CN105567023B - 一种碳纤维复合材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳纤维复合材料，包括碳纤维‑树脂组合物和氟碳漆层，所述氟碳漆层涂覆于碳纤维‑树脂组合物的外表面，所述氟碳漆层的厚度为20μm，所述氟碳漆的重量份组成包括：氟碳树脂40～55份，颜料10～15份，分散剂0.3～0.8份，消泡剂0.1～0.6份，成膜助剂0.5～1份，防沉剂1～2份，流平剂0.5～1份，偶联剂1～2份，聚硅氧烷3～4份，复合填料10‑15份；其中，复合填料由重量比为1:1的纳米氧化锌和纳米氧化亚铜组成。本发明还公开了该碳纤维复合材料的制造方法。本发明提供的碳纤维复合材料具有很好的自清洁性能。

Description

一种碳纤维复合材料及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种碳纤维复合材料，特别是涉及一种用于自行车配件的碳纤维复合材料及其制造方法。
背景技术：
碳纤维作为一种高性能纤维，具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，尽管碳纤维可单独使用发挥某些功能，然而它属于脆性材料，只有将它与基体材料牢固地结合在一起，才能利用其优异的力学性能，使之更好地承载负荷。因此，碳纤维主要还是在复合材料中作增强材料，根据使用目的不同可选用各种基体材料和复合方式来达到所要求的复合效果。碳纤维可用来增强树脂、碳、金属及各种无机陶瓷，目前使用得最多、最广泛的是树脂基复合材料，它以轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料,是其他纤维增强复合材料所无法比拟的。在自行车配件方面，碳纤维复合材料也得到了长远发展，不过自行车的使用大多处于室外环境，经过长时间的日晒雨淋，自行车配件表面往往会沾染污泥、油污等而变得很脏，而自行车配件材料大多不具备自清洁性能，因此需要不定期冲洗，给使用者带来不便。
公开号为CN104448729A、公开日为2015.03.25、申请人为天津市大城工贸有限公司的中国专利公开了“一种自行车用碳纤维复合材料及其制备方法”，该复合材料包括以下组分和重量分数：热塑性树脂45％-68％、黏合树脂3％-6％、石墨烯0.05％-0.1％、固化剂1％-2.5％、相容剂2％-3％、润滑剂0.6％-2.4％、抗氧剂0.5％-2.5％、碳纤维5％-42％；热塑性树脂为聚对苯二甲酸丁二醇酯，黏合树脂为环氧树脂、酚醛树脂或聚氨基树脂中的任意一种，所述的石墨烯粉为片状石墨烯粉末，片状石墨烯粉末的厚度为1～15nm。该发明的碳纤维复合材料，比纯的碳纤维的性能更好，制作出来的自行车质量更低，强度更好，外观看上去更美观，能够有更好的光泽度，不易毁坏，能更容易的成型，生产成本相对偏低，更易普及使用，而且制备这种碳纤维复合材料的生产要求高，设备投出相对较低，有助于小型企业生产和使用，易于推广和普及。不过，该碳纤维复合材料同样不具备自清洁性能。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是提供一种碳纤维复合材料，其具有很好的自清洁性。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种碳纤维复合材料，包括碳纤维-树脂组合物和氟碳漆层，所述氟碳漆层涂覆于碳纤维-树脂组合物的外表面，所述氟碳漆层的厚度为20μm，所述氟碳漆的重量份组成包括：
其中，复合填料由重量比为1:1的纳米氧化锌和纳米氧化亚铜组成。
优选地，本发明所述氟碳树脂为FEVE氟碳树脂。
优选地，本发明所述颜料为有机颜料。
