CN105647179B - 一种碳纤维-尼龙复合材料及其制造方法 - Google Patents

一种碳纤维-尼龙复合材料及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种碳纤维‑尼龙复合材料，其重量份组成为：尼龙85～95份，抗氧剂0.3～0.8份，阻燃剂5～10份，分散剂0.1～0.6份，填料15～21份，增韧剂4～9份，增容剂3～5份，辐照敏化剂1～2份，纳米氧化锡10～12份，PTFE 7～9份，碳纤维15份。本发明还公开了该碳纤维‑尼龙复合材料的制造方法。本发明提供的碳纤维‑尼龙复合材料具有较好的耐高温氧化性和耐酸性。

Description

一种碳纤维-尼龙复合材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维-尼龙复合材料，特别是涉及一种用于自行车配件的碳纤维-尼龙复合材料及其制造方法。
背景技术
碳纤维增强热塑性塑料是树脂基复合材料中的一个重要品种，由于其综合性能优异，近年来其用途及产量逐步扩大。上世纪70年代以前，碳纤维增强热塑性塑料被看作是一种昂贵的材料，价格约为玻璃纤维增强复合材料的10倍以上，只用于军工、宇航工业等特殊行业。80年代以后，碳纤维从原料来源及制作技术等方面都有了较大的突破，因此其每年的产量增长速度达50％以上，这种增长不仅满足了传统工业部门的需求，而且为许多新的需求提供了可能。
尼龙本身是性能优异的工程塑料，但吸湿性大，制品尺寸稳定性差，强度与硬度也远远不如金属。为了克服这些缺点，早在上世纪70年代以前，人们就采用碳纤维或其它品种的纤维进行增强以改善其性能。用碳纤维增强尼龙材料近年来发展很快，因为尼龙和碳纤维都是工程塑料领域性能优异的材料，其复合材料综合体现了二者的优越性，如强度与刚性比未增强的尼龙高很多，高温蠕变小，热稳定性显著提高，尺寸精度好，耐磨，阻尼性优良，与玻纤增强相比有更好的性能。尼龙-碳纤维复合材料在汽车、国防、航空航天、运动用品、自行车方面得到了较多的应用。
例如，公开号为CN102746662B、公开日为2013.12.11、申请人为苏州宇度医疗器械有限责任公司的中国专利公开了“纳米碳纤维增强的尼龙复合材料的制备方法”，属于高分子材料制备技术领域，步骤：配料和混料，先将按重量份数称取的尼龙1010树脂80-85份、尼龙6树脂30-35份、偶联剂0.8-1.5份、填料25-35份和纳米碳纤维10-15份投入混合机中混合，再投入按重量份数称取的抗氧剂0.2-0.8份和短切玻璃纤维35-40份并且继续混合，得到混合料；熔融挤出，将混合料投入双螺杆挤出机中熔融挤出，控制挤出温度，得到纳米碳纤维增强的尼龙复合材料。该专利工艺步骤简练，设备要求不苛刻并且得到的纳米碳纤维增强的尼龙复合材料具有优异的机械物理强度，能够满足制作诸如建筑、机动车辆和自行车的对强度严苛的部件的要求。不过，该专利所制得的复合材料存在一定的缺陷：耐高温氧化性不佳，在高温环境下会与空气中的氧发生氧化作用导致表面开裂；耐酸性较差，在偏酸性环境中性能容易下降。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是提供一种碳纤维-尼龙复合材料，其具有较好的耐高温氧化性和耐酸性。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种碳纤维-尼龙复合材料，其重量份组成为：尼龙85～95份，抗氧剂0.3～0.8份，阻燃剂5～10份，分散剂0.1～0.6份，填料15～21份，增韧剂4～9份，增容剂3～5份，辐照敏化剂1～2份，纳米氧化锡10～12份，PTFE 7～9份，碳纤维15份。
