CN102942782A - 一种持续高温环境下使用的连续碳纤维增强尼龙复合材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种持续高温环境下使用的连续碳纤维增强尼龙复合材料，按照重量份数，包含：尼龙树脂100份，连续碳纤维5～150份，相容剂1～15份，抗氧化剂0.1～3份，有机铜盐化合物0.03～2份，自由基捕捉剂0.1～3份，抗水解剂0.05～2份，润滑剂0.1～5份。制备方法为：采用尼龙、相容剂、抑制高温氧化降解的助剂等通过挤出机熔融挤出后经过浸渍机头充分浸渍连续碳纤维，制备连续碳纤维增强尼龙复合材料。本发明的优点是具有超高综合力学性能、尺寸稳定性好、永久抗静电性、电磁波屏蔽、摩擦系数小、在160℃高温环境下持续使用4000h其力学性能保持率大于85%。

Description

一种持续高温环境下使用的连续碳纤维增强尼龙复合材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种尼龙复合材料，更确切地说，是一种持续高温环境下使用的连续碳纤维增强尼龙复合材料及制备方法。

背景技术

尼龙具有良好的机械性能、较好的柔韧性、耐磨性、耐油性、自润滑性、易成型加工等优良的综合性能，被广泛应用于汽车行业、电子电器工业、机械设备、建筑业等领域。碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，分子结构界于石墨与金刚石之间，含碳体积分数随品种而异，一般在0.9以上；主要种类有聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维；碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，与一般碳素材料不同的是其有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度等；碳纤维比重小具有很高的比强度。

尼龙和碳纤维都是性能较优异的材料，其复合材料综合体现了二者的优越性，如强度与刚性比未增强的尼龙要高出很多，高温蠕变小，热稳定性显著提高，尺寸精度好，耐磨，与玻纤增强相比有更好的性能。连续碳纤维增强尼龙复合材料以其轻质高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛应用于航天航空领域、交通运输领域、体育运动器材及电子工业等领域。

现有的碳纤维增强尼龙复合材料多数是通过双螺杆挤出机将碳纤维和尼龙在挤出机内混合制得，碳纤维在复合材料中呈无序排列且长度通常小于1mm，复合材料综合力学性能与尼龙树脂相比虽有较大幅度提高，但未能充分发挥碳纤维具有的高强高模优势；由于尼龙分子结构中存在酰胺基团，在持续高温环境下使用尼龙树脂易发生降解，导致材料综合力学性能大幅下降。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题，从而提供一种持续高温环境下使用的连续碳纤维增强尼龙复合材料。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种持续高温环境下使用的连续碳纤维增强尼龙复合材料，按照重量份数，包含：尼龙树脂100份，连续碳纤维5～150份，相容剂1～15份，抗氧化剂0.1～3份，有机铜盐化合物0.03～2份，自由基捕捉剂0.1～3份，抗水解剂0.05～2份，润滑剂0.1～5份。

所述的尼龙树脂为特性粘度在2.0～3.4dL/g之间的尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙1010、尼龙9、尼龙11、尼龙12、尼龙612中的一种或几种的混合物。

所述的相容剂为苯乙烯-马来酸酐共聚物SMA、苯乙烯-丙烯腈-马来酸酐共聚物SAM、聚烯烃接枝聚合物（如乙烯-辛烯共聚物接枝马来酸酐、聚丙烯接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯、聚乙烯接枝丙烯酸等）中的至少一种；

所述的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂（如抗氧剂1010）、含硫抗氧剂（如抗氧剂DSTP）、亚磷酸酯类抗氧剂（如抗氧剂168）中的至少一种；

所述的有机铜盐化合物为羧酸类铜盐化合物（如油酸铜、棕榈酸铜、C_18-24烯基丁二酸铜，苯乙烯马来酸铜等）、硫代磷酸类铜盐化合物（如二烃基二硫代磷酸铜、二异丁基二硫代磷酸铜等）、硫代氨基甲酸类铜盐化合物（如二硫代氨基甲酸铜、二戊基二硫代氨基甲酸铜等）和硫代烃基硼酸类铜盐化合物（如硫代烃基硼酸铜）中的至少一种；

所述的自由基捕捉剂为碳自由基捕捉剂（如3-芳基苯并呋喃酮）；所述的抗水解剂为碳化二亚胺、2-噁唑啉、三烯丙基异氰脲酸酯中的至少一种；所述的润滑剂为乙撑双硬脂酰胺、硬脂酸盐中的至少一种。

