CN102786797A

CN102786797A - 一种多尺度碳纤维尼龙复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102786797A
Application number: CN2012102836930A
Authority: CN
Inventors: 章桥新; 周少锋; 黄进; 吴超群
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2032-08-10
Also published as: CN102786797B

Abstract

本发明涉及一种多尺度碳纤维尼龙复合材料及其制备方法。一种多尺度碳纤维尼龙复合材料，它由碳纤维粉末、短切碳纤维和尼龙粒子组成，其各组分的重量百分比分别为将碳纤维粉末2~40wt%、短切碳纤维2~40wt%和尼龙粒子40~80wt%。本发明制得的多尺度碳纤维改性增强尼龙复合材料，纤维与尼龙基体之间结合紧密，力学性能优异，摩擦系数低，耐磨性好，节约了碳纤维资源和成本，且制备方法简单。

Description

一种多尺度碳纤维尼龙复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种多尺度碳纤维尼龙复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维增强热塑性复合材料具有热缩性树脂的通性外，还结合了碳纤维高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，这种新型复合材料既可以作为结构材料承载负荷，又可以作为功能材料，可在国民经济的各个领域发挥用武之地，如汽车制造中，采用碳纤维增强聚酰胺复合材料制得的皮带轮可以代替原来的铸铁件，产品重量降低的同时可大幅降低能耗；国防工业，美国印第安纳Wilson-Fiberfil公司开发了碳纤维40%/尼龙66复合材料，其性能超过目前使用的其他高强度材料，可代替金属用于国防与宇航领域；在航空航天领域，美国LNP公司用碳纤维增强尼龙612制造波音757飞机发动机部件；碳纤维增强热塑性复合材料还广泛用于制造网球拍、高尔夫球棒、头盔、汽车保险杠、机器人手臂和碳纤维自行车等。

为了让碳纤维增强树脂复合材料适用于高机械强度和减摩耐磨环境中，研究人员已对其开展基体共混改性、无机填料填充改性，如石墨、MoS₂、Al₂O₃、CuO等，而碳纤维粉末本身作为一种层状石墨晶纤维填料用于改性碳纤维增强树脂复合材料的研究则未见报道。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种多尺度碳纤维尼龙复合材料及其制备方法，本发明制得的多尺度碳纤维改性增强尼龙复合材料，纤维与尼龙基体之间结合紧密，力学性能优异，耐磨性好，节约了碳纤维资源和成本，且制备方法简单。

本发明为了解决所提出的技术问题，采用的技术方案为：

一种多尺度碳纤维尼龙复合材料，它由碳纤维粉末、短切碳纤维和尼龙粒子组成，其各组分的重量百分比为碳纤维粉末2~40 wt%、短切碳纤维2~40 wt%和尼龙粒子40~80 wt%。

按上述方案，所述的碳纤维粉末直径为2 μm~10 μm，长度为4 μm ~1mm。

按上述方案，所述的短切碳纤维直径为2 μm~10 μm，长度为1 mm~ 20 mm。

按上述方案，所述的尼龙粒子为尼龙6粒子，尼龙66粒子，尼龙610和尼龙1010粒子中的任意一种。

本发明所述的一种多尺度碳纤维尼龙复合材料的制备方法，它包括以下步骤：按照碳纤维粉末2~40 wt%、短切碳纤维2~40 wt%和尼龙粒子40~80 wt%将三者预混合后，通过挤出机熔融共混挤出，冷却切粒后，经干燥得到多尺度碳纤维尼龙复合材料。

按上述方案，所述的碳纤维粉末直径为2 μm~10 μm，长度为4 μm ~1 mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

第一，本发明将短切碳纤维和碳纤维粉末二者同时引入尼龙基复合材料，同时发挥了短切碳纤维的良好增强效果以及碳纤维粉末的有效填充作用，所制备的多尺度碳纤维尼龙复合材料性能优异，纤维与尼龙基体之间结合紧密，复合材料中空隙少，具有拉伸强度大，稳定性好，承载强度和断裂强度高的优点；

