CN104086924A - 一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料及其制备方法，包括短碳纤维和热塑性树脂基体聚偏氟乙烯；其中，短碳纤维的质量百分比含量为5-40％，热塑性树脂基体聚偏氟乙烯的质量百分比含量为60-95％。与现有技术相比，本发明具有方法相对简单，并适于工业化加工生产等优点。

Description

一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于碳纤维复合材料技术领域，具体涉及一种碳纤维增强热塑性树脂聚偏氟乙烯复合材料(PVDF/CF)及其制备方法。

背景技术

碳纤维是一种含碳量在95％以上的新型纤维材料。碳纤维具有许多优异的性能，包括低密度(1.75-2.18g/cm³)，高拉伸强度(2-7GPa)，良好的抗压强度(可达3GPa)，高拉伸模量(200-900GPa)，良好的耐高温性能，低热膨胀率，优异的导电导热性能和化学惰性等。碳纤维主要用于增强高分子、金属及陶瓷等材料，其中碳纤维增强高分子复合材料由于具有轻质高强高模等优点，能够显著降低部件的质量起到节能环保作用，而广泛应用于国防军事、航空航天、新能源、汽车以及体育休闲用品等领域。

聚偏氟乙烯是氟塑料中产量排名第二的热塑性树脂，具有良好加工性、耐化学腐蚀性、耐高温性、抗疲劳、压电性和介电性等。聚偏氟乙烯是石油化工设备泵、阀门、管道、管路配件、储槽和热交换器的最佳材料之一。将碳纤维与聚偏氟乙烯复合能够得到力学性能和功能性兼具的复合材料。专利EP0062732(B1)利用碳纤维增强聚偏氟乙烯制备出高强度、耐酸腐蚀、低收缩率的复合材料。该专利中碳纤维含量小于20wt％，不能够对聚偏氟乙烯充分增强。专利CN201907651(U)将聚偏氟乙烯压电薄膜传感器对称覆盖在碳纤维薄皮上，形成聚偏氟乙烯智能传感机翼。该专利只是将碳纤维薄片和热塑性树脂聚偏氟乙烯简单贴合在一起，并未将两者本体充分混合形成复合材料。专利CN102040761(A)利用碳纤维填充热塑性树脂(如聚偏氟乙烯)制备力学性能良好的高导热复合材料，其中碳纤维含量在5-35wt％。该专利将碳纤维作为导热填料填充到热塑性树脂中，但并未对此种复合材料的力学性能进行研究说明。

碳纤维对热塑性树脂聚偏氟乙烯有明显的增强作用，碳纤维含量越高，对复合材料的增强作用越显著。国内外还未有关于高碳纤维含量(超过30wt％)对聚偏氟乙烯增强作用的相关专利，对于这种热塑性复合材料的制备也没有适于工业化生产的方法。而在高碳纤维含量下，不仅提高复合材料的力学性能，扩展碳纤维增强热塑性树脂聚偏氟乙烯复合材料(PVDF/CF)的应用，更能降低制品的质量。碳纤维增强热塑性树脂聚偏氟乙烯复合材料(PVDF/CF)是一种有待进一步开发的高强材料。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可显著提高材料的力学性能、方法简单、并适用于工业化生产的碳纤维增强热塑性树脂复合材料。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料，其特征在于，包括短碳纤维和热塑性树脂基体聚偏氟乙烯；其中，短碳纤维的质量百分比含量为5-40％，热塑性树脂基体聚偏氟乙烯的质量百分比含量为60-95％。

所述的短碳纤维包括沥青基、聚丙烯腈基或粘胶基碳纤维，短碳纤维长度在10um-30mm之间。

所述的短碳纤维优选高拉伸强度的聚丙烯腈基碳纤维。

所述的短碳纤维的质量百分比含量优选40％。

所述的热塑性树脂基体聚偏氟乙烯包括注塑级、挤出级、填充级、板材级或阻燃级等的粒料或粉体，熔点为165-172℃，密度为1.77-1.79g/m³。

所述的热塑性树脂基体聚偏氟乙烯优选注塑级或挤出级的聚偏氟乙烯粒料或粉体。

一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，其特征在于，将原料短碳纤维和热塑性树脂基体聚偏氟乙烯充分干燥，然后在180-195℃之间进行熔融共混，利用模具将共混物在195-210℃之间和压力15MPa下，成型为所需尺寸和形状的板材，得到碳纤维增强热塑性树脂聚偏氟乙烯复合材料。