优选地，本发明所述尼龙为尼龙1010或尼龙610。
优选地，本发明所述抗氧剂为抗氧剂168。
优选地，本发明所述阻燃剂为十溴二苯乙烷。
优选地，本发明所述分散剂为油酸酰胺。
优选地，本发明所述填料为粒度为100-500nm的木粉或云母粉。
优选地，本发明所述增韧剂为SBS-g-MAH。
优选地，本发明所述增容剂为POE-g-MAH。
优选地，本发明所述辐照敏化剂为TAIC。
本发明要解决的另一技术问题是提供上述碳纤维-尼龙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-尼龙复合材料的制造方法，包括以下步骤：
(1)将纳米氧化锡粉体加入去离子水中，搅拌2小时配制为质量浓度为10％的料浆，加热至80℃后加入纳米氧化锡粉体质量8％的油酸钠，600rpm搅拌速度下恒温搅拌4小时，冷却后过滤，将过滤后的乳液加入质量浓度为10％的AlCl3溶液破乳，放入恒温干燥箱中100℃下真空干燥至恒重，得到改性纳米氧化锡；
(2)按配方量将尼龙用鼓风干燥机90℃下干燥5小时，然后与抗氧剂、阻燃剂、分散剂、填料、增韧剂、增容剂、辐照敏化剂、PTFE、步骤(1)得到的改性纳米氧化锡一起加入高速混合机种混合8分钟，得到混合料；
(3)将步骤(2)得到的混合料加入双螺杆挤出机的主进料口，将碳纤维加入双螺杆挤出机的侧进料口，熔融、挤出、冷却、干燥、切粒，得到碳纤维-尼龙复合材料，双螺杆挤出机的螺杆转速为180rpm，加料段温度为220℃，混合压缩段温度为240℃，熔融段温度为250℃，均化段温度为255℃，机头温度为225℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)纳米氧化锡具有很好的耐高温氧化性能，不过作为一种无机材料，其与尼龙基体之间的相容性较差，不容易分散，直接添加会降低复合材料的力学性能，因此本发明通过油酸钠对其进行表面改性，油酸钠分子完全覆盖于纳米氧化锡的表面，油酸钠的亲水基团与纳米氧化锡表面的羟基键合，同时油酸钠的疏水基团朝外与尼龙基体的大分子链缠绕结合，改善了纳米氧化锡与尼龙基体之间的相容性和界面结合强度，使得纳米氧化锡能均匀分散于尼龙基体内，当复合材料处于高温环境中时，纳米氧化锡可对起到很好的隔断屏蔽作用，阻碍氧气与复合材料的接触，从而有效提高复合材料的耐高温氧化性。
(2)PTFE是聚四氟乙烯的英文简写，具有较高的耐化学腐蚀性能，在各种酸包括王水中煮沸其重量、性能也没有什么变化，本发明将其与增容剂一起加入尼龙基体中，增容剂可起到很好的增容作用，使得PTFE能与尼龙基体产生强度很好的结合，从而有效提高复合材料的耐酸性。
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-尼龙复合材料，其重量份组成为：尼龙1010 88份，抗氧剂168 0.4份，十溴二苯乙烷5份，油酸酰胺0.6份，100-500nm的云母粉20份，SBS-g-MAH 8份，POE-g-MAH 3.5份，TAIC 1.2份，纳米氧化锡11份，PTFE 7份，碳纤维15份。
其制造方法包括以下步骤：
(1)将纳米氧化锡粉体加入去离子水中，搅拌2小时配制为质量浓度为10％的料浆，加热至80℃后加入纳米氧化锡粉体质量8％的油酸钠，600rpm搅拌速度下恒温搅拌4小时，冷却后过滤，将过滤后的乳液加入质量浓度为10％的AlCl3溶液破乳，放入恒温干燥箱中100℃下真空干燥至恒重，得到改性纳米氧化锡；
(2)按配方量将尼龙1010用鼓风干燥机90℃下干燥5小时，然后与抗氧剂168、十溴二苯乙烷、油酸酰胺、粒度为100-500nm的云母粉、SBS-g-MAH、POE-g-MAH、TAIC、PTFE、步骤(1)得到的改性纳米氧化锡一起加入高速混合机种混合8分钟，得到混合料；