第二，短切碳纤维和碳纤维粉末组成多尺度复合增强骨架，长、短纤维之间应力传递，有利于分散应力集中点，从而达到协同增强的目的，本发明制得的复合材料力学和摩擦学性能好；

第三，碳纤维自身的多层碳原子结构而具有固体自润滑特征，本发明因碳纤维粉末的加入减小了摩擦系数，增强耐磨能力，使用寿命长；

第四，本发明充分利用短切纤维、长纤维和编制纤维的废弃料所加工而成的碳纤维粉末，节约了碳纤维资源，降低了能耗和成本；

第五，本发明制备方法简单，有利于促进碳纤维复合材料的发展与推广。

附图说明

图1为本发明实施例1的多尺度碳纤维聚酰胺6复合材料拉伸断裂面的扫描电镜照片。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

一种多尺度碳纤维树脂复合材料，以重量百分比计，它由碳纤维粉末5wt%、短切碳纤维25 wt%和尼龙6粒子70 wt%组成，其中碳纤维粉末直径为7μm，长度为50 μm，短切碳纤维直径为7μm，长度为6 mm。

其制备方法包括以下步骤：将碳纤维粉末5wt%（直径7μm，长50μm）、短切碳纤维30 wt%（直径7μm，长6mm）和尼龙6粒子65wt%预混合后，通过挤出机在230℃熔融共混挤出，冷却切粒后经干燥得多尺度碳纤维复合增强聚酰胺复合材料。

图1显示出多尺度碳纤维复合增强尼龙复合材料拉伸断裂面的扫描电镜照片，可以看到碳纤维在尼龙6基体中分散均匀，纤维与尼龙基体之间结合紧密，复合材料中空隙少；

表1为本实施例所得到的多尺度碳纤维复合增强尼龙复合材料以及对比例的力学性能和摩擦性能。比较力学性能各项数据可以看出，多尺度碳纤维复合增强尼龙复合材料的力学性能与短切碳纤维增强尼龙复合材料非常接近，其力学性能继续保持了短切碳纤维良好的增强效果；而比较三者摩擦系数和磨损率的大小可看出，多尺度碳纤维复合增强尼龙复合材料磨损率最低，仅为5.13×10^-5mm³/Nm，摩擦系数与碳纤维粉末增强尼龙复合材料接近，仅为0.22，说明本发明制备的多尺度碳纤维复合增强尼龙复合材料在力学性能和摩擦性能两方面均具有优异特质。

表1

注：摩擦系数和磨损率为样品在HT-1000摩擦磨损试验机上测得，测试条件为：室温、20 N、2000 r/min。对比实施例1为：短切碳纤维25 wt%（直径7μm，长6mm）和尼龙6粒子70wt%预混合后，通过挤出机在230℃熔融共混挤出，冷却切粒后经干燥得短切碳纤维增强尼龙复合材料；对比实施例2为：碳纤维粉末25 wt%（直径7μm，长50μm）和尼龙6粒子70wt%预混合后，通过挤出机在230℃熔融共混挤出，冷却切粒后经干燥得碳纤维粉末增强尼龙复合材料。

实施例2：

一种多尺度碳纤维尼龙复合材料，以重量百分比计，它由碳纤维粉末10wt%、短切碳纤维10 wt%和尼龙66粒子80 wt%组成，其中碳纤维粉末直径为7μm，长度为50 μm，短切碳纤维直径为7μm，长度为10 mm。

其制备方法包括以下步骤：将碳纤维粉末10 wt%（直径7μm，长200 μm）、短切碳纤维10 wt%（直径7μm，长10 mm）和尼龙66粒子80 wt%预混合后，通过挤出机在270℃熔融共混挤出，冷却切粒后经干燥得多尺度碳纤维复合增强尼龙复合材料。

