CN102477182A - 一种长碳纤维增强高导热高分子复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长碳纤维增强高导热高分子复合材料，由10-80重量份长碳纤维增强热塑性树脂母粒和20-90份导热母粒掺混而成。长碳纤维增强热塑性树脂母粒由30-80份第一热塑性树脂、20-70份连续长碳纤维、0.5-2份第一偶联剂、0.3-0.5份第一抗氧剂、0.5-1份第一加工助剂通过拉挤工艺制成；导热母粒由30-80份第二热塑性树脂、20-70份导热剂、0.5-2份第二偶联剂、0.3-0.5份第二抗氧剂、0.5-1份第二加工助剂通过传统挤出工艺制成。该复合材料具有优异的导热性能和力学性能，长碳纤维的引入可有效提高导热网络的连续性。

Description

一种长碳纤维增强高导热高分子复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种纤维增强复合材料，尤其涉及一种长碳纤维增强高导热高分子复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维是一种新型的高性能纤维增强材料，它具有高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电、导热和远红外辐射等诸多优异性能。它可以依复合材料形式减轻构件重量，从而提高构件的技术性能。现已广泛应用于航天航空、新型纺织机械、石油化工、医药器械、汽车、机械制造、建筑行业、文体用品、电信、电加热等高新技术领域。它的广泛应用将会极大的改变我们的生活方式和提高我们的生活质量。用碳纤维复合的工程材料优于金属材料，其抗拉强度高于钢材于3-倍、刚度高于2-倍、耐疲劳性高于2倍，比钢材轻3-4倍，热膨胀小4-5倍。它的出现使纤维复合材料具有更广阔的发展和应用前景。随着各种纤维材料增强技术逐渐变的与结构设计同样重要，碳纤维材料的发展过程先后引起了诸多发达国家和发展中国家的关注。

中国专利CN101831172 A公开了一种碳纤维增强尼龙66复合材料及其制备方法，该复合材料力学性能好，摩擦系数和磨损率低，当碳纤维含量为40%时，拉伸强度达到280MPa，洛氏硬度150，摩擦系数为0.21左右，但由于未对材料的导热性能进行改善，使其在需要进行热传递的领域的应用受到限制。

发明内容

本发明就是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种既有良好的力学性能，又有优异的导热性能的长碳纤维增强高导热高分子复合材料及其制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种长碳纤维增强高导热高分子复合材料，包括以下组分及重量份数：

长碳纤维增强热塑性树脂母粒     10-80，

导热母粒                       20-90。

所述长碳纤维增强热塑性树脂母粒由以下重量份数的原料组成：

第一热塑性树脂                 30-80，

连续长碳纤维                   20-70，

第一偶联剂                     0.5-2，

第一抗氧剂                     0.3-0.5，

第一加工助剂                   0.5-1。

所述导热母粒由以下重量份数的原料组成：

第二热塑性树脂                 30-80，

导热剂                         20-70，

第二偶联剂                     0.5-2，

第二抗氧剂                     0.3-0.5，

第二加工助剂                   0.5-1。

所述第一热塑性树脂选自聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、热塑性聚氨酯中的一种或几种。

所述连续长碳纤维为高导热连续长碳纤维。

所述第一偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或几种；所述第一抗氧剂包括主抗氧剂和辅助抗氧剂，所述主抗氧剂为受阻酚类抗氧剂，所述辅助抗氧剂为亚磷酸酯类辅助抗氧剂；所述第一加工助剂为脂肪酸、硬脂酸钙、硬脂酸锌、硅酮粉中的一种或几种。

所述第二热塑性树脂选自聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、热塑性聚氨酯中的一种或几种。

所述导热剂为纳米氮化铝。

所述第二偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或几种；所述第二抗氧剂包括主抗氧剂和辅助抗氧剂，所述主抗氧剂为受阻酚类抗氧剂，所述辅助抗氧剂为亚磷酸酯类辅助抗氧剂；所述第二加工助剂为脂肪酸、硬脂酸钙、硬脂酸锌、硅酮粉中的一种或几种。