(3)将步骤(2)得到的混合料加入双螺杆挤出机的主进料口，将碳纤维加入双螺杆挤出机的侧进料口，熔融、挤出、冷却、干燥、切粒，得到碳纤维-尼龙复合材料，双螺杆挤出机的螺杆转速为180rpm，加料段温度为220℃，混合压缩段温度为240℃，熔融段温度为250℃，均化段温度为255℃，机头温度为225℃。
实施例2
碳纤维-尼龙复合材料，其重量份组成为：尼龙610 95份，抗氧剂168 0.3份，十溴二苯乙烷7份，油酸酰胺0.4份，100-500nm的云母粉16份，SBS-g-MAH 6份，POE-g-MAH 5份，TAIC 1.6份，纳米氧化锡10.5份，PTFE 7.5份，碳纤维15份。
其制造方法包括以下步骤：
(1)将纳米氧化锡粉体加入去离子水中，搅拌2小时配制为质量浓度为10％的料浆，加热至80℃后加入纳米氧化锡粉体质量8％的油酸钠，600rpm搅拌速度下恒温搅拌4小时，冷却后过滤，将过滤后的乳液加入质量浓度为10％的AlCl3溶液破乳，放入恒温干燥箱中100℃下真空干燥至恒重，得到改性纳米氧化锡；
(2)按配方量将尼龙610用鼓风干燥机90℃下干燥5小时，然后与抗氧剂168、十溴二苯乙烷、油酸酰胺、粒度为100-500nm的云母粉、SBS-g-MAH、POE-g-MAH、TAIC、PTFE、步骤(1)得到的改性纳米氧化锡一起加入高速混合机种混合8分钟，得到混合料；
(3)将步骤(2)得到的混合料加入双螺杆挤出机的主进料口，将碳纤维加入双螺杆挤出机的侧进料口，熔融、挤出、冷却、干燥、切粒，得到碳纤维-尼龙复合材料，双螺杆挤出机的螺杆转速为180rpm，加料段温度为220℃，混合压缩段温度为240℃，熔融段温度为250℃，均化段温度为255℃，机头温度为225℃。
实施例3
碳纤维-尼龙复合材料，其重量份组成为：尼龙610 85份，抗氧剂168 0.8份，十溴二苯乙烷9份，油酸酰胺0.2份，100-500nm的木粉18份，SBS-g-MAH 7份，POE-g-MAH 4.5份，TAIC 1份，纳米氧化锡12份，PTFE 8份，碳纤维15份。
其制造方法包括以下步骤：
(1)将纳米氧化锡粉体加入去离子水中，搅拌2小时配制为质量浓度为10％的料浆，加热至80℃后加入纳米氧化锡粉体质量8％的油酸钠，600rpm搅拌速度下恒温搅拌4小时，冷却后过滤，将过滤后的乳液加入质量浓度为10％的AlCl3溶液破乳，放入恒温干燥箱中100℃下真空干燥至恒重，得到改性纳米氧化锡；
(2)按配方量将尼龙610用鼓风干燥机90℃下干燥5小时，然后与抗氧剂168、十溴二苯乙烷、油酸酰胺、粒度为100-500nm的木粉、SBS-g-MAH、POE-g-MAH、TAIC、PTFE、步骤(1)得到的改性纳米氧化锡一起加入高速混合机种混合8分钟，得到混合料；
(3)将步骤(2)得到的混合料加入双螺杆挤出机的主进料口，将碳纤维加入双螺杆挤出机的侧进料口，熔融、挤出、冷却、干燥、切粒，得到碳纤维-尼龙复合材料，双螺杆挤出机的螺杆转速为180rpm，加料段温度为220℃，混合压缩段温度为240℃，熔融段温度为250℃，均化段温度为255℃，机头温度为225℃。
实施例4
碳纤维-尼龙复合材料，其重量份组成为：尼龙1010 90份，抗氧剂168 0.5份，十溴二苯乙烷6份，油酸酰胺0.5份，100-500nm的木粉18份，SBS-g-MAH 7份，POE-g-MAH 4.5份，TAIC 1份，纳米氧化锡12份，PTFE 8份，碳纤维15份。
其制造方法包括以下步骤：