优选地，本发明所述分散剂为聚丙烯酸钠。
优选地，本发明所述消泡剂为BYK141。
优选地，本发明所述成膜助剂为N-甲基吡咯烷酮。
优选地，本发明所述防沉剂为聚酰胺蜡。
优选地，本发明所述流平剂为丙二醇。
优选地，本发明所述偶联剂为KH550或KH560。
本发明要解决的另一技术问题是提供上述碳纤维复合材料的制造方法。
为解决上述技术问题，技术方案是：
一种碳纤维复合材料的制造方法，包括以下步骤：
(1)将纳米氧化锌粉体和纳米氧化亚铜粉体放入研钵中研磨混合均匀后得到复合填料，将复合填料加入去离子水中，搅拌分散均匀后得到复合填料溶液，将油酸分散于丙酮中得到浓度为6％的油酸溶液，将复合填料溶液加入油酸溶液中，油酸与复合填料的重量比为1:25，60℃下超声振荡30分钟，减压抽滤后用去离子水洗涤3次，放入烘箱中90℃下干燥至恒重，得到改性复合填料；
(2)按配方量将颜料、分散剂、消泡剂、偶联剂加入搅拌缸，700r/min转速下搅拌30分钟，调节转速为1800r/min，搅拌至分散细度为20μm，调节转速为800r/min，将氟碳树脂、成膜助剂加入搅拌缸，搅拌12分钟后加入步骤(1)得到的改性填料，继续搅拌40分钟，将防沉剂、流平剂加入搅拌缸，继续搅拌30分钟后，得到氟碳漆；
(3)将氟碳漆均匀涂覆于碳纤维-树脂组合物的外表面，形成厚度为20μm的氟碳漆层，烘干后得到碳纤维复合材料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
纳米氧化锌和纳米氧化亚铜经过光照后表面存在有亲水的羟基，可在氟碳漆层表面形成一层水膜，使得复合材料所沾染的污泥更容易被雨水冲掉，从而提高了复合材料的耐沾染污泥性能，另一方面，纳米氧化锌和纳米氧化亚铜均具有较好的光解催化作用，可将油污等有机污染物氧化成二氧化碳和水以达到净化的效果，纳米氧化锌的光催化作用主要利用紫外线，纳米氧化亚铜则能在可见光下发生光催化作用，二者复合可大大提高太阳光利用率，有效提高复合材料的光解有机物性能，进而提高整体的自清洁性；纳米氧化锌和纳米氧化亚铜均为无机物，与氟碳树脂之间的相容性较差，直接加入对氟碳漆以及复合材料的性能提升效果会大打折扣，因此本发明通过油酸对复合填料进行了表面改性，油酸与复合填料之间产生了化学键合，并在复合填料表面形成了有机包覆层，改善了其与氟碳树脂之间的相容性和界面结合强度，复合填料在氟碳树脂基体内能均匀分散且不容易析出，从而充分发挥出其自清洁性。
具体实施方式：
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
碳纤维复合材料，包括碳纤维-树脂组合物和氟碳漆层，氟碳漆层涂覆于碳纤维-树脂组合物的外表面，氟碳漆层的厚度为20μm，氟碳漆的重量份组成包括：FEVE氟碳树脂45份，有机颜料10份，聚丙烯酸钠0.5份，BYK141 0.6份，N-甲基吡咯烷酮0.7份，聚酰胺蜡1.2份，丙二醇0.5份，KH550 1.8份，聚硅氧烷3.2份，复合填料12份；其中，复合填料由重量比为1:1的纳米氧化锌和纳米氧化亚铜组成。
其制造方法包括以下步骤：
(1)将纳米氧化锌粉体和纳米氧化亚铜粉体放入研钵中研磨混合均匀后得到复合填料，将复合填料加入去离子水中，搅拌分散均匀后得到复合填料溶液，将油酸分散于丙酮中得到浓度为6％的油酸溶液，将复合填料溶液加入油酸溶液中，油酸与复合填料的重量比为1:25，60℃下超声振荡30分钟，减压抽滤后用去离子水洗涤3次，放入烘箱中90℃下干燥至恒重，得到改性复合填料；
