CN103387706B

CN103387706B - 碳纤维增强炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN103387706B
Application number: CN201310359487.8A
Authority: CN
Inventors: 李大纲; 李穗奕; 游志培; 石兵; 石亚军; 王海莹
Original assignee: Nanjing Forestry University
Current assignee: Shandong Lvsen Wood-Plastic Composite Co., Ltd.
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2033-08-19
Also published as: CN103387706A

Abstract

本发明是碳纤维增强炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，包括将超高分子量聚乙烯粉末与木炭在蒸馏水中混合；将混合溶液置于研磨机中研磨并抽滤出水分；加入适量的短碳纤维，在超高速搅拌机中充分混合均匀，呈融溶状态的悬浮溶液；去除水分，然后将碳纤维/超高分子量聚乙烯/木碳粉和适量偶联剂的混合物置于干燥箱中干燥；打碎成粉；加入到双螺杆挤出机中进行混炼复合，挤出成型。优点：解决了碳纤维与炭粉/超高分子量聚乙烯在融熔复合过程中因质量太轻、易团聚、不易分散、不易复合的问题。本发明制备的复合材料表面光滑，可以任意弯曲而不被折断，具有极高的拉抻强度和拉伸弹性模量，是一种具有广泛应用前景的高性能复合材料。

Description

碳纤维增强炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及的是碳纤维增强炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，属于木塑复合材料技术领域。

背景技术

碳纤维是由不完全石墨结晶沿纤维轴向排列而成的一种多晶材料，碳含量一般在90%以上，常作为复合材料的增强体。它具有众多优异的性能，如强度高，模量大，而密度比率小；导热性能好，热膨胀系数低，热稳定性和抗热氧老化性较高；导电性好；耐摩擦性好，磨耗小，摩擦系数低，常用作抗磨减摩材料；化学性质稳定，耐腐蚀。因此，碳纤维被广泛用于航空航天、军事装备、体育用品等领域。

碳纤维具有密度低、强度和模量较高、导电性能优异、导热性好、热稳定性高、耐化学腐蚀等优点，但其抗冲击性能和高温氧化性能较差，因此常作为树脂、金属、陶瓷等材料的增强体得以应用。碳纤维增强树脂基复合材料是八十年代后期发展起来的一类新型材料，如今正受到越来越多的关注，因为其优异的性能，不仅广泛应用于军事、航空航天等领域，在民用领域也有着广阔的发展空间。

常见的碳纤维一般有聚丙烯腈碳纤维、沥青基碳纤维和纤维素基碳纤维，而聚丙烯腈碳纤维目前产量最高。

木炭在炭化烧制时并不会损坏其组织结构，各组织导管、细胞壁被完整炭化而形成了蜂窝状的多孔体。正因其丰富的孔隙结构和巨大的比表面积使其具有很强的吸附能力，能够有效地吸附空气中的有害气体，对水质的净化也能起到一定的作用。

如同干燥的海绵可以吸水，木炭在高温烧制时已蒸发掉了原木中的水分，其内部分散的无数孔隙使其具有较好的湿度调节作用。当环境湿度较高时，木炭能够吸收空气中的湿气，当环境干燥时则会释放已吸收的湿气，从而起到湿度调节作用。

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是以有机高分子材料为基体、碳纤维为增强材料，通过复合工艺制备而成，具有明显优于原组分性能的一类新型材料。它具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、便于大面积整体成型以及具有特殊电磁性能等特点，已经成为最重要的航空结构材料之一。

由于超高分子量聚乙烯熔体粘度极高, 加工比较困难,限制了其的应用，超高分子量聚乙烯通过改性,可以改变其缺陷, 提高了其加工流动性,可以达到增韧、增强、提高耐热以及抗磨损的性能。但是改性后的超高分子量聚乙烯的抗冲击性、耐磨性等物理机械性能较纯的超高分子量聚乙烯下降较多,下降的幅度随着超高分子量聚乙烯的比例降低而增加，因此使用碳纤维增强改性的超高分子量聚乙烯，使超高分子量聚乙烯的优异性能得到更为广泛研究和应用。

