CN102311616B - 一种碳纤维增强聚酯复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种碳纤维增强聚酯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维增强聚酯复合材料及其制备方法,该复合材料其组成按质量配比为(%):聚酯60-80%;润滑剂0.1-0.3%;抗氧剂0.1-0.3%;碳纤维20-40%。本发明主要通过液态聚丙烯腈对碳纤维进行表面处理提高碳纤维与极性聚酯树脂基体的粘接性,增强材料的力学性能。本发明的优点是:提高了碳纤维的表面极性,增强了碳纤维与树脂基体的粘结力,所得碳纤维增强聚酯材料的强度高、韧性好、生产工艺简单,可广泛应用于汽车、军工器械、航空用高性能结构材料。

Description

一种碳纤维增强聚酯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子技术领域,尤其涉及一种碳纤维增强聚酯复合材料及其制备方法。
背景技术
聚酯,由多元醇和多元酸缩聚而得的聚合物总称。主要指聚对苯二甲酸乙二酯(PET)和聚对苯二甲酸丁二酯 (PBT)等线型热塑性树脂。具有高熔点,高韧性,出色的耐热性能和耐电性能,是一类性能优异、用途广泛的工程塑料。
碳纤维具有高强度、低密度、高耐温、耐水、耐腐蚀等特点,是一种优异的高强度增强材料。用碳纤维增强的高分子树脂是十分重要的军工器械、航空用高性能结构材料。增强树脂大部分为极性树脂,如聚酯、聚酰胺、聚酰亚胺等。碳纤维表面极性很弱,与极性树脂的粘结力很小,因此一般需对其进行表面处理后才能用于增强复合材料。碳纤维增强改性的聚酯复合材料具有非常高的比强度,是一种优点的结构材料,在汽车、航空领域应用较多。
常用的碳纤维表面处理剂包括硅烷类偶联剂及丙烯酸、聚氨酯类成膜剂等成份。硅烷偶联剂在使用中易于自缩聚成硅氧烷低聚物,实际的利用率低,且与玻璃纤维表面有效化学键合的那部分还极易水解。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种碳纤维增强聚酯复合材料及其制备方法。
为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:一种碳纤维增强聚酯复合材料,其组成按质量配比为(%):
聚酯        60-80%
润滑剂      0.1-0.3%;
抗氧剂      0.1-0.3%;
碳纤维     20-40%。
其中,所述聚酯为聚对苯二甲酸丁二酯或聚对苯二甲酸乙二酯其中的一种或两种混合物。
其中,所述润滑剂为硬脂酸锌。
其中,所述抗氧剂为四[β-(3’,5’-二叔丁基-4’-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。
其中,所述碳纤维经液态聚丙烯腈表面处理。
其中,所述碳纤维制备方法包括:
步骤1:将聚丙烯腈与溶剂混合后搅拌均匀;
步骤2:将碳纤维浸润步骤1的溶剂;
步骤3:将经浸润处理的碳纤维于50-300摄氏度烘箱内预氧化0.01-100小时得到聚丙烯腈表面处理碳纤维。
一种如上所述碳纤维增强聚酯复合材料制备方法,包括步骤:
a:按质量百分比将树脂、润滑剂、抗氧剂在高速混合机中混合4分钟;
b:混合均匀的各组分置于双螺杆挤出机中,按质量比将碳纤维以侧喂料方式加入挤出机中挤出造粒,经熔融混合挤出造粒;
c:其加工温度为一区温度:210-220℃,二区温度:225-230℃,三区温度:235-250℃,四区温度:240-260℃,五区温度:230-250℃,六区温度:220-245℃,七区温度:240-250℃,主机转速:300-350rpm。
将按上述方法完成的粒子事先在100~130℃的鼓风烘箱中干燥4小时,然后再将干燥好的粒子材料在注射机上进行注射成型制样,注射成型模温控制在90℃,注塑成型温度控制在230-260℃。
本发明的有益效果是:本发明通过先采用液态聚丙烯腈低聚物浸润碳纤维,经浸润处理的碳纤维再经预氧化后,聚丙烯腈吸附在碳纤维表面形成大量活性腈基,这些腈基与极性树脂具有非常好的键合力,改善了碳纤维与极性树脂的粘接性,提高了碳纤维的表面极性,增强了碳纤维与树脂基体的粘结力,所得碳纤维增强材料产品的强度高、韧性好、生产工艺简单,可广泛应用于碳纤维增强的汽车、军工器械、航空用高性能结构材料。
具体实施方式
本发明提供一种碳纤维增强聚酯复合材料及其制备方法,本发明先将碳纤维进行表面处理,具体包括:其中碳纤维表面处理剂,由以下组分按质量百分比制备而成:溶剂 0-99%;聚丙烯腈 1-100%。