(2)按配方量将有机颜料、聚丙烯酸钠、BYK141、KH550加入搅拌缸，700r/min转速下搅拌30分钟，调节转速为1800r/min，搅拌至分散细度为20μm，调节转速为800r/min，将FEVE氟碳树脂、N-甲基吡咯烷酮加入搅拌缸，搅拌12分钟后加入步骤(1)得到的改性填料，继续搅拌40分钟，将聚酰胺蜡、丙二醇加入搅拌缸，继续搅拌30分钟后，得到氟碳漆；
(3)将氟碳漆均匀涂覆于碳纤维-树脂组合物的外表面，形成厚度为20μm的氟碳漆层，烘干后得到碳纤维复合材料。
实施例2
碳纤维复合材料，包括碳纤维-树脂组合物和氟碳漆层，氟碳漆层涂覆于碳纤维-树脂组合物的外表面，氟碳漆层的厚度为20μm，氟碳漆的重量份组成包括：FEVE氟碳树脂40份，有机颜料14份，聚丙烯酸钠0.8份，BYK141 0.2份，N-甲基吡咯烷酮0.6份，聚酰胺蜡1.4份，丙二醇0.7份，KH560 1.2份，聚硅氧烷3份，复合填料10份；其中，复合填料由重量比为1:1的纳米氧化锌和纳米氧化亚铜组成。
其制造方法包括以下步骤：
(1)将纳米氧化锌粉体和纳米氧化亚铜粉体放入研钵中研磨混合均匀后得到复合填料，将复合填料加入去离子水中，搅拌分散均匀后得到复合填料溶液，将油酸分散于丙酮中得到浓度为6％的油酸溶液，将复合填料溶液加入油酸溶液中，油酸与复合填料的重量比为1:25，60℃下超声振荡30分钟，减压抽滤后用去离子水洗涤3次，放入烘箱中90℃下干燥至恒重，得到改性复合填料；
(2)按配方量将有机颜料、聚丙烯酸钠、BYK141、KH560加入搅拌缸，700r/min转速下搅拌30分钟，调节转速为1800r/min，搅拌至分散细度为20μm，调节转速为800r/min，将FEVE氟碳树脂、N-甲基吡咯烷酮加入搅拌缸，搅拌12分钟后加入步骤(1)得到的改性填料，继续搅拌40分钟，将聚酰胺蜡、丙二醇加入搅拌缸，继续搅拌30分钟后，得到氟碳漆；
(3)将氟碳漆均匀涂覆于碳纤维-树脂组合物的外表面，形成厚度为20μm的氟碳漆层，烘干后得到碳纤维复合材料。
实施例3
碳纤维复合材料，包括碳纤维-树脂组合物和氟碳漆层，氟碳漆层涂覆于碳纤维-树脂组合物的外表面，氟碳漆层的厚度为20μm，氟碳漆的重量份组成包括：FEVE氟碳树脂55份，有机颜料12份，聚丙烯酸钠0.3份，BYK141 0.5份，N-甲基吡咯烷酮0.9份，聚酰胺蜡1.8份，丙二醇0.9份，KH550 2份，聚硅氧烷3.5份，复合填料14份；其中，复合填料由重量比为1:1的纳米氧化锌和纳米氧化亚铜组成。
其制造方法包括以下步骤：
(1)将纳米氧化锌粉体和纳米氧化亚铜粉体放入研钵中研磨混合均匀后得到混合填料，将混合填料加入去离子水中，搅拌分散均匀后得到混合填料溶液，将油酸分散于丙酮中得到浓度为6％的油酸溶液，将混合填料溶液加入油酸溶液中，油酸与混合填料的重量比为1:25，60℃下超声振荡30分钟，减压抽滤后用去离子水洗涤3次，放入烘箱中90℃下干燥至恒重，得到改性混合填料；
(2)按配方量将有机颜料、聚丙烯酸钠、BYK141、KH550加入搅拌缸，700r/min转速下搅拌30分钟，调节转速为1800r/min，搅拌至分散细度为20μm，调节转速为800r/min，将FEVE氟碳树脂、N-甲基吡咯烷酮加入搅拌缸，搅拌12分钟后加入步骤(1)得到的改性填料，继续搅拌40分钟，将聚酰胺蜡、丙二醇加入搅拌缸，继续搅拌30分钟后，得到氟碳漆；
(3)将氟碳漆均匀涂覆于碳纤维-树脂组合物的外表面，形成厚度为20μm的氟碳漆层，烘干后得到碳纤维复合材料。
实施例4
碳纤维复合材料，包括碳纤维-树脂组合物和氟碳漆层，氟碳漆层涂覆于碳纤维-树脂组合物的外表面，氟碳漆层的厚度为20μm，氟碳漆的重量份组成包括：FEVE氟碳树脂50份，有机颜料15份，聚丙烯酸钠0.6份，BYK141 0.1份，N-甲基吡咯烷酮0.8份，聚酰胺蜡1.5份，丙二醇0.6份，KH560 1.4份，聚硅氧烷3.4份，复合填料12份；其中，复合填料由重量比为1:1的纳米氧化锌和纳米氧化亚铜组成。
