CN102532869A - 一种导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于导热复合材料技术领域，涉及一种导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，其重量百分比组分为：沥青基碳纤维：5-40%，聚酰胺树脂：50-85%，相容剂：1-10%，石墨微粉：5-15%，加工助剂：0.1-1%；沥青基碳纤维需经过以下表面处理：沥青基碳纤维采用氧化剂在温度60-120℃下处理2-24小时，对沥青基碳纤维的表面进行氧化；滤出经步骤㈠处理过的沥青基碳纤维，用蒸馏水清洗至蒸馏水呈中性后，在80-150℃条件下烘干；再在常温下在处理液中密封静置处理2-5小时后烘干。本发明的复合材料纤维添加量少，且加工步骤简单，不仅具有导热的功能，同时也提高了材料的机械性能和抗静电性能。

Description

一种导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于导热复合材料技术领域，涉及一种导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料及其制备方法。

背景技术

传统的导热塑料都是使用石墨、氮化硼或者氮化铝。粉末与塑料树脂共混，存在添加量大，加料困难等缺点，并且随着添加料的增加，材料的综合性能下降，密度增加，实际运用还是面临困难。随着新材料技术的不断研发与发展，高科技含量的碳纤维改性复合材料已经不仅仅只用于高端的航空航天、军事武器等领域，而越来越多地在普通工业领域使用。如汽车行业、体育用品行业、纺织机械行业、电子电器行业等。大多数研究仅仅关注了碳纤维对材料重量方面和机械强度方面的改进，而对于功能性材料的研发，如导热与导电性能的研究，一直没有大的进展。沥青基碳纤维不仅具有聚丙烯腈碳纤维的高强高模量、耐热的性能，还有更高的导热和抗静电性能。

如专利申请号为CN200710044603.1和CN201010171245.2的专利，仅仅提高了材料的机械性能，而没有提高复合材料的导热系数和电阻率；而专利申请号为CN200710030854.4的专利，由于添加了玻璃纤维成分，因此也不能体现碳纤维，特别是沥青基碳纤维，优异的耐热、抗静电电性能；而专利申请号为CN200910311708.8的专利，没有提高材料的导热性能，并且由于使用的原料为乙烯或丙烯类，耐热性较差，不能发挥碳纤维的高耐热与高强度的性能，并且其碳纤维的表面处理通过三步法进行，操作繁琐，不利于工业化生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：本发明利用沥青基碳纤维的耐热、抗静电性能，通过增加碳纤维表面活性含氧基团的数量，降低石墨微粉含量的方法提出一种导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料及其制备方法，解决传统导热塑料的加工困难和低机械性能问题，同时也提高了材料的抗静电性能。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

一种导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，其重量百分比组分为：沥青基碳纤维：5-40%，聚酰胺树脂：50-85%，相容剂：1-10%，石墨微粉：5-15%，加工助剂：0.1-1%，以上各组分重量之和为100%；

沥青基碳纤维需经过以下表面处理：㈠沥青基碳纤维采用氧化剂在温度60-120℃下处理2-24小时，对沥青基碳纤维的表面进行氧化；㈡滤出经步骤㈠处理过的沥青基碳纤维，用蒸馏水清洗至蒸馏水呈中性后，在80-150℃条件下烘干，再在常温下在处理液中密封静置处理2-5小时后烘干，处理液为加有偶联剂的乙醇溶液，处理液中偶联剂的浓度为30-50%；

石墨微粉需用偶联剂进行处理，即将石墨微粉与偶联剂在60-100℃条件下在混合机内混合2-20分钟，所述偶联剂用量为石墨微粉重量的0.5-5%；

聚酰胺树脂需用偶联剂进行处理，即将聚酰胺树脂与偶联剂在60-100℃条件下在混合机内混合2-20分钟，所述偶联剂用量为聚酰胺树脂重量的0.5%-5%。

导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料的制备方法，按以下步骤进行：

㈠将沥青基碳纤维按以上所述的工艺进行表面进行处理；

㈡将石墨微粉按以上所述的工艺用偶联剂进行处理；

㈢将聚酰胺树脂在80-120℃下烘2-6小时，并按以上所述的工艺用偶联剂进行处理；

㈣按照经步骤㈡处理后的石墨微粉和经步骤㈢处理后的聚酰胺树脂以及相容剂和加工助剂按以上所述配比称量后倒入混合机，混合搅拌3-30分钟；

㈤将步骤㈣得到的混合物经过喂料机喂入双螺杆挤出机，同时将经过步骤㈠得到的沥青基碳纤维，如果是短切碳纤维经侧喂料的方式喂入双螺杆挤出机，如果是连续纤维经过纤维口牵引入双螺杆挤出机；