所述的溶剂为极性溶剂,包括水、乙醇、甲醇、丙酮中的一种或几种。所述的碳纤维为聚丙烯腈基的碳纤维。所述的聚丙烯腈为液态聚丙烯腈低聚物,其分子量范围为:106-10000。
碳纤维表面处理方法,具体步骤包括:
步骤1:将聚丙烯腈与溶剂按质量百分比混合后搅拌均匀,形成碳纤维表面处理剂;
步骤2:将碳纤维浸润步骤1的碳纤维表面处理剂;
步骤3:将经浸润处理的碳纤维于50-300摄氏度烘箱内预氧化0.01-100小时得到表面处理碳纤维。
将上述得到的碳纤维与极性聚酯树脂制备碳纤维复合材料,举例如下:
实施例1
复合材料的制备方式如下:将聚对苯二甲酸乙二酯(PET)质量比为:69.6%;润滑剂(硬脂酸锌)质量比为:0.2%;抗氧剂(酚类抗氧剂四[β-(3’,5’-二叔丁基-4’-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)质量比为:0.2%。在高速混合机中混合4分钟;
混合均匀的各组分置于双螺杆挤出机中,经熔融混合挤出造粒,碳纤维30%以侧喂料方式加入挤出机中;
其加工温度为一区温度:210-220℃,二区温度:225-230℃,三区温度:235-250℃,四区温度:240-260℃,五区温度:230-250℃,六区温度:220-245℃,七区温度:240-250℃,主机转速:300-350rpm。
将按上述方法完成的粒子事先在100~130℃的鼓风烘箱中干燥4小时,然后再将干燥好的粒子材料在注射机上进行注射成型制样,注射成型模温控制在90℃,注塑成型温度控制在230-260℃。
实施例2
复合材料的制备方式如下:将聚对苯二甲酸乙二酯(PET)质量比为:59.6%;润滑剂(硬脂酸锌)质量比为:0.1%;抗氧剂(酚类抗氧剂四[β-(3’,5’-二叔丁基-4’-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)质量比为:0.3%。在高速混合机中混合4分钟;
混合均匀的各组分置于双螺杆挤出机中,经熔融混合挤出造粒,碳纤维40%以侧喂料方式加入挤出机中;
其加工温度为一区温度:210-220℃,二区温度:225-230℃,三区温度:235-250℃,四区温度:240-260℃,五区温度:230-250℃,六区温度:220-245℃,七区温度:240-250℃,主机转速:300-350rpm。
将按上述方法完成的粒子事先在100~130℃的鼓风烘箱中干燥4小时,然后再将干燥好的粒子材料在注射机上进行注射成型制样,注射成型模温控制在90℃,注塑成型温度控制在230-260℃。
实施例3
复合材料的制备方式如下:将聚对苯二甲酸乙二酯(PET)质量比为:79.6%;;润滑剂(硬脂酸锌)质量比为:0.2%;抗氧剂(酚类抗氧剂四[β-(3’,5’-二叔丁基-4’-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)质量比为:0.2%。在高速混合机中混合4分钟;
混合均匀的各组分置于双螺杆挤出机中,经熔融混合挤出造粒,碳纤维20%以侧喂料方式加入挤出机中;
其加工温度为一区温度:210-220℃,二区温度:225-230℃,三区温度:235-250℃,四区温度:240-260℃,五区温度:230-250℃,六区温度:220-245℃,七区温度:240-250℃,主机转速:300-350rpm。
将按上述方法完成的粒子事先在100~130℃的鼓风烘箱中干燥4小时,然后再将干燥好的粒子材料在注射机上进行注射成型制样,注射成型模温控制在90℃,注塑成型温度控制在230-260℃。
实施例4
复合材料的制备方式如下:将聚对苯二甲酸丁二酯 (PBT)质量比为:69.6%;;润滑剂(硬脂酸锌)质量比为:0.1%;抗氧剂(酚类抗氧剂四[β-(3’,5’-二叔丁基-4’-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)质量比为:0.3%。在高速混合机中混合4分钟;
混合均匀的各组分置于双螺杆挤出机中,经熔融混合挤出造粒,碳纤维30%以侧喂料方式加入挤出机中;
其加工温度为一区温度:230-240℃,二区温度:235-250℃,三区温度:245-270℃,四区温度:250-280℃,五区温度:240-270℃,六区温度:230-265℃,七区温度:250-270℃,主机转速:300-350rpm。
将按上述方法完成的粒子事先在100~130℃的鼓风烘箱中干燥4小时,然后再将干燥好的粒子材料在注射机上进行注射成型制样,注射成型模温控制在90℃,注塑成型温度控制在230-260℃。
