CN105037937A - 一种汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料 - Google Patents

一种汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料，按照质量份数的原料由聚丙烯50-70份、碳纤维10-24份、锦纶纤维15-25份、抗氧剂0.2-0.5份、滑石粉5-15份、乙丙橡胶5-8份、植物油6-10份和阻燃粉3-5份组成。本发明先利用硅烷偶联剂对碳纤维进行预处理，极大地提高了碳纤维的改性效果；将改性后的碳纤维同锦纶纤维一起添加至聚丙烯中，经混合、熔融、挤出、造粒后制得的碳纤维增强聚丙烯复合材料具有较低的密度、较高的拉伸强度、较大的弯曲模量及较强的缺口冲击强度，具有较高的综合力学性能，满足了汽车部件轻量化使用要求。

Description

一种汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料
技术领域
本发明涉及聚丙烯复合材料领域，具体是一种汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料。
背景技术
碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。由于碳纤维具有高强度、低密度、高耐温、耐水、耐腐蚀等优点，可作为一种优良的增强材料，将碳纤维添加至高聚物得到增强的高聚物复合材料，可以明显提高高聚物的综合性能。
碳纤维增强聚丙烯材料就是利用碳纤维对聚丙烯材料进行增强而制得的一种材料。在其制备过程中，由于碳纤维与聚丙烯的相容性较差，为提高碳纤维与聚丙烯相容的结合性，通常要对碳纤维进行表面改性，然而受到改性剂的限制，制备出的碳纤维增强聚丙烯的力学性能较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有较低的密度、较高的拉伸强度、较大的弯曲模量及较强的缺口冲击强度的汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料，按照质量份数的原料由聚丙烯50-70份、碳纤维10-24份、锦纶纤维15-25份、抗氧剂0.2-0.5份、滑石粉5-15份、乙丙橡胶5-8份、植物油6-10份和阻燃粉3-5份组成。
作为本发明进一步的方案：按照质量份数的原料由聚丙烯58份、碳纤维20份、锦纶纤维18份、抗氧剂0.3份、滑石粉13份、乙丙橡胶6份、植物油8份和阻燃粉4份组成。
作为本发明进一步的方案：所述碳纤维为纤维长度为3～6mm的短切碳纤维。
作为本发明进一步的方案：所述抗氧剂为2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚、(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸三酯和四〔β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸〕季戊四醇酯中的一种或两种以上的混合物。
作为本发明进一步的方案：所述植物油为大豆油、蓖麻油、椰子油、棕榈油、桐油中的一种或两种以上的混合物。
作为本发明进一步的方案：所述阻燃粉为氢氧化铝阻燃剂、氢氧化镁阻燃剂和红磷阻燃剂中的一种或两种以上的混合物。
所述的汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)碳纤维的预处理：将碳纤维浸泡在硅烷偶联剂质量百分浓度为3-5％的水溶液中，2-3h后，将碳纤维过滤出来，并放入90-105℃的烘箱中干燥4-8h；
(2)配料：按上述重量份数称量聚丙烯、碳纤维、锦纶纤维、抗氧剂、滑石粉、乙丙橡胶、植物油和阻燃粉，利用混合机将其混合均匀；
(3)成型：将步骤(2)混合好的原料送入双螺杆挤出机中，双螺杆挤出机从喂料口到模头各区的温度控制在140～210℃范围间，且双螺杆挤出机的螺杆转速处于80～200rpm，在螺杆高速剪切、混炼和输送下，经熔融挤出、造粒后制得碳纤维增强聚丙烯复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明先利用硅烷偶联剂对碳纤维进行预处理，极大地提高了碳纤维的改性效果。将改性后的碳纤维同耐磨性好、拉伸弹性佳、抗断裂性好的锦纶纤维一起添加至聚丙烯中，加上抗氧剂、滑石粉、乙丙橡胶、植物油和阻燃粉，经混合、熔融、挤出、造粒后制得的碳纤维增强聚丙烯复合材料具有较低的密度(密度不超过1.53g/cm3)、较高的拉伸强度(拉伸强度不低于45MPa)、较大的弯曲模量(弯曲模量不低于2700MPa)及较强的缺口冲击强度(缺口冲击强度不低于10kJ/m2)，具有较高的综合力学性能。本发明满足了汽车部件轻量化使用要求，同时其制备工艺具有生产周期短、可连续高效生产等优点，能够广泛应用于汽车零部件产品上，满足了汽车产品应用的规模化批量连续生产要求。