第一热塑性树脂、第一偶联剂、第一抗氧剂、第一加工助剂与第二热塑性树脂、第二偶联剂、第二抗氧剂、第二加工助剂相同或相异均可。

一种长碳纤维增强高导热高分子复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将第一热塑性树脂、连续长碳纤维、第一偶联剂、第一抗氧剂和第一加工助剂，采用拉挤方法制成长碳纤维增强热塑性树脂母粒，长碳纤维沿母粒颗粒长度方向彼此平行排列，且长度与母粒颗粒相同；

（2）预先将导热剂、第二偶联剂加入到高速混合机中混合均匀，然后加入第二热塑性树脂、第二抗氧剂、第二加工助剂，混合均匀，通过双螺杆挤出机挤出、造粒，制成导热母粒；

（3）将长碳纤维增强热塑性树脂母粒和导热母粒掺混制成长碳纤维增强高导热高分子复合材料。

步骤（1）所述“拉挤工艺”为：一束连续长碳纤维通过连续长纤维入口通道被引入到浸渍模的独立流道中；该束连续长碳纤维交替绕过成组的张力辊后沿折线前进，此时，因沿纵向开有圆弧形凹槽的张力辊旋转引起由狭缝式流道流入到独立流道中的热塑性树脂熔体形成足够的紊流而有效地浸渍被张力辊均匀分散开来的连续长碳纤维；浸渍后的连续长碳纤维通过出口的中心而成预定形状的长碳纤维增强热塑性树脂；最后，将长碳纤维增强热塑性树脂经冷却、牵引、切粒成长度为6-18mm的长碳纤维增强热塑性树脂颗粒。这种树脂颗粒中，连续长碳纤维彼此平行排列，其长度与颗粒长度相同。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种长碳纤维增强高导热高分子复合材料，该复合材料是将10-80份（重量份，下同）长碳纤维增强热塑性树脂母粒和20-90份导热母粒掺混而成。其中长碳纤维增强热塑性树脂母粒由30-80份第一热塑性树脂、20-70份连续长碳纤维、0.5-2份第一偶联剂、0.3-0.5份第一抗氧剂、0.5-1份第一加工助剂通过拉挤工艺制成；导热母粒由30-80份第二热塑性树脂、20-70份导热剂、0.5-2份第二偶联剂、0.3-0.5份第二抗氧剂、0.5-1份第二加工助剂通过传统挤出工艺制成。

（1）相对于普通碳纤增强树脂，采用拉挤方法制备长碳纤维增强热塑性树脂母粒中碳纤长径比大，排列一致，对材料的增强作用更好；同时，长碳纤维的引入，可有效提高导热网络的连续性；

（2）本发明制备的长碳纤维增强高导热高分子复合材料具有优异导热性能的同时具有优良的力学性能；

（3）采用拉挤方法生产长碳纤维增强热塑性树脂母粒的配方简单，另外，采用拉挤方法工艺控制容易，可以实现高速连续生产。

具体实施方式

下面结合各实施例详细描述本发明。

实施例1

采用拉挤工艺将60份（重量份，下同）PA66树脂、40份连续长碳纤维、0.5份硅烷偶联剂、0.3份抗氧剂、1份硬脂酸钙制成长碳纤维增强PA66树脂母粒；将40份PA66树脂、60份纳米氮化铝、0.5份硅烷偶联剂、0.3份抗氧剂、1份硬脂酸钙混合，采用传统挤出工艺制成PA66导热母粒；然后将50份长碳纤维增强PA66树脂母粒与50份PA66导热母粒（重量份数比例1：1）掺混，并注塑成标准样条，测试其力学性能和导热性能。在最终长碳纤维增强导热PA66母粒中，含有50份PA66树脂、20份长碳纤维、30份纳米氮化铝、0.5份硅烷偶联剂、0.3份抗氧剂、1份硬脂酸钙。

实施例2

采用拉挤工艺将50份PA66树脂、50份连续长碳纤维、0.5份硅烷偶联剂、0.3份抗氧剂、1份硬脂酸钙制成长碳纤维增强PA66树脂母粒；将40份PA66树脂、60份纳米氮化铝、0.5份硅烷偶联剂、0.3份抗氧剂、1份硬脂酸钙混合，采用传统挤出工艺制成PA66导热母粒；然后将50份长碳纤维增强PA66树脂母粒与50份PA66导热母粒（重量份数比例1：1）掺混，并注塑成标准样条，测试其力学性能和导热性能。在最终长碳纤维增强导热PA66母粒中，含有45份PA66树脂、25份长碳纤维、30份纳米氮化铝、0.5份硅烷偶联剂、0.3份抗氧剂、1份硬脂酸钙。