㈥将步骤㈦得到的物质经过冷却、拉条、切粒、干燥处理。

沥青基碳纤维的用量为5-40%,优选10-20%，如果少于5%，将去不到应有的作用，而如果大于40%，则碳纤维与基体树脂之间的粘结性能变差，应力不能有效传递，不能有效发挥碳纤维本体的性能，复合材料的综合性能反而降低。

由于碳纤维的活性比表面积小，表面边缘活性碳原子数目少，且表面能低，其表面呈疏水性，因此碳纤维与弹性体之间的粘结性能差。需要碳纤维是经过表面处理，经过表面处理的碳纤维表面引入大量的含氧极性官能团，如-COOH,-OH,=O等，表面活性官能团的增加，使它与弹性体之间的相互作用增强，两相间的粘结能力变大能更好地发挥各组分的功能。

本发明进一步限定的技术方案是：

前述的导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，氧化剂为过硫酸铵、重铬酸钾、次氯酸钠或浓硫酸其中的一种或混合物，氧化剂浓度为20-60%。

前述的导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，加工助剂为光稳定剂、润滑剂或抗氧剂其中的一种或几种混合物。

前述的导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，聚酰胺树脂为PA66、PA6、PA46中的一种或者几种混合。

前述的导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，石墨微粉粒径≤5微米。

前述的导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，偶联剂为钛酸酯类偶联剂或硅烷类偶联剂中的一种或几种混合。

前述的导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，相容剂为马来酸酐接枝聚烯烃类聚合物。相容剂的使用更好地改善了复合材料的粘结性能，提高了复合材料的机械强度。

前述的导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，沥青基碳纤维是短切碳纤维或长碳纤维其中的一种或混合物。

本发明的优点是：本发明的导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，纤维的添加量少，且加工步骤简单，不仅具有导热的功能，同时也提高了材料的机械性能和抗静电性能，在光缆、电子电器领域等要求导热抗静电的使用环境下具有巨大的使用前景，主要用于代替一些对制件尺寸有严格要求的微型电子组件、光学组件、机械组件和医用组件的金属或陶瓷制件。本发明把塑料成型的简易性与优异的热传导性相结合，可以通过注射成型实现某些金属或陶瓷一样的热传递能力；另外，其固有的低热膨胀系数可有效减少制件收缩。本发明的导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料导热系数大于10，单位：W.(m.K)^-1，体积电阻率为10-10³欧姆·厘米，弯曲模量提高25%以上。

具体实施方式

实施例1

一种导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，其重量百分比组分为：连续沥青基碳纤维：5%，PA66聚酰胺树脂：84%，相容剂：5%，石墨微粉：5%，光稳定剂：0.7%；抗氧剂：0.3%；其中石墨微粉粒径≤5微米；相容剂为马来酸酐接枝聚烯烃类化合物。

以上沥青基碳纤维需经过以下表面处理：㈠沥青基碳纤维采用浓度为40%的硫酸在温度60℃下处理2小时，对沥青基碳纤维的表面进行氧化；㈡滤出经步骤㈠处理过的沥青基碳纤维，用蒸馏水清洗至蒸馏水呈中性后，在80℃条件下烘干，再在常温下在处理液中密封静置处理2小时后烘干，处理液为加有钛酸酯类偶联剂的乙醇溶液，处理液中偶联剂的浓度为30%。