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例中，一种汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料，按照质量份数的原料由聚丙烯70份、碳纤维10份、锦纶纤维15份、抗氧剂0.2份、滑石粉5份、乙丙橡胶5份、植物油6份和阻燃粉3份组成。碳纤维为纤维长度为3～6mm的短切碳纤维。抗氧剂为(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸三酯和四〔β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸〕季戊四醇酯的混合物。植物油为棕榈油。阻燃粉为氢氧化镁阻燃剂。
所述的汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)碳纤维的预处理：将碳纤维浸泡在硅烷偶联剂质量百分浓度为3％的水溶液中，3h后，将碳纤维过滤出来，并放入105℃的烘箱中干燥4h；
(2)配料：按上述重量份数称量聚丙烯、碳纤维、锦纶纤维、抗氧剂、滑石粉、乙丙橡胶、植物油和阻燃粉，利用混合机将其混合均匀；
(3)成型：将步骤(2)混合好的原料送入双螺杆挤出机中，双螺杆挤出机从喂料口到模头各区的温度控制在140～180℃范围间，且双螺杆挤出机的螺杆转速处于150～200rpm，在螺杆高速剪切、混炼和输送下，经熔融挤出、造粒后制得碳纤维增强聚丙烯复合材料。
实施例2
本发明实施例中，一种汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料，按照质量份数的原料由聚丙烯50份、碳纤维24份、锦纶纤维25份、抗氧剂0.5份、滑石粉15份、乙丙橡胶8份、植物油10份和阻燃粉5份组成。碳纤维为纤维长度为3～6mm的短切碳纤维。抗氧剂为四〔β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸〕季戊四醇酯。植物油为桐油。阻燃粉为氢氧化铝阻燃剂。
所述的汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)碳纤维的预处理：将碳纤维浸泡在硅烷偶联剂质量百分浓度为5％的水溶液中，2h后，将碳纤维过滤出来，并放入90℃的烘箱中干燥8h；
(2)配料：按上述重量份数称量聚丙烯、碳纤维、锦纶纤维、抗氧剂、滑石粉、乙丙橡胶、植物油和阻燃粉，利用混合机将其混合均匀；
(3)成型：将步骤(2)混合好的原料送入双螺杆挤出机中，双螺杆挤出机从喂料口到模头各区的温度控制在160～210℃范围间，且双螺杆挤出机的螺杆转速处于80～150rpm，在螺杆高速剪切、混炼和输送下，经熔融挤出、造粒后制得碳纤维增强聚丙烯复合材料。
实施例3
本发明实施例中，一种汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料，按照质量份数的原料由聚丙烯58份、碳纤维20份、锦纶纤维18份、抗氧剂0.3份、滑石粉13份、乙丙橡胶6份、植物油8份和阻燃粉4份组成。碳纤维为纤维长度为3～6mm的短切碳纤维。抗氧剂为(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸三酯。植物油为蓖麻油。阻燃粉为红磷阻燃剂。
所述的汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)碳纤维的预处理：将碳纤维浸泡在硅烷偶联剂质量百分浓度为4％的水溶液中，2.5h后，将碳纤维过滤出来，并放入101℃的烘箱中干燥7h；
(2)配料：按上述重量份数称量聚丙烯、碳纤维、锦纶纤维、抗氧剂、滑石粉、乙丙橡胶、植物油和阻燃粉，利用混合机将其混合均匀；
(3)成型：将步骤(2)混合好的原料送入双螺杆挤出机中，双螺杆挤出机从喂料口到模头各区的温度控制在150～200℃范围间，且双螺杆挤出机的螺杆转速处于100～150rpm，在螺杆高速剪切、混炼和输送下，经熔融挤出、造粒后制得碳纤维增强聚丙烯复合材料。
实施例4
本发明实施例中，一种汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料，按照质量份数的原料由聚丙烯70份、碳纤维24份、锦纶纤维25份、抗氧剂0.2份、滑石粉5份、乙丙橡胶8份、植物油6份和阻燃粉5份组成。碳纤维为纤维长度为3～6mm的短切碳纤维。抗氧剂为2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚。植物油为大豆油。阻燃粉为氢氧化铝阻燃剂、氢氧化镁阻燃剂和红磷阻燃剂中的混合物。
所述的汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)碳纤维的预处理：将碳纤维浸泡在硅烷偶联剂质量百分浓度为3％的水溶液中，2.8h后，将碳纤维过滤出来，并放入90℃的烘箱中干燥8h；