其制造方法包括以下步骤：
(1)将纳米氧化锌粉体和纳米氧化亚铜粉体放入研钵中研磨混合均匀后得到混合填料，将混合填料加入去离子水中，搅拌分散均匀后得到混合填料溶液，将油酸分散于丙酮中得到浓度为6％的油酸溶液，将混合填料溶液加入油酸溶液中，油酸与混合填料的重量比为1:25，60℃下超声振荡30分钟，减压抽滤后用去离子水洗涤3次，放入烘箱中90℃下干燥至恒重，得到改性混合填料；
(2)按配方量将有机颜料、聚丙烯酸钠、BYK141、KH560加入搅拌缸，700r/min转速下搅拌30分钟，调节转速为1800r/min，搅拌至分散细度为20μm，调节转速为800r/min，将FEVE氟碳树脂、N-甲基吡咯烷酮加入搅拌缸，搅拌12分钟后加入步骤(1)得到的改性填料，继续搅拌40分钟，将聚酰胺蜡、丙二醇加入搅拌缸，继续搅拌30分钟后，得到氟碳漆；
(3)将氟碳漆均匀涂覆于碳纤维-树脂组合物的外表面，形成厚度为20μm的氟碳漆层，烘干后得到碳纤维复合材料。
实施例5
碳纤维复合材料，包括碳纤维-树脂组合物和氟碳漆层，氟碳漆层涂覆于碳纤维-树脂组合物的外表面，氟碳漆层的厚度为20μm，氟碳漆的重量份组成包括：FEVE氟碳树脂48份，有机颜料11份，聚丙烯酸钠0.7份，BYK141 0.5份，N-甲基吡咯烷酮0.5份，聚酰胺蜡2份，丙二醇0.8份，KH560 1.5份，聚硅氧烷4份，复合填料11份；其中，复合填料由重量比为1:1的纳米氧化锌和纳米氧化亚铜组成。
其制造方法包括以下步骤：
(1)将纳米氧化锌粉体和纳米氧化亚铜粉体放入研钵中研磨混合均匀后得到混合填料，将混合填料加入去离子水中，搅拌分散均匀后得到混合填料溶液，将油酸分散于丙酮中得到浓度为6％的油酸溶液，将混合填料溶液加入油酸溶液中，油酸与混合填料的重量比为1:25，60℃下超声振荡30分钟，减压抽滤后用去离子水洗涤3次，放入烘箱中90℃下干燥至恒重，得到改性混合填料；
(2)按配方量将有机颜料、聚丙烯酸钠、BYK141、KH560加入搅拌缸，700r/min转速下搅拌30分钟，调节转速为1800r/min，搅拌至分散细度为20μm，调节转速为800r/min，将FEVE氟碳树脂、N-甲基吡咯烷酮加入搅拌缸，搅拌12分钟后加入步骤(1)得到的改性填料，继续搅拌40分钟，将聚酰胺蜡、丙二醇加入搅拌缸，继续搅拌30分钟后，得到氟碳漆；
(3)将氟碳漆均匀涂覆于碳纤维-树脂组合物的外表面，形成厚度为20μm的氟碳漆层，烘干后得到碳纤维复合材料。
实施例6
碳纤维复合材料，包括碳纤维-树脂组合物和氟碳漆层，氟碳漆层涂覆于碳纤维-树脂组合物的外表面，氟碳漆层的厚度为20μm，氟碳漆的重量份组成包括：FEVE氟碳树脂52份，有机颜料13份，聚丙烯酸钠0.4份，BYK141 0.3份，N-甲基吡咯烷酮1份，聚酰胺蜡1份，丙二醇1份，KH550 1份，聚硅氧烷3.9份，复合填料13份；其中，复合填料由重量比为1:1的纳米氧化锌和纳米氧化亚铜组成。
其制造方法包括以下步骤：
(1)将纳米氧化锌粉体和纳米氧化亚铜粉体放入研钵中研磨混合均匀后得到混合填料，将混合填料加入去离子水中，搅拌分散均匀后得到混合填料溶液，将油酸分散于丙酮中得到浓度为6％的油酸溶液，将混合填料溶液加入油酸溶液中，油酸与混合填料的重量比为1:25，60℃下超声振荡30分钟，减压抽滤后用去离子水洗涤3次，放入烘箱中90℃下干燥至恒重，得到改性混合填料；
(2)按配方量将有机颜料、聚丙烯酸钠、BYK141、KH550加入搅拌缸，700r/min转速下搅拌30分钟，调节转速为1800r/min，搅拌至分散细度为20μm，调节转速为800r/min，将FEVE氟碳树脂、N-甲基吡咯烷酮加入搅拌缸，搅拌12分钟后加入步骤(1)得到的改性填料，继续搅拌40分钟，将聚酰胺蜡、丙二醇加入搅拌缸，继续搅拌30分钟后，得到氟碳漆；