实施例5
复合材料的制备方式如下:将聚对苯二甲酸乙二酯(PET)质量比为:34.8%;聚对苯二甲酸乙二酯(注塑级中粘树脂)质量比为:34.8%;润滑剂(硬脂酸锌)质量比为:0.2%;抗氧剂(酚类抗氧剂四[β-(3’,5’-二叔丁基-4’-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)质量比为:0.2%。在高速混合机中混合4分钟;
混合均匀的各组分置于双螺杆挤出机中,经熔融混合挤出造粒,碳纤维30%以侧喂料方式加入挤出机中;
其加工温度为一区温度:220-230℃,二区温度:235-240℃,三区温度:245-260℃,四区温度:250-270℃,五区温度:240-260℃,六区温度:230-255℃,七区温度:250-260℃,主机转速:300-350rpm。
将按上述方法完成的粒子事先在100~130℃的鼓风烘箱中干燥4小时,然后再将干燥好的粒子材料在注射机上进行注射成型制样,注射成型模温控制在90℃,注塑成型温度控制在230-260℃。
对比例1
复合材料的制备方式如下:将聚对苯二甲酸乙二酯(PET)质量比为:69.6%;润滑剂(硬脂酸锌)质量比为:0.2%;抗氧剂(酚类抗氧剂四[β-(3’,5’-二叔丁基-4’-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)质量比为:0.2%。在高速混合机中混合4分钟;
混合均匀的各组分置于双螺杆挤出机中,经熔融混合挤出造粒,未经表面处理的碳纤维30%以侧喂料方式加入挤出机中;
其加工温度为一区温度:210-220℃,二区温度:225-230℃,三区温度:235-250℃,四区温度:240-260℃,五区温度:230-250℃,六区温度:220-245℃,七区温度:240-250℃,主机转速:300-350rpm。
对比例2
复合材料的制备方式如下:将聚对苯二甲酸丁二酯 (PBT)质量比为:69.6%;;润滑剂(硬脂酸锌)质量比为:0.1%;抗氧剂(酚类抗氧剂四[β-(3’,5’-二叔丁基-4’-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)质量比为:0.3%。在高速混合机中混合4分钟;
混合均匀的各组分置于双螺杆挤出机中,经熔融混合挤出造粒,未经表面处理的碳纤维30%以侧喂料方式加入挤出机中;
其加工温度为一区温度:230-240℃,二区温度:235-250℃,三区温度:245-270℃,四区温度:250-280℃,五区温度:240-270℃,六区温度:230-265℃,七区温度:250-270℃,主机转速:300-350rpm。
将按上述方法完成的粒子事先在100~130℃的鼓风烘箱中干燥4小时,然后再将干燥好的粒子材料在注射机上进行注射成型制样,注射成型模温控制在90℃,注塑成型温度控制在230-260℃。
拉伸性能测试按ASTM D638标准进行,试样尺寸为150mm*12mm*3.5mm,拉伸速度为50mm/min;弯曲性能测试按ASTM D790进行,试样尺寸为80mm*12mm*3.5mm,拉伸速度为2mm/min,跨距为48mm,悬臂梁缺口冲击强度按ASTM D256进行,试样尺寸为55mm*12.6mm*3.5mm,缺口深度为试样厚度的三分之一。
材料的综合力学性能通过测试所得样条的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、冲击强度的数值进行评判。
实施例1-5及对比例1、2性能如表1所示
表1 实施例与对比例
Figure GDA0000202613241
从表1的实施例1—5性能比较来看,随着碳纤维含量的增加,复合材料的强度也不断增加;从实施例1与对比例1及实施例4与对比例2的性能比较可看出,经处理剂处理的碳纤维增强聚酯复合材料强度大幅度增加。
以上对本发明所提供的一种碳纤维增强聚酯复合材料及其制备方法进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种碳纤维增强聚酯复合材料,其特征在于:其组成按质量配比为(%):
聚酯        60-80%
润滑剂      0.1-0.3%;
抗氧剂      0.1-0.3%;
碳纤维     20-40%;
以上所有组之和为100%;
所述碳纤维采用表面处理剂处理,其中碳纤维表面处理剂,由以下组分按质量百分比制备而成:溶剂 0-99%;聚丙烯腈 1-100%,所述碳纤维采用表面处理剂处理方法包括:
