CN106313782A - 一种碳纤维纸增强热塑性树脂夹心复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维纸增强热塑性树脂夹心复合材料，其由两层树脂皮层和位于两层树脂皮层之间的芯层复合而成，所述树脂皮层为热塑性树脂复合材料层，所述芯层为碳纤维纸类增强体。本发明还公开了该复合材料的制备方法。本发明使碳纤维纸类增强体夹之树脂中间，类似于混凝土中的钢筋效果，保证碳纤维纸既能起到碳纤维增强效果，也能保持纤维增强体的连续性，传递、分散载荷，材料呈各向同性，提高复合材料的整体性能，同时呈连续状分布的碳纤维，有利于碳纤维之间形成有效通道，更好的发挥其导电、抗静电以及电磁屏蔽功能。

Description

一种碳纤维纸增强热塑性树脂夹心复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及功能高分子复合材料领域，具体涉及一种碳纤维纸增强热塑性树脂夹心复合材料及其制备方法。
背景技术
碳纤维增强热塑性树脂复合材料以其优异的增强效果极大的提高了热塑性树脂应用空间。碳纤维本身具备电性能，其优异的导电功能在导电、防静电、电磁波屏蔽、以及能源等方面能发挥巨大的优势。
但目前碳纤维类增强热塑性树脂复合材料的成型工艺多是通过挤出共混、密炼机等方式制备，纤维与树脂相容、分散于树脂内部，这样可起到纤维承载载荷以及一定程度上传递载荷的作用。但也存在缺点，碳纤维在挤出机、密炼机等设备中与树脂共混时，由于纤维跟螺杆、料筒壁的摩擦、剪切等作用让纤维断裂，使得纤维在树脂内并没有连续分布，呈断条单根状。这种情况下，增强作用的碳纤维承载载荷后不能十分有效的把载荷传递、分散出去。
长纤维增强热塑性材料（Long Fiber reinforced Thermoplastics，简称LFT）的问世在一定程度弥补了这一缺陷，纤维长度能保持在3～10mm。但这一技术目前也仅限于玻璃纤维增强，且纤维在树脂内部仍然呈单条状、没有连续存在。长纤维增强热塑性材料本身的玻璃纤维增强体本身不导电，也局限了该技术仅限于增强作用，对电性能方面无能为力。
碳纤维要有效发挥其电性能功能，须具备纤维之间的纤维相互接触或间隙很小较小时，才能保证在外电场作用下形成导电通路。目前的挤出共混等加工技术，尽管有利于碳纤维在树脂内部能有效分布，但是加工过程中使得没有连续分布，呈断条单根状，由于没有连续存在，所以对导电、电磁屏蔽等功能不是十分优异。
为了保证导电功能，必须保证一定的纤维含量跟纤维长度。但保证了纤维含量跟纤维长度，会致使纤维在树脂中分散性下降，出现团聚，会致使制件形成短路，且制成的制件表面外观浮纤现象严重，影响美观。
目前热固性环氧树脂也在利用碳纤维纸类复合材料，其加工方法是先做环氧树脂层，然后把碳纤维纸类增强体粘贴于其表面形成复合材料。但其缺点是：①只是两层结构的复合材料，碳纤维纸类增强体浮于树脂表面，没有被树脂完全包覆，受载后易跟树脂材料剥离；②由于碳纤维纸类增强体浮于树脂表面，易造成复合材料翘曲变形；③由于碳纤维纸类增强体浮于树脂表面，形成浮纤，影响产品外观效果，限制了产品设计和使用的自由度。
发明内容
本发明通过将热塑性树脂材料组合物放置于模具内，通过加热装置先做出皮层树脂材料，再把芯层碳纤维纸类增强体通过人工或机械设备放置于两块树脂之间，并让芯层处于两层皮层的最靠近中部的位置，且呈连续状置于树脂厚度方向的中间部位，然后通过加热装置对热塑性树脂层-碳纤维纸类增强体-热塑性树脂层三层结构同时加热熔融、加压压实，使其成为皮-芯-皮的夹心复合一体材料。
本发明的一种碳纤维纸增强热塑性树脂夹心复合材料，其由两层树脂皮层和位于两层树脂皮层之间的芯层复合而成，所述树脂皮层为热塑性树脂复合材料层，所述芯层为碳纤维纸类增强体。
所述热塑性树脂复合材料层由热塑性树脂与助剂混合制成；所述助剂包括增韧剂、抗氧剂、润滑剂中的至少一种。
所述碳纤维纸类增强体是由碳纤维与植物纤维混合抄造而成，其中碳纤维含量75%～95%，优选95%，占碳纤维纸增强热塑性树脂夹心复合材料总质量的0.5%～10%，优选1%～6%；纤维成连续状无规则方向排列，厚度为0.05mm～5mm。