本发明还公开了一种持续高温环境下使用的连续碳纤维增强尼龙复合材料的方法，包含以下步骤：

1）经干燥处理过的所述的尼龙树脂、相容剂、抗氧化剂、有机铜盐化合物、碳自由基捕捉剂、抗水解剂和润滑剂在高速混合机中混合均匀；

2）将步骤1）得到的混合均匀的物料通过挤出机熔融挤出后经过浸渍机头充分浸渍连续碳纤维，通过控制挤出机的挤出量和连续碳纤维的加入量来控制尼龙复合材料中碳纤维的含量；

3）将步骤2）得到的连续碳纤维浸渍料经牵引、冷却、定长切粒和干燥处理得到所述的连续碳纤维增强尼龙复合材料。

本发明的连续碳纤维增强尼龙复合材料是连续碳纤维浸渍了尼龙树脂制成的直径为2～6mm并按规定的要求切割为长度为2～30mm的棒状组合物；所述的棒状组合物中碳纤维平行于牵引方向并均匀排布。

本发明采用尼龙、相容剂、抑制高温氧化降解的助剂等通过挤出机熔融挤出后经过浸渍机头充分浸渍连续碳纤维，制备连续碳纤维增强尼龙复合材料。制备的复合材料具有超高综合力学性能、尺寸稳定性好、永久抗静电性、电磁波屏蔽、摩擦系数小、在160℃高温环境下持续使用4000h其力学性能保持率大于85%等优异性能，其大大拓展了在航天航空领域、交通运输领域、体育运动器材及电子工业等领域的应用范围。

具体实施方式

下面对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例1：

（1）将100份尼龙6树脂、1份相容剂PP-g-MAH、0.3份抗氧剂1098、0.5份有机铜盐类化合物二硫代氨基甲酸铜、0.2份碳自由基捕捉剂136、0.3份抗水解剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.1份润滑剂硬脂酸锌在高混机中混合均匀；

（2）将步骤1）得到的混合均匀的物料通过挤出机熔融挤出后经过浸渍机头充分浸渍连续碳纤维，通过控制挤出机的挤出量和连续碳纤维的加入量来控制尼龙复合材料中碳纤维的含量为5份；

（3）将步骤2）得到的连续碳纤维浸渍料经牵引、冷却、定长切粒和干燥处理得到连续碳纤维增强尼龙6复合材料，所得材料性能测试结果见表1。

实施例2：

（1）将100份尼龙6树脂、5份相容剂PP-g-MAH、0.3份抗氧剂1098、0.5份有机铜盐类化合物二硫代氨基甲酸铜、0.2份碳自由基捕捉剂136、0.3份抗水解剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.1份润滑剂硬脂酸锌在高混机中混合均匀；（缺抗水解剂）

（2）将步骤1）得到的混合均匀的物料通过挤出机熔融挤出后经过浸渍机头充分浸渍连续碳纤维，通过控制挤出机的挤出量和连续碳纤维的加入量来控制尼龙复合材料中碳纤维的含量为50份；

（3）将步骤2）得到的连续碳纤维浸渍料经牵引、冷却、定长切粒和干燥处理得到连续碳纤维增强尼龙6复合材料，所得材料性能测试结果见表1。

实施例3：

（1）将100份尼龙6树脂、15份相容剂PP-g-MAH、0.3份抗氧剂1098、0.5份有机铜盐类化合物二硫代氨基甲酸铜、0.2份碳自由基捕捉剂136、0.3份抗水解剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.1份润滑剂硬脂酸锌在高混机中混合均匀；（2）将步骤1）得到的混合均匀的物料通过挤出机熔融挤出后经过浸渍机头充分浸渍连续碳纤维，通过控制挤出机的挤出量和连续碳纤维的加入量来控制尼龙复合材料中碳纤维的含量为150份；

（3）将步骤2）得到的连续碳纤维浸渍料经牵引、冷却、定长切粒和干燥处理得到连续碳纤维增强尼龙6复合材料，所得材料性能测试结果见表1。

实施例4：

（1）将100份尼龙6树脂、1份相容剂SMA、0.3份抗氧剂1098、0.5份有机铜盐类化合物二硫代氨基甲酸铜、0.2份碳自由基捕捉剂136、0.3份抗水解剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.1份润滑剂硬脂酸锌在高混机中混合均匀；（2）将步骤1）得到的混合均匀的物料通过双螺杆挤出机和碳纤维在挤出机内混合，通过控制挤出机的挤出速度和连续碳纤维的加入量来控制尼龙复合材料中碳纤维的含量为5份；