实施例3

采用拉挤工艺将50份PA66树脂、50份连续长碳纤维、0.5份硅烷偶联剂、0.3份抗氧剂、1份硬脂酸钙制成长碳纤维增强PA66树脂母粒；将40份PA66树脂、60份纳米氮化铝、0.5份硅烷偶联剂、0.3份抗氧剂、1份硬脂酸钙混合，采用传统挤出工艺制成PA66导热母粒；然后将33.33份长碳纤维增强PA66树脂母粒与66.67份PA66导热母粒（重量份数比例1：2）掺混，并注塑成标准样条，测试其力学性能和导热性能。在最终长碳纤维增强导热PA66母粒中，含有43.3份PA66树脂、16.7份长碳纤维、40份纳米氮化铝、0.5份硅烷偶联剂、0.3份抗氧剂、1份硬脂酸钙。

对比例1

将50份PA66树脂、20份连续长碳纤维、30份纳米氮化铝、0.5份硅烷偶联剂、0.3份抗氧剂、1份硬脂酸钙采用传统挤出工艺方法制备碳纤增强导热PA66树脂，并注塑成标准样条测试其力学性能和导热性能。其中，连续长碳纤维通过挤出机连续纤维入口加入。

对比例2

将43.3份PA66树脂、16.7份连续长碳纤维、40份纳米氮化铝、0.5份硅烷偶联剂、0.3份抗氧剂、1份硬脂酸钙采用传统挤出工艺方法制备碳纤增强导热PA66树脂，并注塑成标准样条测试其力学性能和导热性能。其中，连续长碳纤维通过挤出机连续纤维入口加入。

性能测试：

拉伸强度按ISO 527标准进行检验；弯曲强度和弯曲模量按ISO 178标准进行检验；Charpy缺口冲击强度按ISO 179标准进行检验；导热系数按ASTM E1461标准进行检验。实施例1-3和对比例1-2的性能测试结果见表1。

表1

性能指标	实施例1	实施例2	实施例3	对比例1	对比例2
						拉伸强度(MPa)	207	224	193	175	149
弯曲强度(MPa)	315	326	298	267	231
						弯曲模量(MPa)	15700	17100	13900	12300	11500
Charpy缺口冲击强度(KJ/m2)	10.3	11.5	9.5	7.4	6.7
						导热系数(W/(m·K) )	7.6	7.5	7.8	5.1	4.5

实施例4

采用拉挤工艺将30份聚丙烯、70份高导热连续长碳纤维、0.5份钛酸酯偶联剂、0.3份抗氧剂和0.5份脂肪酸制成长碳纤维增强聚丙烯树脂母粒；将30份聚丙烯、70份纳米氮化铝、0.5份钛酸酯偶联剂、0.3份抗氧剂和0.5份脂肪酸采用传统工艺制成聚丙烯导热母粒；将10份长碳纤维增强聚丙烯树脂母粒和90份聚丙烯导热母粒掺混，并注塑成标准样条，测试其力学性能和导热性能。

实施例5

采用拉挤工艺将80份ABS、20份高导热连续长碳纤维、2份钛酸酯偶联剂、0.5份抗氧剂和1份硬脂酸锌制成长碳纤维增强ABS树脂母粒；将80份聚碳酸酯、20份纳米氮化铝、2份硅烷偶联剂、0.5份抗氧剂和1份硅酮粉采用传统工艺制成聚碳酸酯导热母粒；将80份长碳纤维增强ABS树脂母粒和20份聚碳酸酯导热母粒掺混，并注塑成标准样条，测试其力学性能和导热性能。