所述热塑性树脂选自聚丙烯（PP）、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚碳酸酯（PC）中的至少一种。
所述增韧剂包括环氧树脂、聚丙烯接枝马来酸酐(PP-G)、乙烯-辛烯共聚物（POE）、甲基丙烯酸酯-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（MBS）、苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)中的至少一种。
所述抗氧剂选自受阻酚类、受阻胺类、亚磷酸酯类、硫代酯类的一种或多种。
本发明所述的一种碳纤维纸增强热塑性树脂夹心复合材料的制备方法，其是将皮层材料放置于模具内，通过加热装置先做出皮层，再把芯层碳纤维纸类增强体通过人工或机械设备放置于两块树脂皮层之间，然后通过加热装置对树脂皮层-碳纤维纸类增强体芯层-热塑性树脂皮层三层结构同时加热熔融、加压压实，使其成为皮-芯-皮的夹心复合一体材料。
上述方法中所述加热温度在180～320℃之间，加热时间在3～10分钟内，加热熔融压力在0.01～10MPa之内，制备皮层热塑性树脂的模具为钢质凹形模具。
上述方法中，所述钢质凹形模具厚度0.25-4mm。
与现有技术相比，具备以下优点：
1.让碳纤维纸类增强体位于热塑性树脂厚度中间部位、被热塑性树脂完全包覆，形成一个稳定、牢固的一体材料，受到外部载荷后不容易跟树脂材料玻璃。
2.让碳纤维纸类增强体位于热塑性树脂厚度中间部位呈连续状分布，这样能更好的承受载荷、分散载荷，提高材料整体强度、刚度效果。
3. 让碳纤维纸类增强体位于热塑性树脂厚度中间，两边有均与的树脂材料，厚度方向呈各向同性，产品不容易发生翘曲变形。
4.碳纤维纸类增强体呈连续状分布，有利于碳纤维之间形成有效通道，更好的发挥其导电、抗静电以及电磁屏蔽功能。
5.碳纤维纸类增强体呈连续状分布，纤维状态无规则排列，性能呈各向同性，复合材料能发挥均匀的功能，使用范围更广，产品设计自由度提高。
6.碳纤维纸类增强体位于热塑性树脂厚度中间部位，有利于产品外观美观，消除了传统碳纤维增强技术存在的浮纤缺陷。
7.出于成本角度考虑，跟植物纤维混合抄造可有效降低碳纤成本。
8.本发明使碳纤维纸类增强体夹之树脂中间，类似于混凝土中的钢筋效果，保证碳纤维纸既能起到碳纤维增强效果，也能保持连续性，传递、分散载荷，材料呈各向同性，提高复合材料的整体性能。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明进行进一步说明。实例中所述份数均为质量份。
表1为材料物理性能测试标准
物理性能 测试方法
表面电阻率 GB/T 1410
拉伸强度 ISO 527
断裂伸长率 ISO 527
拉伸模量 ISO 527
弯曲强度 ISO 178
弯曲模量 ISO 178
简支梁缺口冲击强度 ISO 179
实施例1
（1）将95份PP 075树脂粉料，5份聚丙烯接枝马来酸酐1001通过高混机高速搅拌混合均匀；
（2）将上述混合物放入300mm×300mm×0.5mm的钢质凹形模具内，将模具放置于平板硫化机加热板上，合模加热，各段温度控制在180～250℃内，时间控制在3～105分钟内，热熔融压力在0.01～10MPa之内。
（3）将上述方法制成的PP组合物板材一块置于300mm×300mm×0.5mm的钢质凹形模具内，再将一块300mm×300mm×0.1mm、碳纤维含量95%的碳纤维纸类增强体平铺在075树脂组合物上，最后再把一块PP组合物板材平铺于碳纤维纸类增强体上，将模具放置于平板硫化机加热板上，合模加热，各段温度控制在180～250℃内，时间控制在3～10分钟内，热熔融压力在0.01～10MPa之内；
（4）制备的复合物按标准尺寸裁制成标准样条，性能测试结果如表2 所示。
比较例1
（1）将95份PP 075树脂粉料，5份聚丙烯接枝马来酸酐1001通过高混机高速搅拌混合均匀混；