所述的原料还包括加工助剂，所述的加工助剂包括抗氧剂、偶联剂、阻燃剂、相容剂中的一种或几种。

所述的干燥为70℃下干燥12小时。

所述的熔融共混在双螺杆挤出机、开炼机或密炼机中进行；所述的成型的方法包括注射成型、热压成型、挤出成型或层压成型。

所述的制备方法中，碳纤维增强热塑性树脂聚偏氟乙烯复合材料(PVDF/CF)的切割方法可以是机械切割、水刀切割、数控切割、激光切割和超声切割。水刀切割对切口材料微观组织基本没有影响，本发明实施例中选用水刀切割样品为长和宽分别是10cm和1cm的测试样条。

与现有技术相比，本发明通过将短碳纤维与热塑性树脂聚偏氟乙烯熔融共混，再通过热压成型制备出高碳纤维含量的复合材料，显著提高了碳纤维增强热塑性树脂聚偏氟乙烯复合材料(PVDF/CF)的力学性能，利用万能电子拉力机测试其弯曲性能(测试标准为ASTM D790-2003)，在40wt％的碳纤维含量下，碳纤维增强热塑性树脂聚偏氟乙烯复合材料(PVDF/CF)的弯曲强度和模量相较于纯聚偏氟乙烯材料分别提高44％和275％。本方法相对简单，并适于工业化的加工生产。

附图说明

图1为本发明PVDF/CF的SEM图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

将长度为10mm的短碳纤维(东丽T70012K)和热塑性树脂聚偏氟乙烯(Kynar720)在70℃下干燥12小时。取4g干燥后的短碳纤维与76g聚偏氟乙烯在转矩流变仪(HAKKE Polyab OS)中进行熔融共混，温度185℃，转速50r/min，共混时间10min，使得碳纤维均匀分散在树脂基体聚偏氟乙烯中。利用模具在高温平板硫化机(XLB-D)上将共混物热压成型为10cm×10cm×2mm的板材，工艺参数为：温度195℃，压力15MPa，热压时间6min。使用超高压水流切割机(Waterjet pro)将板材切割成所需大小的测试样条。万能电子拉力机(Instron4465)测试复合材料的弯曲性能。

本实施例制备的5wt％碳纤维含量PVDF/CF，弯曲强度为48MPa，弯曲模量为2697MPa。相较于比较例1中的纯聚偏氟乙烯材料，5wt％碳纤维含量PVDF/CF的弯曲强度和模量分别提高7％和20％。

实施例2

将长度为10mm的短碳纤维(东丽T70012K)和热塑性树脂聚偏氟乙烯(Kynar720)在70℃下干燥12小时。取16g干燥后的短碳纤维与64g聚偏氟乙烯在转矩流变仪(HAKKE Polyab OS)中进行熔融共混，温度185℃，转速50r/min，共混时间10min，使得碳纤维均匀分散在树脂基体聚偏氟乙烯中。其它如实施例1。

本实施例制备的20wt％碳纤维含量PVDF/CF，弯曲强度为55MPa，弯曲模量为5327MPa。相较于比较例1中的纯聚偏氟乙烯材料，20wt％碳纤维含量PVDF/CF的弯曲强度和模量分别提高22％和136％。20wt％碳纤维含量PVDF/CF的断面的扫描电镜图片如图1所示，碳纤维均匀分散在树脂基体聚偏氟乙烯中，两者界面结合良好。

实施例3

将长度为10mm的短碳纤维(东丽T70012K)和热塑性树脂聚偏氟乙烯(Kynar720)在70℃下干燥12小时。取32g干燥后的短碳纤维与48g聚偏氟乙烯在转矩流变仪(HAKKE Polyab OS)中进行熔融共混，温度185℃，转速50r/min，共混时间10min，使得碳纤维均匀分散在树脂基体聚偏氟乙烯中。其它如实施例1。

本实施例制备的40wt％碳纤维含量PVDF/CF，弯曲强度为65MPa，弯曲模量为8451MPa。相较于比较例1中的纯聚偏氟乙烯材料，40wt％碳纤维含量PVDF/CF的弯曲强度和模量分别提高44％和275％。可以看出，随着碳纤维含量的增加，复合材料的力学性能显著提高。