本实施例所得到的多尺度碳纤维复合增强尼龙复合材料的力学性能和摩擦性能见表2。

实施例3：

一种多尺度碳纤维尼龙复合材料，以重量百分比计，它由碳纤维粉末40wt%、短切碳纤维20 wt%和尼龙610粒子40wt%组成，其中碳纤维粉末直径为7μm，长度为20μm，短切碳纤维直径为7μm，长度为15mm。

其制备方法包括以下步骤：将碳纤维粉末40 wt%（直径7μm，长20μm）、短切碳纤维20wt%（直径7μm，长15mm）和尼龙610粒子40wt%预混合后，通过挤出机在230℃熔融共混挤出，冷却切粒后经干燥得多尺度碳纤维复合增强尼龙复合材料。

实施例4：

一种多尺度碳纤维尼龙复合材料，以重量百分比计，它由碳纤维粉末2wt%、短切碳纤维40wt%和尼龙1010粒子58wt%组成，其中碳纤维粉末直径为2μm，长度为4 μm，短切碳纤维直径为2μm，长度为1 mm。

其制备方法包括以下步骤：将碳纤维粉末2 wt%（直径2 μm，长200 μm）、短切碳纤维40 wt%（直径2μm，长1 mm）和尼龙1010粒子58wt%预混合后，通过挤出机在220℃熔融共混挤出，冷却切粒后经干燥得多尺度碳纤维复合增强尼龙复合材料。

实施例5：

一种多尺度碳纤维尼龙复合材料，以重量百分比计，它由碳纤维粉末40wt%、短切碳纤维2wt%和尼龙6粒子58wt%组成，其中碳纤维粉末直径为10μm，长度为1mm，短切碳纤维直径为10μm，长度为20mm。

其制备方法包括以下步骤：将碳纤维粉末40 wt%（直径10 μm，长1mm）、短切碳纤维2wt%（直径10μm，长20mm）和尼龙6粒子58wt%预混合后，通过挤出机在230℃熔融共混挤出，冷却切粒后经干燥得多尺度碳纤维复合增强聚氯乙烯复合材料。

表2

本发明所列举的各原料都能实现本发明，各原料的上下限取值以及其区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims

1. 一种多尺度碳纤维尼龙复合材料，其特征在于它由碳纤维粉末、短切碳纤维和尼龙粒子组成，其各组分的重量百分比为碳纤维粉末2~40 wt%、短切碳纤维2~40 wt%和尼龙粒子40~80 wt%。

2. 根据权利要求1所述的一种多尺度碳纤维尼龙复合材料，其特征在于所述的碳纤维粉末直径为2 μm~10 μm，长度为4 μm ~1 mm。

3. 根据权利要求1所述的一种多尺度碳纤维尼龙复合材料，其特征在于所述的短切碳纤维直径为2 μm~10 μm，长度为1 mm~ 20 mm。

4. 根据权利要求1所述的一种多尺度碳纤维尼龙复合材料，其特征在于所述的尼龙粒子为尼龙6粒子，尼龙66粒子，尼龙610和尼龙1010粒子中的任意一种。

5. 根据权利要求1所述的一种多尺度碳纤维尼龙复合材料的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：按照碳纤维粉末2~40 wt%、短切碳纤维2~40 wt%和尼龙粒子40~80 wt%将三者预混合后，通过挤出机熔融共混挤出，冷却切粒后，经干燥得到多尺度碳纤维尼龙复合材料。

6. 根据权利要求5所述的一种多尺度碳纤维尼龙复合材料的制备方法，其特征在于所述的碳纤维粉末直径为2 μm~10 μm，长度为4 μm ~1 mm。

7. 根据权利要求5所述的一种多尺度碳纤维尼龙复合材料的制备方法，其特征在于所述的短切碳纤维直径为2 μm~10 μm，长度为1 mm~ 20 mm。

8. 根据权利要求5所述的一种多尺度碳纤维尼龙复合材料的制备方法，其特征在于所述的尼龙粒子为尼龙6粒子，尼龙66粒子，尼龙610和尼龙1010粒子中的任意一种。