（2）将上述混合物送入双螺杆挤出机中，在螺杆的输送和剪切作用下，充分熔化、
复合，再经机头挤出、拉条、冷却、切粒。双螺杆挤出机一区温度控制在室温～80℃之间，其余（二区至机头）各段螺杆温度控制在180～250℃之间，螺杆转速控制在100～500r/min。
（3）制备的复合物按标准尺寸注塑成测试用的标准样条，性能测试结果如表2所示。
实施例2
（1）将95份PC IR2200树脂粒料，5份苯乙烯-马来酸酐MBS M210通过高混机高速搅拌混合均匀混；
（2）将上述混合物放入300mm×300mm×0.25mm的钢质凹形模具内，将模具放置于平板硫化机加热板上，合模加热，温度控制在200～300℃内，时间控制在3～10分钟内，热熔融压力在0.01～10MPa之内；
（3）将上述方法制成的PC组合物板材一块置于300mm×300mm×0.5mm的钢质凹形模具内，再将一块300mm×300mm×0.1mm、碳纤维含量95%的碳纤维纸类增强体平铺在PC组合物板材上，最后再把一块PC组合物板材平铺于碳纤维纸类增强体上，将模具放置于平板硫化机加热板上，合模加热，温度控制在200～300℃内，时间控制在3～10分钟内，热熔融压力在0.01～10MPa之内；
（4）制备的复合物按标准尺寸裁制成标准样条，性能测试结果如表2 所示。
比较例2
（1）将95份PC IR2200树脂粒料，5份苯乙烯-马来酸酐MBS M210通过高混机高速搅拌混合均匀混；
（2）将上述混合物送入双螺杆挤出机中，在螺杆的输送和剪切作用下，充分熔化、
复合，再经机头挤出、拉条、冷却、切粒。双螺杆挤出机一区温度控制在室温～80℃之间，其余（二区至机头）各段螺杆温度控制在200～300℃之间，螺杆转速控制在为100～500r/min。
（3）制备的复合物按标准尺寸注塑成测试用的标准样条，性能测试结果如表2 所示。
实施例3
（1）将90份PP7926树脂粒料，10份聚丙烯接枝马来酸酐1001通过高混机高速搅拌混合均匀混；
（2）将上述混合物放入300mm×300mm×2mm的钢质凹形模具内，将模具放置于平板硫化机加热板上，合模加热，温度控制在180～250℃内，时间控制在3～10分钟内，热熔融压力在0.01～10MPa之内；
（3）将上述方法制成的PP组合物板材一块置于300mm×300mm×4mm的钢质凹形模具内，再将一块300mm×300mm×0.2mm、碳纤维含量95%的碳纤维纸类增强体平铺在PP组合物板材上，最后再把一块PP组合物板材平铺于碳纤维纸类增强体上，将模具放置于平板硫化机加热板上，合模加热，温度控制在180～250℃内，时间控制在3～10分钟内，热熔融压力在0.01～10MPa之内；
（4）制备的复合物按标准尺寸裁制成标准样条，性能测试结果如表3所示。
比较例3
（1）将90份PP7926树脂粒料，10份聚丙烯接枝马来酸酐1001通过高混机高速搅拌混合均匀混；
（2）将上述混合物送入双螺杆挤出机中，在螺杆的输送和剪切作用下，充分熔化、
复合，再经机头挤出、拉条、冷却、切粒。双螺杆挤出机一区温度控制在室温～80℃之间，其余（二区至机头）各段螺杆温度控制在180～250℃之间，螺杆转速控制在100～500r/min。
（3）制备的复合物按标准尺寸注塑成测试用的标准样条，性能测试结果如表3 所示。
实施例4
（1）将99份PA6 IM树脂粒料，1硅烷偶联剂KH550通过高混机高速搅拌混合均匀混；
（2）将上述混合物放入300mm×300mm×2mm的钢质凹形模具内，将模具放置于平板硫化机加热板上，合模加热，温度控制在200～300℃内，时间控制在3～10分钟内，热熔融压力在0.01～10MPa之内；
（3）将上述方法制成的PA6组合物板材一块置于300mm×300mm×4mm的钢质凹形模具内，再将一块300mm×300mm×0.5mm、碳纤维含量95%的碳纤维纸类增强体平铺在PA6组合物板材上，最后再把一块PA6组合物板材平铺于碳纤维纸类增强体上，将模具放置于平板硫化机加热板上，合模加热，温度控制在200～300℃内，时间控制在3～10分钟内，热熔融压力在0.01～10MPa之内；