发明内容

本发明提出的是一种碳纤维增强炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其目的是解决碳纤维与炭粉/超高分子量聚乙烯在融熔复合过程中因质量太轻、易团聚、不易分散、不易复合等问题。

本发明的技术解决方案：一种碳纤维增强炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）用粉碎搅拌机将块状木炭粉打碎成细粉，60~70目后置于60℃恒温鼓风干燥箱中48小时，烘至绝干状态；

（2）将超高分子量聚乙烯粉末至于电热恒温鼓风干燥箱中在60℃下恒温干燥24小时；

（3）准确称取烘干的超高分子量聚乙烯粉末25%（按总质量计，wt%）与木炭粉在蒸馏水中混合42~62%，并用搅拌器在常温下搅拌10~30分钟至混合均匀；

（4）将混合均匀的超高分子量聚乙烯粉末和木炭粉混合溶液置于研磨机中研磨10~15次，并用真空泵抽滤出水分；

（5）将步骤（4）的混合均匀的超高分子量聚乙烯粉末和炭粉混合溶液加入10~30%不同长度的短碳纤维（长度范围1~5μm），加入蒸留水1000ml，马来酸酐偶联剂3%，在超高速搅拌机内搅拌均匀，选用的搅拌速度为15000~24000转/分钟，使三者充分混合，呈融溶状态的悬浮溶液；

（6）将步骤（5）的悬浮溶液置于旋转蒸发器中去除水分，然后将碳纤维/超高分子量聚乙烯/木碳粉三者的混合物置于电热恒温鼓风干燥箱中在60℃下恒温干燥24~48小时，使得混合物干燥；

（7）将步骤（6）得到的混合干燥物置于搅拌粉碎机中搅拌打碎成粉；

（8）将步骤（7）得到的将打碎成粉的三种材料混合物投入到双螺杆挤出机中进行混炼复合，复合温度为170~190℃，螺杆旋转方向设置为同向旋转，螺杆转速为30~50rpm，混合10~20min；

（9）混合完成后挤出成型，样条放置在20士2℃，相对湿度为50士5%的恒温恒湿环境中至少40小时。

本发明的优点：本发明解决了碳纤维与炭粉/超高分子量聚乙烯在融熔复合过程中因质量太轻、易团聚、不易分散、不易复合的问题。本发明制备的复合材料表面光滑，可以任意弯曲而不被折断，具有极高的拉抻强度和拉伸弹性模量，是一种具有广泛应用前景的高性能复合材料。

附图说明

图1是碳纤维的长度为1mm样品断面的扫描电镜照片（放大倍数800倍）。

图2是碳纤维的长度为2~3mm样品断面的扫描电镜照片（放大倍数1200倍）。

图3是碳纤维的长度为5mm样品断面的扫描电镜照片（放大倍数1500倍）。

具体实施方式

一种碳纤维增强炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（6）将步骤（5）的悬浮溶液置于旋转蒸发器中去除水分，然后将碳纤维/超高分子量聚乙烯/木碳粉三者的混合物置于电热恒温鼓风干燥箱中在60℃下恒温干燥24~48小时，使得混合物干燥;

（9）混合完成后挤出成型。

所述的步骤（2）中的超高分子量聚乙烯密度为300万分子量。

所述的步骤（3）以水为分散相，将超高分子量聚乙烯粉末与炭纤维在蒸馏水中混合均匀，相互包容，相互复合。

所述的步骤（4），由于商业购买来的超高分子量聚乙烯粉末和炭粉粒径大小不均，直接使用会影响产品的质量，所以采用加入水中进行湿混预处理。

所述的步骤（5）为了使碳纤维能与混合均匀的超高分子量聚乙烯和炭粉混合液更进一步充分混合，从而达到有效复合的结果，将三者置于超高速搅拌机中进行高速混合，选用的搅拌速度为15000~20000转/分钟。

