~90：10~30。
该碳纤维复合材料，在保留碳纤维复合材料的低密度、阻燃防火、高隔热隔音优良性能的同时，由于加入有机材料，且优化重量比，二者协同可以解决其在外力的长期作用下发生明显永久变形的问题，提高碳纤维复合材料在长期挤压状态下的可回复性。
作为本发明技术方案的进一步描述，所述的碳纤维复合材料的密度为1~20kg/m3。
作为本发明技术方案的进一步描述，，所述的有机材料为有机纤维。
作为本发明技术方案的进一步描述，，所述的有机材料其熔点为80-110℃。
在上述的碳纤维复合材料中，有机材料优选为低熔点尼龙LMPA，其熔点在120-135℃；有机材料（有机纤维）也可以为聚酰胺树脂材质，但并不以为限制，采用聚酯树脂材质也是可行的。
需要说明的是，本发明采用低熔点的有机材料的出发点在于，通过低熔点的有机材料与碳纤维混合，其制备得到的碳纤维复合材料密度高，而且预热温度、热压温度可不必过高。
复合材料采用高熔点的有机纤维也是可行的，比如通用的尼龙6系列的聚酰胺纤维，其熔点高达200℃以上，如果要采用高熔点的有机材料，对于预热温度、热压温度都要进行相应的调整。即本发明并不将高熔点的有机材料排斥在本发明的保护范围外。
本发明还提供了上述碳纤维复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
S1：将碳纤维和有机材料混合，得到混合物；
S2：将混合物进行预热；
S3：将预热后的混合物热压成型，所述热压成型的热压温度等于或大于有机材料的熔点。
作为本发明技术方案的进一步描述，所述步骤S1具体为：
S11：按比例将丝状的碳纤维和丝状的有机材料，经过切割机构切割形成预设长度的短切碳纤维和短切有机纤维；
S12：将所述的短切碳纤维和短切有机纤维形成混合纱，并逐层叠加形成层叠物。
作为本发明技术方案的进一步描述，所述的短切碳纤维的直径为5~8μm，密度为1.76~1.80g/cm3，长度为2~10cm。
短切有机纤维的直径和长度可以与短切碳纤维的规格一致，当然短切有机纤维也可以比短切碳纤维更细或更粗，优选更细，这样短切碳纤维与短切有机纤维可以混合更为均匀。
在步骤S11中，可以在切割机构的下方设置传送带，经过切割机构切割形成的短切碳纤维和短切有机纤维掉落在传送带上并逐层叠加形成层叠物，该层叠物具有一定的厚度。
作为本发明技术方案的进一步描述，所述S2中的预热温度低于有机材料的熔点20-30℃，预热时间为1-10min。
作为本发明技术方案的进一步描述，在所述S3中的热压成型中，热压温度高于有机材料的熔点20-30℃，热压时间为1-10min。
作为本发明技术方案的进一步描述，在所述S3中，热压成型采用模压机实施，所述混合物厚度以及模压板设定间距按照碳纤维复合材料的密度进行设定。
在该碳纤维复合材料的制备方法，本发明通过优化预热温度、预热时间、热压温度和热压时间，从而将碳纤维和有机材料混合形成的混合物，热压形成稳固、均一的固体。
基于上述的技术方案，本发明取得的技术效果为：
（1）与现有技术相比，本申请提供的碳纤维复合材料，在热压温度高于有机材料的熔点的条件下，对短切碳纤维和短切有机纤维进行热压，有效地将混合材料制备得到稳固和均一的固定，在具备碳纤维复合材料的低密度、阻燃防火、高隔热隔音优良性能的同时，短切碳纤维和短切有机纤维二者协同可以解决其在外力的长期作用下发生明显永久变形的问题，提高碳纤维复合材料在长期挤压状态下的可回复性。
（2）本发明提供的碳纤维复合材料制备方法，将碳纤维和有机纤维经过切割形成预设长度的短切碳纤维和短切有机纤维，梳理后短切层叠，可有效地在有机材料含量较少的情况下使碳纤维和有机纤维混合均匀，最后热压形成稳固的碳纤维复合材料产品结构。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合具体的实施例对本发明进行更全面的描述，实施例给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1
一种碳纤维复合材料，由261.25g的碳纤维和46.1g的有机纤维混合后热压成型制备而成，其中，碳纤维的直径为8μm，密度为1.8g/cm3；
有机纤维为LMPA聚酰胺材质，其熔点为100℃。
低熔点尼龙（LMPA）是一类熔点低于常规尼龙的改性产品，具有熔点可控、熔程窄和粘结性能优异等特点，其采用低熔点聚酰胺与普通成纤高聚物经过复合纺丝技术纺制而成。
上述碳纤维复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：将碳纤维和有机纤维混合，得到混合物；
同时S1又包括以下子步骤：
S11：按重量将丝状的碳纤维和丝状的有机纤维，经过切割机构切割形成预设长度的短切碳纤维和短切有机纤维；
S12：将短切碳纤维和短切有机纤维形成混合纱，并逐层叠加形成8cm的层叠物，总质量为307g；
S2：将混合物经切割机构下方的传送带先进入到预热烘道进行预热，预热温度为80℃；
S3：将预热后的混合物进行热压成型，采用模压机实施，模压成型的热压温度为130℃，模压间距设置为3cm，模压时间为5min。
成型后的碳纤维复合材料规格为为1000mm×1000mm×30mm，密度为10kg/m3。
实施例2
一种碳纤维复合材料，由1500g的碳纤维和500g的有机纤维（碳纤维与有机纤维的质量百分比为75%：25%）混合后热压成型制备而成，其中，碳纤维的直径为5μm，密度为1.76g/cm3；
有机纤维为LMPA聚酰胺材质，其熔点为100℃。
低熔点尼龙（LMPA）是一类熔点低于常规尼龙的改性产品，具有熔点可控、熔程窄和粘结性能优异等特点，其采用低熔点聚酰胺与普通成纤高聚物经过复合纺丝技术纺制而成。
上述碳纤维复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：将碳纤维和有机纤维混合，得到混合物；