（4）制备的复合物按标准尺寸裁制成标准样条，性能测试结果如表4 所示。
比较例4
（1）将99份PA6 IM树脂粒料，1份硅烷偶联剂KH550通过高混机高速搅拌混合均匀混；
（2）将上述混合物送入双螺杆挤出机中，在螺杆的输送和剪切作用下，充分熔化、
复合，再经机头挤出、拉条、冷却、切粒。双螺杆挤出机一区温度控制在室温～80℃之间，其余（二区至机头）各段螺杆温度控制在200～300℃之间，螺杆转速控制在100～500r/min。
（3）制备的复合物按标准尺寸注塑成测试用的标准样条，性能测试结果如表4 所示。
实施例5
（1）将98份PA66 EPR27树脂粒料，2份硅烷偶联剂KH550通过高混机高速搅拌混合均匀混；
（2）将上述混合物放入300mm×300mm×2mm的钢质凹形模具内，将模具放置于平板硫化机加热板上，合模加热，温度控制在220～320℃内，时间控制在3～10分钟内，热熔融压力在0.01～10MPa之内；
（3）将上述方法制成的PA66组合物板材一块置于300mm×300mm×4mm的钢质凹形模具内，再将一块300mm×300mm×0.5mm、碳纤维含量95%的碳纤维纸类增强体平铺在PA66组合物板材上，最后再把一块PA66组合物板材平铺于碳纤维纸类增强体上，将模具放置于平板硫化机加热板上，合模加热，温度控制在220～320℃内，时间控制在3～10分钟内，热熔融压力在0.01～10MPa之内；
（4）制备的复合物按标准尺寸裁制成标准样条，性能测试结果如表4所示。
比较例5
（1）将98份PA66 EPR27树脂粒料，2份硅烷偶联剂KH550通过高混机高速搅拌混合均匀混；
（2）将上述混合物送入双螺杆挤出机中，在螺杆的输送和剪切作用下，充分熔化、
复合，再经机头挤出、拉条、冷却、切粒。双螺杆挤出机一区温度控制在室温～80℃之间，其余（二区至机头）各段螺杆温度控制在220～320℃之间，螺杆转速控制在100～500r/min。
（3）制备的复合物按标准尺寸注塑成测试用的标准样条，性能测试结果如表4所示。
实施例6
（1）将90份PBT 1100-211M树脂粒料，10份苯乙烯-马来酸酐SMA26080通过高混机高速搅拌混合均匀混；
（2）将上述混合物放入300mm×300mm×2mm的钢质凹形模具内，将模具放置于平板硫化机加热板上，合模加热，温度控制在200～300℃内，时间控制在3～10分钟内，热熔融压力在0.01～10MPa之内；
（3）将上述方法制成的PBT组合物板材一块置于300mm×300mm×4mm的钢质凹形模具内，再将一块300mm×300mm×0.5mm、碳纤维含量95%的碳纤维纸类增强体平铺在PBT组合物板材上，最后再把一块PBT组合物板材平铺于碳纤维纸类增强体上，将模具放置于平板硫化机加热板上，合模加热，温度控制在200～300℃内，时间控制在3～10分钟内，热熔融压力在0.01～10MPa之内；
（4）制备的复合物按标准尺寸裁制成标准样条，性能测试结果如表5 所示。
比较例6
（1）将90份PBT 1100-211M树脂粒料，10份苯乙烯-马来酸酐SMA26080通过高混机高速搅拌混合均匀混；
（2）将上述混合物送入双螺杆挤出机中，在螺杆的输送和剪切作用下，充分熔化、
复合，再经机头挤出、拉条、冷却、切粒。双螺杆挤出机一区温度控制在室温～80℃之间，其余（二区至机头）各段螺杆温度控制在200～300℃之间，螺杆转速控制在100～500r/min。
（3）制备的复合物按标准尺寸注塑成测试用的标准样条，性能测试结果如表5 所示。
表2材料性能测试结果
实施例1 对比例1 实施例2 对比例2
表面电阻率（Ω） 1.48×105 9.8×1016 2.32×103 1.27×1016
表3材料性能测试结果
实施例3 对比例3
拉伸强度（MPa） 15.4 12.2
断裂伸长率（%） 1.06 1
拉伸模量（MPa） 1896 1491
弯曲强度（MPa） 22.7 19
弯曲模量（MPa） 1570 1410
简支梁缺口冲击强度（KJ/m2） 2.4 3.2
表4材料性能测试结果
