CN104086989A - 一种高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料及其制备方法，其由以下原料按如下质量比组成：树脂基体100份、碳纤维20份、碳纤维球5～50份、抗氧剂0.5～2.5份以及润滑剂0.5～5份组成。本发明属于工程塑料改性领域，以可回收碳纤维球改性碳纤维复合材料，在保持原有性能的基础上大幅提高材料的韧性和尺寸稳定性，所采用的碳纤维球可再生循环使用，大幅缩减成本的同时符合绿色发展的环保理念。所制备复合材料具有高冲击和优异的尺寸稳定性，制备工艺简单，适于大规模工业化生产。

Description

一种高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料及其制备方法
技术领域
本发明提供了一种高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料及其制备方法，属于工程塑料改性领域。
背景技术
碳纤维是由碳元素组成的一种特殊纤维，主要用于与树脂、金属和陶瓷等基体材料复合，其中增强树脂的复合材料以高强度和耐腐蚀等特性广泛用于电子电器、火箭及航空等高端产品和尖端学科领域。
碳纤维改性聚酰胺复合材料在拉伸强度和弯曲强度有优异的表现，随着碳纤维复合材料的推广和普及，在韧性和成本方面存在的不足急需解决。
发明内容
本发明提供了一种高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料及其制备方法，其在保持原有性能的基础上大幅提高了材料的韧性（高冲击）和尺寸稳定性，所采用的碳纤维球可再生循环使用，大幅缩减成本的同时符合绿色发展的环保理念。
所述的一种高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料，由以下组份按重量份制备而成：
树脂基体    100份
碳纤维      20份
碳纤维球    5～50份
抗氧剂      0.5～2.5份
润滑剂      0.5～5份
所述的树脂基体优选为尼龙6或尼龙66。
所述的碳纤维为长度4-7mm的短切碳纤维。
所述的碳纤维球粒径为5～25μm，纤维长度为50～200μm。
所述的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺和亚磷酸酯抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯。
所述的润滑剂为次乙基双硬脂酰胺、乙烯-丙烯酸共聚物或季戊四醇硬脂酸酯。
所述的一种高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）按以下比例配备原料：树脂基体100份、碳纤维20份、碳纤维球5～50份、抗氧剂0.5～2.5份以及润滑剂0.5～5份组成；
（2）将上述原料一起置于高速混合机搅拌分散10～30min；
（3）将分散后的原料通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得碳纤维球改性复合材料。
本发明以可回收碳纤维球改性碳纤维复合材料，在保持原有性能的基础上大幅提高材料的韧性和尺寸稳定性，所采用的碳纤维球可再生循环使用，大幅缩减成本的同时符合绿色发展的环保理念。所制备复合材料具有高冲击和优异的尺寸稳定性，制备工艺简单，适于大规模工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明内容进行进一步的说明，但所述实施例并非是对本发明实质精神的简单限定，任何基于本发明实质精神所作出的简单变化或等同替换均应属于本发明所要求保护的范围之内。
制备的样品在23℃、50%湿度环境下调节后，分别采用ASTM D256和ASTM D955检测复合材料冲击强度和收缩率。
本发明的具体实施例如下：
实例1
（1）按以下比例配备原料：
PA6基体    100份
碳纤维      20份
碳纤维球    5份
抗氧剂N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺    0.5份
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯     0.5份
润滑剂次乙基双硬脂酰胺      0.5份
（2）将上述原料一起置于高速混合机搅拌分散10min；
（3）将分散后的原料通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得碳纤维球改性复合材料。
    所制得的高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料性能见表一。
 
实例2
（1）按以下比例配备原料：
PA6基体    100份
碳纤维      20份
碳纤维球    15份
抗氧剂N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺    1份
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯     0.5份
润滑剂次乙基双硬脂酰胺      1.5份
（2）将上述原料一起置于高速混合机搅拌分散15min；
（3）将分散后的原料通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得碳纤维球改性复合材料。
    所制得的高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料性能见表一。
 
实例3
（1）按以下比例配备原料：
PA6基体    100份
碳纤维      20份
碳纤维球    25份
抗氧剂N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺    1.2份
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯     0.8份
润滑剂次乙基双硬脂酰胺      2.5份
（2）将上述原料一起置于高速混合机搅拌分散20min；
（3）将分散后的原料通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得碳纤维球改性复合材料。
    所制得的高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料性能见表一。
 
实例4
（1）按以下比例配备原料：
PA6基体    100份
碳纤维      20份
碳纤维球    35份
抗氧剂N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺    1.2份
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯     1份
润滑剂乙烯-丙烯酸共聚物      3.5份
（2）将上述原料一起置于高速混合机搅拌分散25min；
（3）将分散后的原料通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得碳纤维球改性复合材料。
    所制得的高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料性能见表一。
 
实例5
（1）按以下比例配备原料：
PA6基体    100份
碳纤维      20份
碳纤维球    50份
抗氧剂N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺    1.5份
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯     1份
润滑剂季戊四醇硬脂酸酯      5份
（2）将上述原料一起置于高速混合机搅拌分散30min；
（3）将分散后的原料通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得碳纤维球改性复合材料。
    所制得的高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料性能见表一。
 
