CN104559156A - 碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料及其制造方法，该复合材料包括以下质量百分比的原料：蒙脱土改性尼龙650～85％、碳纤维10～40％、相容剂0.5～5％、抗氧剂0.2～0.6％以及润滑剂0.5～5％；所述蒙脱土改性尼龙6为纳米蒙脱土经原位聚合法制备的蒙脱土尼龙6复合物。本发明采用原位聚合法制备的蒙脱土改性尼龙6作为基体，制备碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料，可以避免现有技术中因蒙脱土分散不均匀导致材料有缺陷等问题，具有很好的强度、刚性、抗变形性能，并具有优异的表面性能和良好的加工性能。

Description

碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及改性塑料技术领域，尤其涉及一种碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料及其制造方法。
背景技术
碳纤维增强塑料由于具有密度小、耐腐蚀、强度高等优点，在航空航天、电子电器、文体用品等诸多领域得到了越来越多的应用。纳米蒙脱土改性高分子材料已有20多年的研究历史，目前纳米蒙脱土改性尼龙6是最早实现工业化和商品化的材料，与普通尼龙6相比，其刚性、模量、耐热性、可加工性均有显著提高。
将纳米蒙脱土应用到纤维增强热塑性塑料的领域，可以使材料具有更加优异的性能。现有技术中，直接采用双螺杆挤出机通过熔融捏合法将纳米蒙脱土与树脂共混。然而，对于纳米级颗粒和树脂颗粒而言，首先，两者(纳米蒙脱土与树脂)在粒径和密度上差距很大，下料容易不均匀；其次，在熔融共混时纳米蒙脱土不能很均匀的分散到树脂基体中，不均匀的分散可能导致材料性能的下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有上述缺陷，提供一种具有很好的强度、刚性、抗变形性能，并具有优异的表面性能和良好的加工性能的碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料及其制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料，包括以下质量百分比的原料：
所述蒙脱土改性尼龙6为纳米蒙脱土经原位聚合法制备的蒙脱土尼龙6复合物。
优选地，所述碳纤维为连续碳纤维，其直径为5～15μm，丝束为3～48K。
优选地，所述相容剂为马来酸酐和丙烯酸酯双官能化的乙烯类弹性体。
优选地，所述抗氧剂为抗氧剂168和抗氧剂1098按1:1～3的重量比复配而成。
优选地，所述润滑剂为乙烯基双硬脂酰胺、季戊四醇硬脂酸酯及硅酮母粒中的一种或多种。
本发明还提供一种碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料的制造方法，包括以下步骤：
S1、按质量百分比称取以下原料：蒙脱土改性尼龙6、相容剂、抗氧剂以及润滑剂；
S2、将步骤S1中各原料预混合，投入到螺杆挤出机的喂料系统中，熔融共混形成熔体；
S3、将碳纤维从所述螺杆挤出机的排气口送进其中，经所述螺杆挤出机中螺杆和熔体的剪切作用剪碎，与各原料熔融共混后挤出、冷却、切粒；其中，通过控制所述螺杆挤出机的喂料速度和螺杆转速来控制所述碳纤维和熔体的质量百分比。
优选地，所述螺杆挤出机的工作温度为220～250℃。
本发明还提供另一种碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料的制造方法，包括以下步骤：
S1、按质量百分比称取以下原料：蒙脱土改性尼龙6、相容剂、抗氧剂以及润滑剂；
S2、将步骤S1中各原料预混合，投入到螺杆挤出机的喂料系统中，熔融共混形成熔体；
S3、将碳纤维放置在所述螺杆挤出机的挤出机头处，将所述熔体从所述挤出机头挤出并包覆在所述碳纤维上，通过控制牵引机牵引所述碳纤维的牵引速度来控制所述碳纤维和熔体的质量百分比。
优选地，所述螺杆挤出机的工作温度为220～250℃。
优选地，所述步骤S3中，所述挤出机头处设置有包覆模具，所述碳纤维和所述牵引机分别位于所述包覆模具两侧，所述碳纤维受所述牵引机牵引穿过所述包覆模具，所述熔体从挤出机头处挤出到所述包覆模具中并包覆在所述碳纤维上。
实施本发明具有以下有益效果：采用原位聚合法制备的蒙脱土改性尼龙6作为基体，制备碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料，可以避免现有技术中因蒙脱土分散不均匀导致材料有缺陷等问题，具有很好的强度、刚性、抗变形性能，并具有优异的表面性能和良好的加工性能。
具体实施方式
本发明的碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料，包括以下质量百分比的原料：
其中，蒙脱土改性尼龙6为纳米蒙脱土经原位聚合法制备的蒙脱土尼龙6复合物。原位聚合法即在聚合状态下直接将填充物(纳米蒙脱土)加到液态单体(尼龙)中，可使纳米蒙脱土片层以纳米尺寸分散在尼龙基体中，形成插层型与剥离型共存的纳米复合物。由于尼龙6是一种综合性能优良的工程塑料，经原位聚合法制备的蒙脱土改性的尼龙6拥有更好的拉伸和弯曲强度，且基本不会牺牲其冲击性能，此外其刚性、模量、耐热性、可加工性均有显著提高。该蒙脱土改性尼龙6作为基材，通过添加相容剂、抗氧剂、润滑剂等加工助剂，可以得到碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料。