实施例4 对比例4 实施例5 对比例5
拉伸强度（MPa） 71 48 83 65
断裂伸长率（%） 51 46 15 13
拉伸模量（MPa） 2314 1993 2855 2284
弯曲强度（MPa） 121 100 141 108
弯曲模量（MPa） 2579 2220 2921 2434
简支梁缺口冲击强度（KJ/m2） 7.8 7 12.5 11
表5材料性能测试结果
实施例6 对比例6
拉伸强度（MPa） 67 52
断裂伸长率（%） 14.6 11
拉伸模量（MPa） 2535 2284
弯曲强度（MPa） 75 74
弯曲模量（MPa） 2317 2301
简支梁缺口冲击强度（KJ/m2） 6.6 4.9
通过以上实施例制备的碳纤维纸增强热塑性树脂夹心复合材料的表面电阻率，强度、模量以及冲击性能都得到有效提高。通过表2，该发明分别制备的PP、PC夹心复合材料的表面电阻率减小到103～105Ω，具有极优异的抗静电功能，同时具备了电磁屏蔽以及导电功能。表3该发明制备的PP夹心复合材料的强度、模量得到有效提升，强度最高能提高26%。表4该发明分别制备的PA6、PA66夹心复合材料强度、模量得到大幅提高，PA6拉伸强度最高能提高48%，PA66弯曲强度最高能提高31%。表5该发明制备的PBT夹心复合材料断裂伸长率、冲击强度得到大幅提高，断裂伸长率能提高33%。
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 (9)

1.一种碳纤维纸增强热塑性树脂夹心复合材料，其特征在于，由两层树脂皮层和位于两层树脂皮层之间的芯层复合而成，所述树脂皮层为热塑性树脂复合材料层，所述芯层为碳纤维纸类增强体。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维纸增强热塑性树脂夹心复合材料，其特征在于，所述热塑性树脂复合材料层由热塑性树脂与助剂混合制成；所述助剂包括增韧剂、抗氧剂、润滑剂中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维纸增强热塑性树脂夹心复合材料，其特征在于，所述碳纤维纸类增强体是由碳纤维与植物纤维混合抄造而成，占碳纤维纸增强热塑性树脂夹心复合材料总质量的0.5%～10%，纤维成连续状无规则方向排列，厚度为0.05mm～5mm。
4.根据权利要求2所述的一种碳纤维纸增强热塑性树脂夹心复合材料，其特征在于，所述热塑性树脂选自聚丙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸酯中的至少一种。
5.根据权利要求2所述的一种碳纤维纸增强热塑性树脂夹心复合材料，其特征在于，所述增韧剂包括环氧树脂、聚丙烯接枝马来酸酐、乙烯-辛烯共聚物、甲基丙烯酸酯-丁二烯-苯乙烯三元共聚物、苯乙烯-马来酸酐共聚物中的至少一种。
6.根据权利要求2所述的一种碳纤维纸增强热塑性树脂夹心复合材料，其特征在于，所述抗氧剂选自受阻酚类、受阻胺类、亚磷酸酯类、硫代酯类的一种或多种。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种碳纤维纸增强热塑性树脂夹心复合材料制备方法，其特征在于，将皮层材料放置于模具内，通过加热装置先做出皮层，再把芯层碳纤维纸类增强体通过人工或机械设备放置于两块树脂皮层之间，然后通过加热装置对树脂皮层-碳纤维纸类增强体芯层-热塑性树脂皮层三层结构同时加热熔融、加压压实，使其成为皮-芯-皮的夹心复合一体材料。
8.根据权利要求7所述的一种碳纤维纸增强热塑性树脂夹心复合材料制备方法，其特征在于，加热温度在180～320℃之间，加热时间在3～10分钟内，加热熔融压力在0.01～10MPa之内，制备皮层热塑性树脂的模具为钢质凹形模具。
9.根据权利要求8所述的一种碳纤维纸增强热塑性树脂夹心复合材料制备方法，其特征在于，所述钢质凹形模具厚度0.25-4mm。
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