实例6
（1）按以下比例配备原料：
PA66基体    100份
碳纤维      20份
碳纤维球    5份
抗氧剂N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺    0.5份
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯     0.5份
润滑剂次乙基双硬脂酰胺      0.5份
（2）将上述原料一起置于高速混合机搅拌分散10min；
（3）将分散后的原料通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得碳纤维球改性复合材料。
    所制得的高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料性能见表一。
 
实例7
（1）按以下比例配备原料：
PA66基体    100份
碳纤维      20份
碳纤维球    15份
抗氧剂N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺    1份
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯     0.5份
润滑剂次乙基双硬脂酰胺      1.5份
（2）将上述原料一起置于高速混合机搅拌分散15min；
（3）将分散后的原料通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得碳纤维球改性复合材料。
    所制得的高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料性能见表一。
 
实例8
（1）按以下比例配备原料：
PA66基体    100份
碳纤维      20份
碳纤维球    25份
抗氧剂N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺    1.2份
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯     0.8份
润滑剂次乙基双硬脂酰胺      2.5份
（2）将上述原料一起置于高速混合机搅拌分散20min；
（3）将分散后的原料通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得碳纤维球改性复合材料。
    所制得的高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料性能见表一。
 
实例9
（1）按以下比例配备原料：
PA66基体    100份
碳纤维      20份
碳纤维球    35份
抗氧剂N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺    1.2份
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯     1份
润滑剂乙烯-丙烯酸共聚物      3.5份
（2）将上述原料一起置于高速混合机搅拌分散25min；
（3）将分散后的原料通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得碳纤维球改性复合材料。
    所制得的高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料性能见表一。
 
实例10
（1）按以下比例配备原料：
PA66基体    100份
碳纤维      20份
碳纤维球    50份
抗氧剂N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺    1.5份
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯     1份
润滑剂季戊四醇硬脂酸酯      5份
（2）将上述原料一起置于高速混合机搅拌分散30min；
（3）将分散后的原料通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得碳纤维球改性复合材料。
    所制得的高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料性能见表一。
 
对照实例1
（1）按以下比例配备原料：
PA6基体    100份
碳纤维      20份
抗氧剂N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺    1.2份
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯     0.8份
润滑剂次乙基双硬脂酰胺      2.5份
（2）将上述原料一起置于高速混合机搅拌分散15min；
（3）将分散后的原料通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得碳纤维球改性复合材料。
    所制得的碳纤维复合材料性能见表一。
 
对照实例2
（1）按以下比例配备原料：
PA66基体    100份
碳纤维      20份
抗氧剂N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺    1.2份
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯     0.8份
润滑剂次乙基双硬脂酰胺      2.5份
（2）将上述原料一起置于高速混合机搅拌分散15min；
（3）将分散后的原料通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得碳纤维球改性复合材料。
    所制得的碳纤维复合材料性能见表一。
表一：
性能 缺口冲击强度（kJ/m2） 收缩率（%）
实例1 21 1.4
实例2 25 1.1
实例3 29 0.8
实例4 34 0.6
实例5 17 0.5
实例6 20 1.8
实例7 23 1.5
实例8 25 1.0
实例9 26 0.7
实例10 24 0.4
对照实例1 18 1.7
对照实例2 15 2.0
通过本方法制备的高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料，冲击性能得到提高，同时降低了收缩率。通过表1中数据可知，根据本专利制备的碳纤维球改性碳纤维尼龙6复合材料，冲击强度最高为34kJ/m2，较改性前（对比实例1）相比提高89%，收缩率最小为0.5%，是改性前的29%；根据本专利制备的碳纤维球改性碳纤维尼龙66复合材料，冲击强度最高为26kJ/m2，较改性前（对比实例2）相比提高73%，收缩率最小为0.4%，是改性前的20%。本发明以可回收碳纤维球改性碳纤维复合材料，提高了材料的韧性和尺寸稳定性，所采用的碳纤维球可再生循环使用，大幅缩减成本的同时符合绿色发展的环保理念。制备工艺简单，适于大规模工业化生产。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料，其特征在于，由以下组份按重量份制备而成：
树脂基体    100份
碳纤维      20份
碳纤维球    5～50份
抗氧剂      0.5～2.5份
润滑剂      0.5～5份。
2.根据权利要求1所述的一种高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料，其特征在于：所述的树脂基体为尼龙6或尼龙66。
3.根据权利要求1所述的一种高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料，其特征在于：所述的碳纤维为长度4-7mm的短切碳纤维。
4.根据权利要求1所述的一种高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料法，其特征在于：所述的碳纤维球粒径为5～25μm，纤维长度为50～200μm。
5.根据权利要求1所述的一种高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺和亚磷酸酯抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯。
6.根据权利要求1所述的一种高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料，其特征在于：所述的润滑剂为次乙基双硬脂酰胺、乙烯-丙烯酸共聚物或季戊四醇硬脂酸酯。
7.权利要求1-6任一项所述的一种高抗冲、可再生碳纤维球改性碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按以下比例配备原料：树脂基体100份、碳纤维20份、碳纤维球5～50份、抗氧剂0.5～2.5份以及润滑剂0.5～5份组成；
（2）将上述原料一起置于高速混合机搅拌分散10～30min；
（3）将分散后的原料通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得碳纤维球改性复合材料。
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