(1)将纳米氧化锡粉体加入去离子水中，搅拌2小时配制为质量浓度为10％的料浆，加热至80℃后加入纳米氧化锡粉体质量8％的油酸钠，600rpm搅拌速度下恒温搅拌4小时，冷却后过滤，将过滤后的乳液加入质量浓度为10％的AlCl3溶液破乳，放入恒温干燥箱中100℃下真空干燥至恒重，得到改性纳米氧化锡；
(2)按配方量将尼龙1010用鼓风干燥机90℃下干燥5小时，然后与抗氧剂168、十溴二苯乙烷、油酸酰胺、粒度为100-500nm的木粉、SBS-g-MAH、POE-g-MAH、TAIC、PTFE、步骤(1)得到的改性纳米氧化锡一起加入高速混合机种混合8分钟，得到混合料；
(3)将步骤(2)得到的混合料加入双螺杆挤出机的主进料口，将碳纤维加入双螺杆挤出机的侧进料口，熔融、挤出、冷却、干燥、切粒，得到碳纤维-尼龙复合材料，双螺杆挤出机的螺杆转速为180rpm，加料段温度为220℃，混合压缩段温度为240℃，熔融段温度为250℃，均化段温度为255℃，机头温度为225℃。
实施例5
碳纤维-尼龙复合材料，其重量份组成为：尼龙610 93份，抗氧剂168 0.7份，十溴二苯乙烷8份，油酸酰胺0.3份，100-500nm的木粉21份，SBS-g-MAH 4份，POE-g-MAH 4份，TAIC 2份，纳米氧化锡11.5份，PTFE 9份，碳纤维15份。
其制造方法包括以下步骤：
(1)将纳米氧化锡粉体加入去离子水中，搅拌2小时配制为质量浓度为10％的料浆，加热至80℃后加入纳米氧化锡粉体质量8％的油酸钠，600rpm搅拌速度下恒温搅拌4小时，冷却后过滤，将过滤后的乳液加入质量浓度为10％的AlCl3溶液破乳，放入恒温干燥箱中100℃下真空干燥至恒重，得到改性纳米氧化锡；
(2)按配方量将尼龙610用鼓风干燥机90℃下干燥5小时，然后与抗氧剂168、十溴二苯乙烷、油酸酰胺、粒度为100-500nm的木粉、SBS-g-MAH、POE-g-MAH、TAIC、PTFE、步骤(1)得到的改性纳米氧化锡一起加入高速混合机种混合8分钟，得到混合料；
(3)将步骤(2)得到的混合料加入双螺杆挤出机的主进料口，将碳纤维加入双螺杆挤出机的侧进料口，熔融、挤出、冷却、干燥、切粒，得到碳纤维-尼龙复合材料，双螺杆挤出机的螺杆转速为180rpm，加料段温度为220℃，混合压缩段温度为240℃，熔融段温度为250℃，均化段温度为255℃，机头温度为225℃。
实施例6
碳纤维-尼龙复合材料，其重量份组成为：尼龙1010 94份，抗氧剂168 0.6份，十溴二苯乙烷10份，油酸酰胺0.1份，100-500nm的云母粉17份，SBS-g-MAH 5份，POE-g-MAH 4.4份，TAIC 1.8份，纳米氧化锡10份，PTFE 8.5份，碳纤维15份。
其制造方法包括以下步骤：
(1)将纳米氧化锡粉体加入去离子水中，搅拌2小时配制为质量浓度为10％的料浆，加热至80℃后加入纳米氧化锡粉体质量8％的油酸钠，600rpm搅拌速度下恒温搅拌4小时，冷却后过滤，将过滤后的乳液加入质量浓度为10％的AlCl3溶液破乳，放入恒温干燥箱中100℃下真空干燥至恒重，得到改性纳米氧化锡；
(2)按配方量将尼龙1010用鼓风干燥机90℃下干燥5小时，然后与抗氧剂168、十溴二苯乙烷、油酸酰胺、粒度为100-500nm的云母粉、SBS-g-MAH、POE-g-MAH、TAIC、PTFE、步骤(1)得到的改性纳米氧化锡一起加入高速混合机种混合8分钟，得到混合料；
(3)将步骤(2)得到的混合料加入双螺杆挤出机的主进料口，将碳纤维加入双螺杆挤出机的侧进料口，熔融、挤出、冷却、干燥、切粒，得到碳纤维-尼龙复合材料，双螺杆挤出机的螺杆转速为180rpm，加料段温度为220℃，混合压缩段温度为240℃，熔融段温度为250℃，均化段温度为255℃，机头温度为225℃。