比较例1

将热塑性树脂聚偏氟乙烯(Kynar720)在70℃下干燥12小时。取80g聚偏氟乙烯在转矩流变仪(HAKKE Polyab OS)中进行熔融共混，温度185℃，转速50r/min，共混时间10min。其它如实施例1。

本比较例制备的纯聚偏氟乙烯材料，弯曲强度为45MPa，弯曲模量为2254MPa。

比较例2

将长度为10mm的短碳纤维(东丽T70012K)和热塑性树脂聚偏氟乙烯(Kynar720)在70℃下干燥12小时。取40g干燥后的短碳纤维与40g聚偏氟乙烯在转矩流变仪(HAKKE Polyab OS)中进行熔融共混，温度185℃，转速50r/min，共混时间10min，使得碳纤维均匀分散在树脂基体聚偏氟乙烯中。其它如实施例1。

本比较例制备的50wt％碳纤维含量PVDF/CF，弯曲强度为62MPa，弯曲模量为8013MPa。理论上，复合材料的强度应该随着碳纤维含量的增加而提高。但在本比较例中，相较于40wt％碳纤维含量PVDF/CF复合材料，50wt％碳纤维含量PVDF/CF的弯曲强度和弯曲模量稍有下降。这可能是因为在碳纤维的含量为50wt％时，碳纤维含量过高，难以在树脂基体中均匀分散，因而导致碳纤维增强聚偏氟乙烯复合材料的力学性能降低。而碳纤维本身价格又相对昂贵，所以综合力学性能和成本因素，50wt％碳纤维含量的PVDF/CF是不合理的。

实施例4

一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，将长度在10um、质量百分比含量为30％短碳纤维和质量百分比含量为70％热塑性树脂基体聚偏氟乙烯(熔点为165℃，密度为1.77g/m³)充分干燥，然后在双螺杆挤出机180℃之间进行熔融共混、造粒，在195℃下注射成型为所需尺寸和形状的板材，得到碳纤维增强热塑性树脂聚偏氟乙烯复合材料。

实施例5

一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，将长度在30mm、质量百分比含量为40％短碳纤维和质量百分比含量为60％热塑性树脂基体聚偏氟乙烯(熔点为172℃，密度为1.79g/m³)充分干燥，然后在双螺杆挤出机195℃进行熔融共混、造粒，在210℃下注射成型为所需尺寸和形状的板材，得到碳纤维增强热塑性树脂聚偏氟乙烯复合材料。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修饰对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料，其特征在于，包括短碳纤维和热塑性树脂基体聚偏氟乙烯；其中，短碳纤维的质量百分比含量为5-40％，热塑性树脂基体聚偏氟乙烯的质量百分比含量为60-95％。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料，其特征在于，所述的短碳纤维包括沥青基、聚丙烯腈基或粘胶基碳纤维，短碳纤维长度在10um-30mm之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料，其特征在于，所述的短碳纤维优选高拉伸强度的聚丙烯腈基碳纤维。

4.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料，其特征在于，所述的短碳纤维的质量百分比含量优选40％。

5.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料，其特征在于，所述的热塑性树脂基体聚偏氟乙烯包括注塑级、挤出级、填充级、板材级或阻燃级等的粒料或粉体，熔点为165-172℃，密度为1.77-1.79g/m³。

6.根据权利要求1或5所述的一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料，其特征在于，所述的热塑性树脂基体聚偏氟乙烯优选注塑级或挤出级的聚偏氟乙烯粒料或粉体。

7.一种如权利要求1所述的碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，其特征在于，将原料短碳纤维和热塑性树脂基体聚偏氟乙烯充分干燥，然后在180-195℃之间进行熔融共混，利用模具将共混物在195-210℃之间和压力15MPa下，成型为所需尺寸和形状的板材，得到碳纤维增强热塑性树脂聚偏氟乙烯复合材料。

8.根据权利要求7所述的一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述的原料还包括加工助剂，所述的加工助剂包括抗氧剂、偶联剂、阻燃剂、相容剂中的一种或几种。

9.根据权利要求7所述的一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述的干燥为70℃下干燥12小时。

10.根据权利要求7所述的一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述的熔融共混在双螺杆挤出机、开炼机或密炼机中进行；所述的成型的方法包括注射成型、热压成型、挤出成型或层压成型。