（3）将步骤2）挤出的碳纤维增强尼龙6料经牵引、冷却、定长切粒和干燥处理得到碳纤维增强尼龙6复合材料，所得材料性能测试结果见表1。

实施例5：

（1）将100份尼龙6树脂、5份相容剂SMA、0.3份抗氧剂1098、0.5份有机铜盐类化合物二硫代氨基甲酸铜、0.2份碳自由基捕捉剂136、0.3份抗水解剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.1份润滑剂硬脂酸锌在高混机中混合均匀；

（2）将步骤1）得到的混合均匀的物料通过挤出机熔融挤出后经过浸渍机头充分浸渍连续碳纤维，通过控制挤出机的挤出量和连续碳纤维的加入量来控制尼龙复合材料中碳纤维的含量为50份；

（3）将步骤2）得到的连续碳纤维浸渍料经牵引、冷却、定长切粒和干燥处理得到连续碳纤维增强尼龙6复合材料，所得材料性能测试结果见表1。

实施例6：

（1）将100份尼龙6树脂、15份相容剂SMA、0.3份抗氧剂1098、0.5份有机铜盐类化合物二硫代氨基甲酸铜、0.2份碳自由基捕捉剂136、0.3份抗水解剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.1份润滑剂硬脂酸锌在高混机中混合均匀；

（2）将步骤1）得到的混合均匀的物料通过挤出机熔融挤出后经过浸渍机头充分浸渍连续碳纤维，通过控制挤出机的挤出量和连续碳纤维的加入量来控制尼龙复合材料中碳纤维的含量为150份；

（3）将步骤2）得到的连续碳纤维浸渍料经牵引、冷却、定长切粒和干燥处理得到连续碳纤维增强尼龙6复合材料，所得材料性能测试结果见表1。

实施例7：

（1）将100份尼龙66树脂、1份相容剂PP-g-MAH、0.3份抗氧剂1098、0.5份有机铜盐类化合物二硫代氨基甲酸铜、0.2份碳自由基捕捉剂136、0.3份抗水解剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.1份润滑剂硬脂酸锌在高混机中混合均匀；

（2）将步骤1）得到的混合均匀的物料通过挤出机熔融挤出后经过浸渍机头充分浸渍连续碳纤维，通过控制挤出机的挤出量和连续碳纤维的加入量来控制尼龙复合材料中碳纤维的含量为5份；

（3）将步骤2）得到的连续碳纤维浸渍料经牵引、冷却、定长切粒和干燥处理得到连续碳纤维增强尼龙66复合材料，所得材料性能测试结果见表2。

实施例8：

（1）将100份尼龙66树脂、5份相容剂PP-g-MAH、0.3份抗氧剂1098、0.5份有机铜盐类化合物二硫代氨基甲酸铜、0.2份碳自由基捕捉剂136、0.3份抗水解剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.1份润滑剂硬脂酸锌在高混机中混合均匀；

（2）将步骤1）得到的混合均匀的物料通过挤出机熔融挤出后经过浸渍机头充分浸渍连续碳纤维，通过控制挤出机的挤出量和连续碳纤维的加入量来控制尼龙复合材料中碳纤维的含量为50份；

（3）将步骤2）得到的连续碳纤维浸渍料经牵引、冷却、定长切粒和干燥处理得到连续碳纤维增强尼龙66复合材料，所得材料性能测试结果见表2。

实施例9：

（1）将100份尼龙66树脂、15份相容剂PP-g-MAH、0.3份抗氧剂1098、0.5份有机铜盐类化合物二硫代氨基甲酸铜、0.2份碳自由基捕捉剂136、0.3份抗水解剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.1份润滑剂硬脂酸锌在高混机中混合均匀；

（2）将步骤1）得到的混合均匀的物料通过挤出机熔融挤出后经过浸渍机头充分浸渍连续碳纤维，通过控制挤出机的挤出量和连续碳纤维的加入量来控制尼龙复合材料中碳纤维的含量为150份；

（3）将步骤2）得到的连续碳纤维浸渍料经牵引、冷却、定长切粒和干燥处理得到连续碳纤维增强尼龙66复合材料，所得材料性能测试结果见表2。

实施例10：

（1）将100份尼龙66树脂、1份相容剂SMA、0.3份抗氧剂1098、0.5份有机铜盐类化合物二硫代氨基甲酸铜、0.2份碳自由基捕捉剂136、0.3份抗水解剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.1份润滑剂硬脂酸锌在高混机中混合均匀；