步骤1:将聚丙烯腈与溶剂混合后搅拌均匀组成碳纤维表面处理剂;
步骤2:将碳纤维浸润步骤1的碳纤维表面处理剂;
步骤3:将经浸润处理的碳纤维于50-300摄氏度烘箱内预氧化0.01-100小时得到聚丙烯腈表面处理碳纤维;
所述的溶剂为极性溶剂,包括水、乙醇、甲醇、丙酮中的一种或几种的混合液;所述的碳纤维为聚丙烯腈基的碳纤维;所述的聚丙烯腈为液态聚丙烯腈低聚物,其分子量范围为:106-10000。
2.如权利要求1所述碳纤维增强聚酯复合材料,其特征在于,所述聚酯为聚对苯二甲酸丁二酯或聚对苯二甲酸乙二酯其中的一种或两种混合物。
3.如权利要求1所述碳纤维增强聚酯复合材料,其特征在于,所述润滑剂为硬脂酸锌。
4.如权利要求1所述碳纤维增强聚酯复合材料,其特征在于,所述抗氧剂为四[β-(3’,5’-二叔丁基-4’-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。
5.一种如权利要求1所述碳纤维增强聚酯复合材料制备方法,其特征在于,包括步骤:
a:按质量百分比将树脂、润滑剂、抗氧剂在高速混合机中混合4分钟;
b:混合均匀的各组分置于双螺杆挤出机中,按质量比将碳纤维以侧喂料方式加入挤出机中挤出造粒,经熔融混合挤出造粒;
c:其加工温度为一区温度:210-220℃,二区温度:225-230℃,三区温度:235-250℃,四区温度:240-260℃,五区温度:230-250℃,六区温度:220-245℃,七区温度:240-250℃,主机转速:300-350rpm。
6.如权利要求5所述碳纤维增强聚酯复合材料制备方法,其特征在于,还包括:将按上述方法完成的粒子事先在100~130℃的鼓风烘箱中干燥4小时,然后再将干燥好的粒子材料在注射机上进行注射成型制样,注射成型模温控制在90℃,注塑成型温度控制在230-260℃。
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Registration number: 2015990000679

PLDC Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model
PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right

Denomination of invention: Carbon fibre reinforced polyester composite material and preparation method thereof

Effective date of registration: 20170106

Granted publication date: 20130116

Pledgee: Bank of Shizuishan Limited by Share Ltd Yinchuan branch

Pledgor: Anhui science and Technology Co., Ltd.|Shenzhen branch poly new materials Co., Ltd.|Xu Dong

Registration number: 2016990001133

PLDC Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model
PC01 Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right

Date of cancellation: 20180904

Granted publication date: 20130116

Pledgee: Bank of Shizuishan Limited by Share Ltd Yinchuan branch

Pledgor: Polymer Science (Anhui) New Material Co., Ltd.|Shenzhen Keju New Material Co., Ltd.|Xu Dong

Registration number: 2016990001133

PC01 Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20130116

Termination date: 20171230

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