(3)将氟碳漆均匀涂覆于碳纤维-树脂组合物的外表面，形成厚度为20μm的氟碳漆层，烘干后得到碳纤维复合材料。
由于自行车配件受污主要包括污泥和油污两方面，因此从耐沾染污泥性能以及光降解有机物性能两方面来测试实施例1-6以及对比例的自清洁性，其中，
耐沾染污泥性能测试过程为：将各复合材料分别浸泡于石墨粉悬浮液中，10秒后取出，在标准大气压下静置2小时后做喷淋实验，复合材料与喷头的距离为1m，喷淋次数为5次，用耐沾污等级表征耐沾染污泥性能，耐沾污等级越高表明耐沾染污泥性能越好；
光解有机物性能测试采用难擦拭的黑色油性签字笔，在各复合材料表面涂抹至完全遮盖底色，置于25W的荧光灯下40cm处光照6小时，用干净软毛巾在涂抹处擦拭30次，观察擦拭后复合材料的表面上的未被擦去涂抹面积百分比，该数值越小表明光解有机物性能越好，未被擦去涂抹面积百分比＝未被擦去涂抹面积/复合材料表面积×100％；
对比例为公开号为CN104448729A的中国专利。
测试结果如下表所示：
由上表可以看出，实施例1-6的耐沾污等级均高于对比例，而未被擦去涂抹面积百分比则均明显低于对比例，表明本发明具有很好的自清洁性。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种碳纤维复合材料，其特征在于：包括碳纤维-树脂组合物和氟碳漆层，所述氟碳漆层涂覆于碳纤维-树脂组合物的外表面，所述氟碳漆层的厚度为20μm，所述氟碳漆的重量份组成包括：
其中，改性复合填料由重量比为1:1的纳米氧化锌和纳米氧化亚铜组成；
改性复合填料的制备方法包括以下步骤：
将纳米氧化锌粉体和纳米氧化亚铜粉体放入研钵中研磨混合均匀后得到复合填料，将复合填料加入去离子水中，搅拌分散均匀后得到复合填料溶液，将油酸分散于丙酮中得到浓度为6％的油酸溶液，将复合填料溶液加入油酸溶液中，油酸与复合填料的重量比为1:25，60℃下超声振荡30分钟，减压抽滤后用去离子水洗涤3次，放入烘箱中90℃下干燥至恒重，得到改性复合填料。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料，其特征在于：所述氟碳树脂为FEVE氟碳树脂。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料，其特征在于：所述颜料为有机颜料。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料，其特征在于：所述分散剂为聚丙烯酸钠。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料，其特征在于：所述消泡剂为BYK141。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料，其特征在于：所述成膜助剂为N-甲基吡咯烷酮。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料，其特征在于：所述防沉剂为聚酰胺蜡。
8.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料，其特征在于：所述流平剂为丙二醇。
9.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料，其特征在于：所述偶联剂为KH550或KH560。
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