(2)配料：按上述重量份数称量聚丙烯、碳纤维、锦纶纤维、抗氧剂、滑石粉、乙丙橡胶、植物油和阻燃粉，利用混合机将其混合均匀；
(3)成型：将步骤(2)混合好的原料送入双螺杆挤出机中，双螺杆挤出机从喂料口到模头各区的温度控制在160～190℃范围间，且双螺杆挤出机的螺杆转速处于100～150rpm，在螺杆高速剪切、混炼和输送下，经熔融挤出、造粒后制得碳纤维增强聚丙烯复合材料。
将实施例1-4制得的碳纤维增强聚丙烯复合材料进行密度、拉伸强度、弯曲强度、最大弯曲模量和缺口冲击强度的测试，测试结果如下表：制得的碳纤维增强聚丙烯复合材料的密度不超过1.53g/cm3，拉伸强度不低于45MPa，弯曲强度不低于65MPa，弯曲模量不低于2700MPa，缺口冲击强度不低于10kJ/m2。
表1实施例1-4制得的碳纤维增强聚丙烯复合材料的性能
性能 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
密度(g/cm3) 1.53 1.51 1.48 1.49
拉伸强度(MPa) 45 56 62 59
弯曲强度(MPa) 65 72 80 76
弯曲模量(MPa) 2730 2801 2883 2835
缺口冲击强度(kJ/m2) 10.1 10.5 11.2 10.7
本发明先利用硅烷偶联剂对碳纤维进行预处理，极大地提高了碳纤维的改性效果。将改性后的碳纤维同耐磨性好、拉伸弹性佳、抗断裂性好的锦纶纤维一起添加至聚丙烯中，加上抗氧剂、滑石粉、乙丙橡胶、植物油和阻燃粉，经混合、熔融、挤出、造粒后制得的碳纤维增强聚丙烯复合材料具有较低的密度(密度不超过1.53g/cm3)、较高的拉伸强度(拉伸强度不低于45MPa)、较大的弯曲模量(弯曲模量不低于2700MPa)及较强的缺口冲击强度(缺口冲击强度不低于10kJ/m2)，具有较高的综合力学性能。本发明满足了汽车部件轻量化使用要求，同时其制备工艺具有生产周期短、可连续高效生产等优点，能够广泛应用于汽车零部件产品上，满足了汽车产品应用的规模化批量连续生产要求。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，按照质量份数的原料由聚丙烯50-70份、碳纤维10-24份、锦纶纤维15-25份、抗氧剂0.2-0.5份、滑石粉5-15份、乙丙橡胶5-8份、植物油6-10份和阻燃粉3-5份组成。
2.根据权利要求1所述的汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，按照质量份数的原料由聚丙烯58份、碳纤维20份、锦纶纤维18份、抗氧剂0.3份、滑石粉13份、乙丙橡胶6份、植物油8份和阻燃粉4份组成。
3.根据权利要求1所述的汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述碳纤维为纤维长度为3～6mm的短切碳纤维。
4.根据权利要求1所述的汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述抗氧剂为2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚、(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸三酯和四〔β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸〕季戊四醇酯中的一种或两种以上的混合物。
5.根据权利要求1所述的汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述植物油为大豆油、蓖麻油、椰子油、棕榈油、桐油中的一种或两种以上的混合物。
6.根据权利要求1所述的汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述阻燃粉为氢氧化铝阻燃剂、氢氧化镁阻燃剂和红磷阻燃剂中的一种或两种以上的混合物。
7.一种如权利要求1-6任一所述的汽车用碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)碳纤维的预处理：将碳纤维浸泡在硅烷偶联剂质量百分浓度为3-5％的水溶液中，2-3h后，将碳纤维过滤出来，并放入90-105℃的烘箱中干燥4-8h；
(2)配料：按上述重量份数称量聚丙烯、碳纤维、锦纶纤维、抗氧剂、滑石粉、乙丙橡胶、植物油和阻燃粉，利用混合机将其混合均匀；
(3)成型：将步骤(2)混合好的原料送入双螺杆挤出机中，双螺杆挤出机从喂料口到模头各区的温度控制在140～210℃范围间，且双螺杆挤出机的螺杆转速处于80～200rpm，在螺杆高速剪切、混炼和输送下，经熔融挤出、造粒后制得碳纤维增强聚丙烯复合材料。
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