将实施例1-6以及对比例制得的复合材料进行耐高温氧化性和耐酸性测试，其中，
对比例为公开号为CN102746662B的中国专利。
耐高温氧化性测试过程为：将各复合材料分别置于温度为45℃的密封罐中，通氧气至密封罐内压强为30kPa，10天后取出，测试各复合材料的各项力学性能的保持率，保持率越高表明耐高温氧化性越好，
保持率＝(测试前力学性能-测试后力学性能)/测试前力学性能×100％，测试结果见表1。
耐酸性测试过程为：将各复合材料制成复合材料板，参考GB/T 17657-1999标准，测试条件为室温、24小时，观察复合材料板的变化，测试结果见表2。
表1
表2
由表1和表2可以看出，实施例1-6的耐高温氧化性和耐酸性均好于对比例制得的复合材料。
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 (8)

1.一种碳纤维-尼龙复合材料，其特征在于，其重量份组成为：尼龙85～95份，抗氧剂0.3～0.8份，阻燃剂5～10份，油酸酰胺0.1～0.6份，填料15～21份，增韧剂4～9份，增容剂3～5份，辐照敏化剂1～2份，改性纳米氧化锡10～12份，PTFE 7～9份，碳纤维15份；
其制备方法包括以下步骤：
(1)将纳米氧化锡粉体加入去离子水中，搅拌2小时配制为质量浓度为10％的料浆，加热至80℃后加入纳米氧化锡粉体质量8％的油酸钠，600rpm搅拌速度下恒温搅拌4小时，冷却后过滤，将过滤后的乳液加入质量浓度为10％的AlCl3溶液破乳，放入恒温干燥箱中100℃下真空干燥至恒重，得到改性纳米氧化锡；
(2)按配方量将尼龙用鼓风干燥机90℃下干燥5小时，然后与抗氧剂、阻燃剂、油酸酰胺、填料、增韧剂、增容剂、辐照敏化剂、PTFE、步骤(1)得到的改性纳米氧化锡一起加入高速混合机种混合8分钟，得到混合料；
(3)将步骤(2)得到的混合料加入双螺杆挤出机的主进料口，将碳纤维加入双螺杆挤出机的侧进料口，熔融、挤出、冷却、干燥、切粒，得到碳纤维-尼龙复合材料，双螺杆挤出机的螺杆转速为180rpm，加料段温度为220℃，混合压缩段温度为240℃，熔融段温度为250℃，均化段温度为255℃，机头温度为225℃。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维-尼龙复合材料，其特征在于：所述尼龙为尼龙1010或尼龙610。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维-尼龙复合材料，其特征在于：所述抗氧剂为抗氧剂168。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维-尼龙复合材料，其特征在于：所述阻燃剂为十溴二苯乙烷。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维-尼龙复合材料，其特征在于：所述填料为粒度为100-500nm的木粉或云母粉。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维-尼龙复合材料，其特征在于：所述增韧剂为SBS-g-MAH。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维-尼龙复合材料，其特征在于：所述增容剂为POE-g-MAH。
8.根据权利要求1所述的一种碳纤维-尼龙复合材料，其特征在于：所述辐照敏化剂为TAIC。
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