以上石墨微粉需用偶联剂进行处理，即将石墨微粉与钛酸酯类偶联剂在60℃条件下在混合机内混合20分钟，偶联剂用量为石墨微粉重量的1%。

以上聚酰胺树脂需用偶联剂进行处理，即将聚酰胺树脂与钛酸酯类偶联剂在60℃条件下在混合机内混合20分钟，偶联剂用量为聚酰胺树脂重量的0.5%。

导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料的制备方法，按以下步骤进行：

㈠将沥青基碳纤维按以上所述的工艺进行表面进行处理；

㈡将石墨微粉按以上所述的工艺用偶联剂进行处理；

㈢将聚酰胺树脂在80℃下烘6小时，并按以上所述的工艺用偶联剂进行处理；

㈣按照经步骤㈡处理后的石墨微粉和经步骤㈢处理后的聚酰胺树脂以及相容剂和加工助剂按以上所述配比称量后倒入混合机，混合搅拌3分钟；

㈤将步骤㈣得到的混合物经过喂料机喂入双螺杆挤出机，同时将经过步骤㈠得到的沥青基碳纤维经过纤维口牵引入双螺杆挤出机；

㈥将步骤㈦得到的物质经过冷却、拉条、切粒、干燥处理。

本实施例得到的复合物的导热系数11，单位：W.(m.K)^-1，体积电阻率为 10²-10³  欧姆·厘米，弯曲模量提高28%。

实施例2

一种导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，其重量百分比组分为：短切沥青基碳纤维：15%，PA6聚酰胺树脂：65%，相容剂：10%，石墨微粉：9.8%，抗氧剂：0.2%，其中石墨微粉粒径≤5微米。

以上沥青基碳纤维需经过以下表面处理：㈠沥青基碳纤维采用用浓度为40%的过硫酸铵在温度80℃下处理10小时，对沥青基碳纤维的表面进行氧化；㈡滤出经步骤㈠处理过的沥青基碳纤维，用蒸馏水清洗至蒸馏水呈中性后，在110℃条件下烘干，再在常温下在处理液中密封静置处理3小时后烘干，处理液为加有偶联剂的乙醇溶液，处理液中偶联剂的浓度为40%；偶联剂为钛酸酯类偶联剂。

以上石墨微粉需用偶联剂进行处理，即将石墨微粉与钛酸酯类偶联剂在80℃条件下在混合机内混合10分钟，偶联剂用量为石墨微粉重量的2%。

以上聚酰胺树脂需用偶联剂进行处理，即将聚酰胺树脂与钛酸酯类偶联剂在80℃条件下在混合机内混合10分钟，偶联剂用量为聚酰胺树脂重量的1%。

导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料的制备方法，按以下步骤进行：

㈠将沥青基碳纤维按以上所述的工艺进行表面进行处理；

㈡将石墨微粉按以上所述的工艺用偶联剂进行处理；

㈢将聚酰胺树脂在100℃下烘4小时，并按以上所述的工艺用偶联剂进行处理；

㈣按照经步骤㈡处理后的石墨微粉和经步骤㈢处理后的聚酰胺树脂以及相容剂和加工助剂按以上所述配比称量后倒入混合机，混合搅拌15分钟；

㈤将步骤㈣得到的混合物经过喂料机喂入双螺杆挤出机，同时将经过步骤㈠得到的沥青基碳纤维经侧喂料的方式喂入双螺杆挤出机；

㈥将步骤㈦得到的物质经过冷却、拉条、切粒、干燥处理。

本实施例得到的复合物的导热系数12，单位：W.(m.K)^-1，体积电阻率为10²-10³欧姆·厘米，弯曲模量提高25%。

实施例3

一种导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，其重量百分比组分为：连续沥青基碳纤维：40%，PA66聚酰胺树脂：30%；PA6聚酰胺树脂： 20%，相容剂：1%，石墨微粉：8.5%，光稳定剂：0.2%，抗氧剂：0.2%；润滑剂：0.1%；其中石墨微粉粒径≤5微米。

以上沥青基碳纤维需经过以下表面处理：㈠沥青基碳纤维采用用总浓度为30%过硫酸铵和浓硫酸混合溶液在温度120℃下处理2小时，对沥青基碳纤维的表面进行氧化；㈡滤出经步骤㈠处理过的沥青基碳纤维，用蒸馏水清洗至蒸馏水呈中性后，在150℃条件下烘干，再在常温下在处理液中密封静置处理5小时后烘干，处理液为加有偶联剂的乙醇溶液，处理液中偶联剂的浓度为50%，偶联剂为硅烷类偶联剂。