（2）将步骤1）得到的混合均匀的物料通过双螺杆挤出机和碳纤维在挤出机内混合，通过控制挤出机的挤出速度和连续碳纤维的加入量来控制尼龙复合材料中碳纤维的含量为5份；

（3）将步骤2）挤出的碳纤维增强尼龙66料经牵引、冷却、定长切粒和干燥处理得到碳纤维增强尼龙66复合材料，所得材料性能测试结果见表2。

实施例11：

（1）将100份尼龙66树脂、5份相容剂SMA、0.3份抗氧剂1098、0.5份有机铜盐类化合物二硫代氨基甲酸铜、0.2份碳自由基捕捉剂136、0.3份抗水解剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.1份润滑剂硬脂酸锌在高混机中混合均匀；

（2）将步骤1）得到的混合均匀的物料通过挤出机熔融挤出后经过浸渍机头充分浸渍连续碳纤维，通过控制挤出机的挤出量和连续碳纤维的加入量来控制尼龙复合材料中碳纤维的含量为50份；

（3）将步骤2）得到的连续碳纤维浸渍料经牵引、冷却、定长切粒和干燥处理得到连续碳纤维增强尼龙66复合材料，所得材料性能测试结果见表2。

实施例12：

（1）将100份尼龙66树脂、15份相容剂SMA、0.3份抗氧剂1098、0.5份有机铜盐类化合物二硫代氨基甲酸铜、0.2份碳自由基捕捉剂136、0.3份抗水解剂三烯丙基异氰脲酸酯、0.1份润滑剂硬脂酸锌在高混机中混合均匀；

（2）将步骤1）得到的混合均匀的物料通过挤出机熔融挤出后经过浸渍机头充分浸渍连续碳纤维，通过控制挤出机的挤出量和连续碳纤维的加入量来控制尼龙复合材料中碳纤维的含量为150份；

（3）将步骤2）得到的连续碳纤维浸渍料经牵引、冷却、定长切粒和干燥处理得到连续碳纤维增强尼龙66复合材料，所得材料性能测试结果见表2。

表1  连续碳纤维增强尼龙6复合材料的性能测试

表2  连续碳纤维增强尼龙66复合材料的性能测试

以上仅仅以一个实施方式来说明本发明的设计思路，在系统允许的情况下，本发明可以扩展为同时外接更多的功能模块，从而最大限度扩展其功能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种持续高温环境下使用的连续碳纤维增强尼龙复合材料，按照重量份数，包含：尼龙树脂100份，连续碳纤维5～150份，相容剂1～15份，抗氧化剂0.1～3份，有机铜盐化合物0.03～2份，自由基捕捉剂0.1～3份，抗水解剂0.05～2份，润滑剂0.1～5份，

所述的尼龙树脂为特性粘度在2.0～3.4dL/g之间的尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙1010、尼龙9、尼龙11、尼龙12、尼龙612中的一种或几种的混合物；

所述的相容剂为苯乙烯-马来酸酐共聚物SMA、苯乙烯-丙烯腈-马来酸酐共聚物SAM、聚烯烃接枝聚合物中的至少一种；

所述的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、含硫抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂中的至少一种；

所述的有机铜盐化合物为羧酸类铜盐化合物、硫代磷酸类铜盐化合物、硫代氨基甲酸类铜盐化合物和硫代烃基硼酸类铜盐化合物中的至少一种；

 所述的自由基捕捉剂为碳自由基捕捉剂；

所述的抗水解剂为碳化二亚胺、2-噁唑啉、三烯丙基异氰脲酸酯中的至少一种；     所述的润滑剂为乙撑双硬脂酰胺、硬脂酸盐中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的一种持续高温环境下使用的连续碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于，连续碳纤维增强尼龙复合材料是连续碳纤维浸渍了尼龙树脂制成的直径为2～6mm并按规定的要求切割为长度为2～30mm的棒状组合物；所述的棒状组合物中碳纤维平行于牵引方向并均匀排布。

3.一种制备如权利要求1中所述的持续高温环境下使用的连续碳纤维增强尼龙复合材料的方法，包含以下步骤：

      1）经干燥处理过的所述的尼龙树脂、相容剂、抗氧化剂、有机铜盐化合物、碳自由基捕捉剂、抗水解剂和润滑剂在高速混合机中混合均匀；

      2）将步骤1）得到的混合均匀的物料通过挤出机熔融挤出后经过浸渍机头充分浸渍连续碳纤维，通过控制挤出机的挤出量和连续碳纤维的加入量来控制尼龙复合材料中碳纤维的含量；

      3）将步骤2）得到的连续碳纤维浸渍料经牵引、冷却、定长切粒和干燥处理得到所述的连续碳纤维增强尼龙复合材料。