相容剂为一种马来酸酐和丙烯酸酯双官能化的乙烯类弹性体(属于热塑性弹性体)。通过该相容剂引入的活性基团可以提高碳纤维与尼龙之间的粘结力，并且热塑性弹性体还具有良好的柔软性、高弹性和低温性能，可以提高复合材料的抗冲击性、耐寒性、成型加工性，以及降低吸水率。
在复合材料中，优选地，抗氧剂采用抗氧剂168和抗氧剂1098按1:1～3的重量比复配而成，可防止尼龙在加工过程的热氧化降解，使复合材料的成型加工能够顺利进行。
碳纤维为连续碳纤维。该碳纤维的直径为5～15μm，丝束为3～48K(3000～48000)。润滑剂为乙烯基双硬脂酰胺、季戊四醇硬脂酸酯(PETS)及硅酮母粒中的一种或多种。
上述的碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料可采用短切法或包覆法制得。
该碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料一实施例的制造方法(短切法)，可包括以下步骤：
S1、按质量百分比称取以下原料：蒙脱土改性尼龙6、相容剂、抗氧剂以及润滑剂。
S2、将步骤S1中各原料预混合，投入到螺杆挤出机的喂料系统中，熔融共混形成熔体。
S3、将碳纤维从螺杆挤出机的排气口送进其中，经螺杆挤出机中螺杆和熔体的剪切作用剪碎，与各原料熔融共混后挤出、冷却、切粒；其中，通过控制螺杆挤出机的喂料速度和螺杆转速来控制碳纤维和熔体的质量百分比，使得碳纤维在制得的复合材料中所在质量百分比为10～40％。
其中，螺杆挤出机的工作温度为220～250℃。具体地，螺杆挤出机采用双螺杆挤出机，其一区到九区的温度设置为220～250℃。螺杆挤出机的喂料速度可以控制预混原料进入螺杆中的速度，而螺杆转速可以控制碳纤维进入螺杆挤出机中的速度，通过两者相配合来控制碳纤维和熔体的质量百分比。
该碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料另一实施例的制造方法(包覆法)，可包括以下步骤：
S1、按质量百分比称取以下原料：蒙脱土改性尼龙6、相容剂、抗氧剂以及润滑剂。
S2、将步骤S1中各原料预混合，投入到螺杆挤出机的喂料系统中，熔融共混形成熔体。
S3、将碳纤维放置在螺杆挤出机的挤出机头处，将熔体从挤出机头挤出并包覆在碳纤维上，通过控制牵引机牵引碳纤维的牵引速度来控制碳纤维和熔体的占质量百分比，使得碳纤维在制得的复合材料中所在质量百分比为10～40％。
其中，螺杆挤出机的工作温度为220～250℃。具体地，螺杆挤出机采用双螺杆挤出机，其一区到九区的温度设置为220～250℃。在步骤S3中，挤出机头处设置有包覆模具，碳纤维受牵引机牵引穿过包覆模具，熔体从挤出机头处挤出到该包覆模具中并包覆在碳纤维上。
螺杆挤出机工作时，其喂料速度和螺杆转速以预设速度值进行，从而熔体以一定流出速度从挤出机头挤出，碳纤维所占质量百分比主要通过控制牵引速度来控制。牵引速度由牵引机实现；其中，牵引机牵引已经包覆上熔体的碳纤维，通过牵引快慢控制熔体在碳纤维上的包覆层的薄厚，从而控制碳纤维和熔体的质量百分比。
下面以具体实施例来对本发明作进一步说明。
实施例1
按质量百分比取各原料：蒙脱土改性尼龙6：50％；相容剂：4.5％；抗氧剂：0.5％；润滑剂：5.0％；将上述各原料预混后加入螺杆挤出机的喂料系统，将连续碳纤维从排气口送进螺杆挤出机，经螺杆和熔体的剪切作用剪碎，与各原料熔融共混后挤出、冷却、切粒(短切法)。螺杆挤出机一区到九区的温度设置为220～250℃，通过控制喂料速度和螺杆转速控制碳纤维含量为40％，切粒后即得碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料颗粒。
实施例2
按质量百分比取各原料：蒙脱土改性尼龙6：78.8％；相容剂：0.5％；抗氧剂：0.2％；润滑剂：0.5％；将上述各原料预混后加入螺杆挤出机的喂料系统，经螺杆挤出机熔融共混、挤出并通过机头处安装的包覆模具对连续碳纤维进行包覆(长纤包覆法)，螺杆挤出机一区到九区的温度设置为220～250℃，通过控制牵引机的牵引速度来控制碳纤维含量为20％，冷却切粒后即得碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料颗粒。
实施例3
按质量百分比取各原料：蒙脱土改性尼龙6：67.3％；相容剂：5％；抗氧剂：0.6％；润滑剂：2.1％；将上述各原料预混后加入螺杆挤出机的喂料系统，将连续碳纤维从排气口送进螺杆挤出机，经螺杆和熔体的剪切作用剪碎，与各原料熔融共混后挤出，冷却、切粒(短切法)。螺杆挤出机一区到九区的温度设置为220～250℃，通过控制喂料速度和螺杆转速控制碳纤维含量为25％，切粒后即得碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料颗粒。
实施例4
按质量百分比取各原料：蒙脱土改性尼龙6：85％；相容剂：2.5％；抗氧剂：0.5％；润滑剂：2％；将上述各原料预混后加入螺杆挤出机的喂料系统，经螺杆挤出机熔融共混、挤出并通过机头处安装的包覆模具对连续碳纤维进行包覆(长纤包覆法)，螺杆挤出机一区到九区的温度设置为220～250℃，通过控制牵引机的牵引速度来控制碳纤维含量为10％，冷却切粒后即得碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料颗粒。