所述的步骤（6）主要目的是为了去除水分，可以是旋转蒸发器，也可以用真空抽滤法或用其它方法去除水分。

所述的步骤（7）是因为物料干燥后，会结团或结块，影响后道工续使用，因此将其破碎，方便加料。

所述的步骤（8），此步骤进入复合混融阶段，可以视具体产品的需求进行设计，例如：可以有各种不同配方，加入各种不同助剂、进行不同工艺的各种组合。

所述的步骤（9），可以真接挤出成型，也可进行造粒加工，作为其它产品的原料，如可以进行模压成型，或进行注塑成型。

所述的碳纤维，是普通市售的回收废弃的碳纤维短纤维，或为制备炭纤维成品加工过程中废弃的碳纤维下解料，价格非常低廉。

实施例1

碳纤维的填充量分别为10%（按总质量计，wt%），碳纤维的长度为1mm，马来酸酐偶联剂添加量为3%，超高分子量聚乙烯添加量为25%，炭粉添加量为62%，将混合均匀后的物料投入到双螺杆挤出机中进行混炼复合。混合温度为170℃，螺杆旋转方向设置为同向旋转，螺杆转速为30rpm，混合10min。

实施例2

碳纤维的填充量分别为20%（按总质量计，wt%），碳纤维的长度为1mm，马来酸酐偶联剂添加量为3%，超高分子量聚乙烯添加量为25%，炭粉添加量为52%，将混合均匀后的物料投入到双螺杆挤出机中进行混炼复合。混合温度为180℃，螺杆旋转方向设置为同向旋转，螺杆转速为30rpm，混合10min。

实施例3

碳纤维的填充量分别为30%（按总质量计，wt%），碳纤维的长度为1mm，马来酸酐偶联剂添加量为3%，超高分子量聚乙烯添加量为25%，炭粉添加量为42%，将混合均匀后的物料投入到双螺杆挤出机中进行混炼复合。混合温度为190℃，螺杆旋转方向设置为同向旋转，螺杆转速为30rpm，混合10min。

实施例4

碳纤维的填充量分别为10%（按总质量计，wt%），碳纤维的长度为2~3mm，马来酸酐偶联剂添加量为3%，超高分子量聚乙烯添加量为25%，炭粉添加量为62%，将混合均匀后的物料投入到双螺杆挤出机中进行混炼复合。混合温度为170℃，螺杆旋转方向设置为同向旋转，螺杆转速为30rpm，混合10min。

实施例5

碳纤维的填充量分别为20%（按总质量计，wt%），碳纤维的长度为2~3mm，马来酸酐偶联剂添加量为3%，超高分子量聚乙烯添加量为25%，炭粉添加量为52%，将混合均匀后的物料投入到双螺杆挤出机中进行混炼复合。混合温度为180℃，螺杆旋转方向设置为同向旋转，螺杆转速为30rpm，混合10min。

实施例6

碳纤维的填充量分别为30%（按总质量计，wt%），碳纤维的长度为2~3mm，马来酸酐偶联剂添加量为3%，超高分子量聚乙烯添加量为25%，炭粉添加量为42%，将混合均匀后的物料投入到双螺杆挤出机中进行混炼复合。混合温度为190℃，螺杆旋转方向设置为同向旋转，螺杆转速为30rpm，混合10min。

实施例7

碳纤维的填充量分别为10%（按总质量计，wt%），碳纤维的长度为5mm以上，马来酸酐偶联剂添加量为3%。超高分子量聚乙烯添加量为25%，炭粉添加量为62%，将混合均匀后的物料投入到双螺杆挤出机中进行混炼复合。混合温度为170℃，螺杆旋转方向设置为同向旋转，螺杆转速为30rpm，混合10min。

实施例8

碳纤维的填充量分别为20%（按总质量计，wt%），碳纤维的长度为5mm以上，马来酸酐偶联剂添加量为3%。超高分子量聚乙烯添加量为25%，炭粉添加量为52%，将混合均匀后的物料投入到双螺杆挤出机中进行混炼复合。混合温度为180℃，螺杆旋转方向设置为同向旋转，螺杆转速为30rpm，混合10min。