同时S1又包括以下子步骤：
S11：按重量将丝状的碳纤维和丝状的有机纤维，经过切割机构切割形成预设长度的短切碳纤维和短切有机纤维；
S12：将短切碳纤维和短切有机纤维形成混合纱，并逐层叠加形成30cm的层叠物，其总质量为2000g；
S2：将混合物经切割机构下方的传送带先进入到预热烘道进行预热，预热温度为80℃；
S3：将预热后的混合物进行热压成型，采用模压机实施，模压成型的热压温度为130℃，模压间距设置为10cm，模压时间为10min。
成型后的碳纤维复合材料规格为为1000mm×1000mm×100mm，密度为20kg/m3。
实施例3
一种碳纤维复合材料，由700g的碳纤维和300g的有机纤维（碳纤维与有机纤维的质量百分比为70%：30%）混合后热压成型制备而成，其中，碳纤维的直径为7μm，密度为1.78g/cm3；
有机纤维为LMPA聚酰胺材质，其熔点为100℃。
低熔点尼龙（LMPA）是一类熔点低于常规尼龙的改性产品，具有熔点可控、熔程窄和粘结性能优异等特点，其采用低熔点聚酰胺与普通成纤高聚物经过复合纺丝技术纺制而成。
上述碳纤维复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：将碳纤维和有机纤维混合，得到混合物；
同时S1又包括以下子步骤：
S11：按重量将丝状的碳纤维和丝状的有机纤维，经过切割机构切割形成预设长度的短切碳纤维和短切有机纤维；
S12：将短切碳纤维和短切有机纤维形成混合纱，并逐层叠加形成8cm的层叠物，其总质量为1000g；
S2：将混合物经切割机构下方的传送带先进入到预热烘道进行预热，预热温度为80℃；
S3：将预热后的混合物进行热压成型，采用模压机实施，模压成型的热压温度为130℃，模压间距设置为6cm，模压时间为5min。
成型后的碳纤维复合材料规格为为1000mm×1000mm×60mm，密度为16.7kg/m3。
对比例1
参考专利申请CN108486767A公开的技术方案，先将聚丙烯腈纤维的表面经防水涂料表面处理，制备得到氧指数45%的碳纤维，以质量百分比计碳纤维为90%，低熔点聚酯纤维为10%，将碳纤维和低熔点聚酯纤维，经过梳理后进行热处理，热处理温度为50℃，通过非织造方式结合为一体，制备得到密度为13kg/m3的碳纤维复合材料层。
将实施例1、实施例2、实施例3与对比例1进行性能测试，测试项目和测试方法件表1。
表1 实施例1~3与对比例1的碳纤维复合材料的性能测试结果
Figure DEST_PATH_IMAGE002
从上述性能测试结果可以看出，实施例1~实施例3的碳纤维复合材料，其密度值与对比例相当，且阻燃防火、隔热和隔音性能优于或者相当于对比例的性能，但在抗压强度上，实施例1、实施例2和实施例3的测试结果值明显大于对比例1的。
本实施例1~3的碳纤维复合材料，在制备过程中，将混合均匀的短切碳纤维和有机纤维进行热压，热压温度高于有机纤维的熔点，能够有效地将复合材料制备成为稳固、均一的固体，在保留了碳纤维的各种优点的情况下，制备得到的碳纤维复合材料还具有非常高的可回复性和抗压缩强度，解决了目前碳纤维材料在外力的长期作用下发生明显永久变形的问题。
以上内容仅仅为本发明所作的举例和说明，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合材料，其特征在于，所述碳纤维复合材料由短切碳纤维和有机材料混合后热压成型，所述短切碳纤维和有机材料的重量比为70~90:10~30。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述的碳纤维复合材料的密度为1~20kg/m3。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述的有机材料为有机纤维。
4.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述的有机材料其熔点为80-110℃。
5.一种如权利要求1~4任一所述的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将碳纤维和有机材料混合，得到混合物；
S2：将混合物进行预热；
S3：将预热后的混合物热压成型，所述热压成型的热压温度等于或大于有机材料的熔点。
6.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
S11：按比例将丝状的碳纤维和丝状的有机材料，经过切割机构切割形成预设长度的短切碳纤维和短切有机纤维；
S12：将所述的短切碳纤维和短切有机纤维形成混合纱，并逐层叠加形成层叠物。
7.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述的短切碳纤维的直径为5~8μm，密度为1.76~1.80g/cm3，长度为2~10cm。
8.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述S2中的预热温度低于有机材料的熔点20-30℃，预热时间为1-10min。
9.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，在所述S3中的热压成型中，热压温度高于有机材料的熔点20-30℃，热压时间为1-10min。
10.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，在所述S3中，热压成型采用模压机实施，所述混合物厚度以及模压板设定间距按照碳纤维复合材料的密度进行设定。
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