上述各实施例制备的碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料的拉伸性能和弯曲性能分别参照ISO 527和ISO 178，利用电子万能试验机进行测试；试样缺口冲击强度利用数显式简支梁冲击试验机，参照ISO 179标准进行测试。各项性能测试数据见下表1。
表1.各实施例的性能测试数据
性能 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
拉伸强度(MPa) 235.5 239.6 205.1 130.9
弹性模量(GPa) 23.53 20.34 22.89 12.37
断裂伸长率(％) 0.81 1.18 0.89 1.22
弯曲强度(MPa) 340.6 337.3 290.1 153.5
弯曲模量(GPa) 17.20 17.31 16.58 8.52
缺口冲击强度(kJ/m2) 13.25 13.75 10.19 8.81
密度(g/cm3) 1.324 1.233 1.249 1.176
热变形温度(℃) 232 224 216 185
从上表可知，本发明中碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料具有较高的力学性能和热变形温度。
另外，本发明的碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料，其各原料质量百分比不限于上述实施例1-4，各原料还可取对应范围内的其它质量百分比，制得的碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料均具有材料强度高、刚性好、抗变形性能优异及加工性能优良等优点。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料，其特征在于，包括以下质量百分比的原料：
蒙脱土改性尼龙6     50~85%；
碳纤维              10~40%；
相容剂              0.5~5%；
抗氧剂             0.2~0.6%；以及
润滑剂             0.5~5%；
所述蒙脱土改性尼龙6为纳米蒙脱土经原位聚合法制备的蒙脱土尼龙6复合物。
2.根据权利要求1所述的碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料，其特征在于，所述碳纤维为连续碳纤维，其直径为5~15μm，丝束为3~48K。
3.根据权利要求1所述的碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料，其特征在于，所述相容剂为马来酸酐和丙烯酸酯双官能化的乙烯类弹性体。
4.根据权利要求1所述的碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料，其特征在于，所述抗氧剂为抗氧剂168和抗氧剂1098按1:1~3的质量比复配而成。
5.根据权利要求1所述的碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料，其特征在于，所述润滑剂为乙烯基双硬脂酰胺、季戊四醇硬脂酸酯及硅酮母粒中的一种或多种。
6.一种权利要求1所述的碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按质量百分比称取以下原料：蒙脱土改性尼龙6、相容剂、抗氧剂以及润滑剂；
S2、将步骤S1中各原料预混合，投入到螺杆挤出机的喂料系统中，熔融共混形成熔体；
S3、将碳纤维从所述螺杆挤出机的排气口送进其中，经所述螺杆挤出机中螺杆和熔体的剪切作用剪碎，与各原料熔融共混后挤出、冷却、切粒；其中，通过控制所述螺杆挤出机的喂料速度和螺杆转速来控制所述碳纤维和熔体的质量百分比 。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述螺杆挤出机的工作温度为220~250℃。
8.一种权利要求1所述的碳纤维增强蒙脱土改性尼龙6复合材料的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按质量百分比称取以下原料：蒙脱土改性尼龙6、相容剂、抗氧剂以及润滑剂；
S2、将步骤S1中各原料预混合，投入到螺杆挤出机的喂料系统中，熔融共混形成熔体；
S3、将碳纤维放置在所述螺杆挤出机的挤出机头处，将所述熔体从所述挤出机头挤出并包覆在所述碳纤维上，通过控制牵引机牵引所述碳纤维的牵引速度来控制所述碳纤维和熔体的质量百分比。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述螺杆挤出机的工作温度为220~250℃。
10.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述挤出机头处设置有包覆模具，所述碳纤维和所述牵引机分别位于所述包覆模具两侧，所述碳纤维受所述牵引机牵引穿过所述包覆模具，所述熔体从挤出机头处挤出到所述包覆模具中并包覆在所述碳纤维上。
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