实施例9

碳纤维的填充量分别为30%（按总质量计，wt%），碳纤维的长度为5mm以上，马来酸酐偶联剂添加量为3%。超高分子量聚乙烯添加量为25%，炭粉添加量为42%，将混合均匀后的物料投入到双螺杆挤出机中进行混炼复合。混合温度为190℃，螺杆旋转方向设置为同向旋转，螺杆转速为30rpm，混合10min。

实施例10：三种配方复合材料的拉伸性能：

表1是碳纤维添加量为2%，碳纤维长度为5mm复合材料的三种配方：

当超高分子量聚乙烯含量占复合材料的40%时：不加碳纤维时的复合材料抗弯弹性模量为1.47GPa,添加1%的碳纤维后复合材料的抗弯弹性模量为2.54GPa，添加2%的碳纤维后复合材料的抗弯弹性模量3.15GPa，随着碳纤维含量的增加，复合材料的抗弯弹性模量逐渐增大；

当超高分子量聚乙烯含量占复合材料的50%时：不加碳纤维时的复合材料抗弯弹性模量为1.89GPa,添加1%的碳纤维后复合材料的抗弯弹性模量为2.91GPa，添加2%的碳纤维后复合材料的抗弯弹性模量3.41GPa，随着碳纤维含量的增加，复合材料的抗弯弹性模量逐渐增大；

当超高分子量聚乙烯含量占复合材料的60%时：不加碳纤维时的复合材料抗弯弹性模量为1.97GPa,添加1%的碳纤维后复合材料的抗弯弹性模量为2.95GPa，添加2%的碳纤维后复合材料的抗弯弹性模量4.56GPa，随着碳纤维含量的增加，复合材料的抗弯弹性模量逐渐增大。

实施例11四种不同配方样品的吸水性能：

表2是四种碳纤维添加为3%，碳纤维长度为5mm复合材料的配方：

吸水性能测试：

吸湿率是指试样经过吸水后的质量减去吸水浴之前质量的差值与吸水之前质量的百分比。将待测的试样制备长×宽×高分别为50mm×20mm×1mm，进行吸水率及尺寸变化率的测试。首先将试样在（20±2）℃，相对湿度（65±5）%的条件下放置48小时至恒重，分别测试试样的初始质量为m0，初始厚度t0。将试样置于 pH值为7±1，温度设定值为30℃的电热恒温水槽中，试件垂直于水平面并保持水面高于试件上表面，试件下表面与水槽底部保持一定距离。试件在水槽中浸泡72小时后取出，并擦去表面附水，在10min内完成测量。吸水后质量为m1，厚度为t1。

试件吸水率按以下公式进行计算：

式中：W—试件72小时吸水率，%；

m0—试件浸水前的质量，g；

m1—试件72小时浸水后的质量，g。

试件吸水尺寸变化率按以下公式计算：

式中：L—吸水尺寸变化率，%

t0—试件浸水前的厚度，mm

t1—试件浸水后的厚度，mm

表3 不同配方的复合材料含水率和膨胀率数据，如表中所示，

Claims

1.碳纤维增强炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其特征是该方法包括如下步骤：

（3）准确称取烘干的超高分子量聚乙烯粉末质量百分数25%与木炭粉质量百分数42~62%在蒸馏水中混合，并用搅拌器在常温下搅拌10~30分钟至混合均匀；

（5）将步骤（4）的混合均匀的超高分子量聚乙烯粉末和炭粉混合溶液加入10~30%不同长度的短碳纤维，长度范围1~5μm，加入蒸馏水1000ml，马来酸酐偶联剂3%，在超高速搅拌机内搅拌均匀，选用的搅拌速度为15000~24000转/分钟，使三者充分混合，呈融溶状态的悬浮溶液；

（9）混合完成后挤出成型。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其特征是所述的步骤（1）中的木炭粉，也可以是竹炭粉。

3.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其特征是所述的步骤（2）中的超高分子量聚乙烯密度为300万分子量。