以上石墨微粉需用偶联剂进行处理，即将石墨微粉与硅烷类偶联剂在100℃条件下在混合机内混合2分钟，偶联剂用量为石墨微粉重量的2%。

以上聚酰胺树脂需用偶联剂进行处理，即将聚酰胺树脂与硅烷类偶联剂在100℃条件下在混合机内混合2分钟，偶联剂用量为聚酰胺树脂重量的3%。

导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料的制备方法，按以下步骤进行：

㈠将沥青基碳纤维按以上所述的工艺进行表面进行处理；

㈡将石墨微粉按以上所述的工艺用偶联剂进行处理；

㈢将聚酰胺树脂在120℃下烘2小时，并按以上所述的工艺用偶联剂进行处理；

㈣按照经步骤㈡处理后的石墨微粉和经步骤㈢处理后的聚酰胺树脂以及相容剂和加工助剂按以上所述配比称量后倒入混合机，混合搅拌30分钟；

㈤将步骤㈣得到的混合物经过喂料机喂入双螺杆挤出机，同时将经过步骤㈠得到的沥青基碳纤维经过纤维口牵引入双螺杆挤出机；

㈥将步骤㈦得到的物质经过冷却、拉条、切粒、干燥处理。

本实施例得到的复合物的导热系数13，单位：W.(m.K)^-1，体积电阻率为10²-10³欧姆·厘米，弯曲模量提高30%。

本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，其特征在于：其重量百分比组分为：沥青基碳纤维：5-40%，聚酰胺树脂：50-85%，相容剂：1-10%，石墨微粉：5-15%，加工助剂：0.1-1%，以上各组分重量之和为100%；

所述沥青基碳纤维需经过以下表面处理：㈠沥青基碳纤维采用氧化剂在温度60-120℃下处理2-24小时，对沥青基碳纤维的表面进行氧化；㈡滤出经步骤㈠处理过的沥青基碳纤维，用蒸馏水清洗至蒸馏水呈中性后，在80-150℃条件下烘干，再在常温下在处理液中密封静置处理2-5小时后烘干，所述处理液为加有偶联剂的乙醇溶液，所述处理液中偶联剂的浓度为30-50%；

所述石墨微粉需用偶联剂进行处理，即将石墨微粉与偶联剂在60-100℃条件下在混合机内混合2-20分钟，所述偶联剂用量为石墨微粉重量的0.5%-5%；

所述聚酰胺树脂需用偶联剂进行处理，即将聚酰胺树脂与偶联剂在60-100℃条件下在混合机内混合2-20分钟，所述偶联剂用量为聚酰胺树脂重量的0.5%-5%。

2.如权利要求1所述的导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，其特征在于：所述氧化剂为过硫酸铵、重铬酸钾、次氯酸钠或浓硫酸其中的一种或混合物，氧化剂浓度为20-60%。

3.如权利要求1所述的导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，其特征在于：所述加工助剂为光稳定剂、润滑剂或抗氧剂其中的一种或几种混合物。

4.如权利要求1所述的导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，其特征在于：所述聚酰胺树脂为PA66、PA6、PA46中的一种或者几种混合。

5.如权利要求1所述的导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，其特征在于：所述石墨微粉粒径≤5微米。

6.如权利要求1所述的导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，其特征在于：所述偶联剂为钛酸酯类偶联剂或硅烷类偶联剂中的一种或几种混合。

7.如权利要求1所述的导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，其特征在于：所述相容剂为马来酸酐接枝聚烯烃类聚合物。

8.如权利要求1所述的导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料，其特征在于：所述沥青基碳纤维是短切碳纤维或长碳纤维其中的一种或混合物。

9.权利要求1所述导热抗静电碳纤维改性聚酰胺复合材料的制备方法，其特征在于：按以下步骤进行：

㈠将沥青基碳纤维按权利要求1所述的工艺进行表面进行处理；

㈡将石墨微粉按权利要求1所述的工艺用偶联剂进行处理；

㈢将聚酰胺树脂在80-120℃下烘2-6小时，并按权利要求1所述的工艺用偶联剂进行处理；

㈣按照经步骤㈡处理后的石墨微粉和经步骤㈢处理后的聚酰胺树脂以及相容剂和加工助剂按权利要求1所述配比称量后倒入混合机，混合搅拌3-30分钟；

㈤将步骤㈣得到的混合物经过喂料机喂入双螺杆挤出机，同时将经过步骤㈠得到的沥青基碳纤维，如果是短切碳纤维经侧喂料的方式喂入双螺杆挤出机，如果是连续纤维经过纤维口牵引入双螺杆挤出机；

㈥将步骤㈦得到的物质经过冷却、拉条、切粒、干燥处理。