实施例6

采用拉挤工艺将55份聚对苯二甲酸乙二醇酯、45份高导热连续长碳纤维、1份铝酸酯偶联剂、0.4份抗氧剂和0.8份硅酮粉制成长碳纤维增强聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂母粒；将55份聚对苯二甲酸丁二醇酯、45份纳米氮化铝、1份钛酸酯偶联剂、0.4份抗氧剂和0.8份硬脂酸钙采用传统工艺制成聚对苯二甲酸丁二醇酯导热母粒；将45份长碳纤维增强聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂母粒和55份聚对苯二甲酸丁二醇酯导热母粒掺混，并注塑成标准样条，测试其力学性能和导热性能。

实施例4-6的性能测试结果见表2。 

表2

性能指标	实施例4	实施例5	实施例6
				拉伸强度(MPa)	46	90	129
弯曲强度(MPa)	63	123	154
				弯曲模量(MPa)	6000	10700	11200
Charpy缺口冲击强度(KJ/m2)	7.0	14.2	10.3
				导热系数(W/(m·K) )	7.3	2.5	4.8

以上公开的仅为本申请的几个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种长碳纤维增强高导热高分子复合材料，其特征在于，包括以下组分及重量份数：

长碳纤维增强热塑性树脂母粒     10-80，

导热母粒                       20-90。

2.如权利要求1所述的一种长碳纤维增强高导热高分子复合材料，其特征在于，所述长碳纤维增强热塑性树脂母粒由以下重量份数的原料组成：

第一热塑性树脂                 30-80，

连续长碳纤维                   20-70，

第一偶联剂                     0.5-2，

第一抗氧剂                     0.3-0.5，

第一加工助剂                   0.5-1。

3.如权利要求1所述的一种长碳纤维增强高导热高分子复合材料，其特征在于，所述导热母粒由以下重量份数的原料组成：

第二热塑性树脂                 30-80，

导热剂                         20-70，

第二偶联剂                     0.5-2，

第二抗氧剂                     0.3-0.5，

第二加工助剂                   0.5-1。

4.如权利要求2所述的一种长碳纤维增强高导热高分子复合材料，其特征在于，所述第一热塑性树脂选自聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、热塑性聚氨酯中的一种或几种。

5.如权利要求2所述的一种长碳纤维增强高导热高分子复合材料，其特征在于，所述连续长碳纤维为高导热连续长碳纤维。

6.如权利要求2所述的一种长碳纤维增强高导热高分子复合材料，其特征在于，所述第一偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或几种；所述第一抗氧剂包括主抗氧剂和辅助抗氧剂，所述主抗氧剂为受阻酚类抗氧剂，所述辅助抗氧剂为亚磷酸酯类辅助抗氧剂；所述第一加工助剂为脂肪酸、硬脂酸钙、硬脂酸锌、硅酮粉中的一种或几种。

7.如权利要求3所述的一种长碳纤维增强高导热高分子复合材料，其特征在于，所述第二热塑性树脂选自聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、热塑性聚氨酯中的一种或几种。

8.如权利要求3所述的一种长碳纤维增强高导热高分子复合材料，其特征在于，所述导热剂为纳米氮化铝。

9.如权利要求3所述的一种长碳纤维增强高导热高分子复合材料，其特征在于，所述第二偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或几种；所述第二抗氧剂包括主抗氧剂和辅助抗氧剂，所述主抗氧剂为受阻酚类抗氧剂，所述辅助抗氧剂为亚磷酸酯类辅助抗氧剂；所述第二加工助剂为脂肪酸、硬脂酸钙、硬脂酸锌、硅酮粉中的一种或几种。

10.一种如权利要求1所述的长碳纤维增强高导热高分子复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将第一热塑性树脂、连续长碳纤维、第一偶联剂、第一抗氧剂和第一加工助剂，采用拉挤方法制成长碳纤维增强热塑性树脂母粒，长碳纤维沿母粒颗粒长度方向彼此平行排列，且长度与母粒颗粒相同；

（2）预先将导热剂、第二偶联剂加入到高速混合机中混合均匀，然后加入第二热塑性树脂、第二抗氧剂、第二加工助剂，混合均匀，通过双螺杆挤出机挤出、造粒，制成导热母粒；

（3）将长碳纤维增强热塑性树脂母粒和导热母粒掺混制成长碳纤维增强高导热高分子复合材料。