CN106336618A - 一种高导热碳纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高导热碳纤维复合材料及其制备方法，本发明以聚丙烯腈基碳纤维布作为增强体，通过浸渍工艺浸入基体树脂,经喷射、压延等工艺与石墨蠕虫、纳米AZO复合，再经烘烤、模压制得复合材料。与现有技术相比，本发明复合材料制备方法简单，所用原料成本低廉，石墨蠕虫使得材料无论是平行纤维平面方向还是垂直纤维平面方向的导热率都很高。具有红外截止作用的AZO与胶水中的紫外线屏蔽剂可以有效抵御外部热源和阳光辐照。整个复合材料协同作用，在保持一定的力学性能的同时可以有效地导热、抗热，延长了自身使用寿命并有效保护所承载的仪器设备。

Description

一种高导热碳纤维复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于碳纤维复合材料领域,具体涉及一种高导热碳纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
碳纤维复合材料具有耐疲劳、耐摩擦、轻质高强等优异的特性，因而被广泛应用于航空航天、建筑、汽车制造等行业。虽然它具有很多优点但是在某些功能方面表现一般。
目前应用最广泛的聚丙烯腈基碳纤维，虽然成本低廉但其导热性一般，与之复合的环氧、乙烯基、不饱和等树脂在高温时容易过度固化、老化进而影响复合材料的使用寿命。
被制备成结构件的碳纤维复合材料常会与有发热源的设备接触，将热量迅速导散可以有效保护发热设备还可以提高材料本身的使用寿命。尤其现在的机械产品朝着“轻、小”方向发展，设备热量的导散尤为重要。因此高导热性的碳纤维复合材料应用前景十分广阔。
目前碳纤维导热复合材料大致可以分为两类：一类是使用沥青基碳纤维导热。例如发明专利“导热型碳纤维复合材料及制备方法”(申请号为201410240696.5，公开日2014年8月13日)就是以中间相沥青基碳纤维作为导热性填充材料，聚苯硫醚作为基体，使用熔融复合方法将碳纤维与聚苯硫醚复合成一种导热型复合材料。其实施例中碳纤维最高含量为20％，相应制品导热为1.88W/m·k。由于制备纺丝中间相沥青的过程冗繁，中间相沥青纺丝过程中成纤率低，沥青不熔化、过程耗时长以及需要高温热处理等等原因致使沥青基碳纤维价格昂贵。碳纤维具有各向异性的特点，用沥青基碳纤维布增强的复合材料在布平面内导热很好，但是垂直纤维布方向的导热性较差。
另一类是通过添加石墨粉、铝粉等导热性粉体来实现材料的导热性能。如发明专利“一种导热塑料复合材料”(申请号为201410216145.5，公开日2014年8月20日)公开了一种导热塑料复合材料的制备方法。该发明在100份聚氯乙烯树脂中加入30-40份石墨和12-18份铝粉导热剂，2-5份增强体以及其他树脂和助剂制得导热复合材料。该种方法缺点是粉体被基体树脂包埋，影响材料的导热性。另外，这些材料都是将它们内部热源的热量导出，对于外部热源以及太阳辐射的热能无计可施。材料中所使用的碳纤维多为长纤维丝而不是整体织物，致使材料机械性能不够高。
鉴于以上问题，有必要提出一种新型的导热碳纤维复合材料，以实现低成本、高纤维含量、高强度，在平行纤维平面方向和垂直纤维平面方向都有很高的导热率，能够有效抵御外部热源和阳光辐照。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高导热碳纤维复合材料及其制备方法，以聚丙烯腈基碳纤维布作为增强体，通过浸渍工艺浸入基体树脂,经喷射、压延等工艺与石墨蠕虫、纳米AZO粉末(掺铝氧化锌)复合，再经烘烤、模压制得复合材料，成本低廉，而且，既有良好力学性能又有优异导热、抗热性。
本发明提供的一种高导热碳纤维复合材料，包含以下重量份的原料：
所述碳纤维布为聚丙烯腈基碳纤维，面重为200-300g/m2。
所述石墨蠕虫含碳量大于99％，容积为200-300ml/g。
所述纳米AZO粉末纯度大于99.9％，粒径为10-30nm。所述纳米AZO粉末为掺铝氧化锌。
进一步地，所述基体胶水含有以下重量份的原料：
所述的环氧树脂为邻甲酚型环氧树脂、双酚A型环氧树脂、乙二醛型环氧树脂中的一种或几种；
所述的稀释剂为环己酮、二甲基甲酰胺、丙二醇甲醚中的一种或几种；
所述的固化剂为双氰胺、二氨基二苯砜、二氨基二苯甲烷中的一种或几种；
所述的促进剂为2-甲基咪唑、1-苄基-2-乙基咪唑、2,4-二甲基咪唑中的一种或几种；
所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或几种。
所述的紫外线屏蔽剂为氧化锌、氧化铁、二氧化钛中的一种或几种。
本发明提供的一种高导热碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将配方量的环氧树脂、固化剂、促进剂、偶联剂和紫外线屏蔽剂于稀释剂中混合均匀，制得基体胶水；
(2)将配方量的碳纤维布浸渍配方量的基体胶水后，在内表面喷射配方量的石墨蠕虫，并用压延辊压延；
(3)在碳纤维布的外表面喷射配方量的纳米AZO粉末之后，烘烤固化后，得到预浸料；
(4)预浸料通过模压制得所需产品。
进一步的，步骤(2)、(3)中的所述喷射是指在压缩空气的冲压下均匀的喷涂。采用的是本领域的常用设备进行。
进一步的，步骤(2)中石墨蠕虫在碳纤维布上的喷射量为5-20g/m2。
进一步的，步骤(2)中所述压延工艺是指是浸渍基体胶水并喷射石墨蠕虫后的碳纤维布通过两个相互靠紧的辊轮，通过调整辊轮的间隙、辊轮转速以及碳纤维布的张力来实现。是本领域常用设备。
进一步的，步骤(3)中所述纳米AZO粉末在碳纤维布上的喷射量为1-10g/m2。
进一步的，步骤(3)中所述烘烤固化具体为：110-120℃烘炉中烘烤10-15min。
进一步的，步骤(4)中模压过程具体为：温度控制为：开始的前60min，均匀升温至80℃，第61-125min维持80℃，第126-175min均匀升温至120℃，第176-250分钟维持120℃，然后冷却至室温；压力控制为：开始的前125min，维持压力50psi，第126-175min，均匀升压至300psi，第176-250分钟维持300psi；第251-300min均匀降至200psi，然后维持该压力。
本发明以聚丙烯腈基碳纤维布作为增强体，通过浸渍工艺浸入基体树脂,经喷射、压延等工艺与石墨蠕虫、纳米AZO复合，再经烘烤、模压制得复合材料。与现有技术相比，本发明复合材料制备方法简单，所用原料成本低廉，石墨蠕虫使得材料无论是平行纤维平面方向还是垂直纤维平面方向的导热率都很高。具有红外截止作用的AZO与胶水中的紫外线屏蔽剂可以有效抵御外部热源和阳光辐照。整个复合材料协同作用，在保持一定的力学性能的同时可以有效地导热、抗热，延长了自身使用寿命并有效保护所承载的仪器设备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的工艺过程和工艺参数，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的工艺过程图；
图中的数字所代表的相应部件的名称：1为放卷的碳纤维布，2、3、4、5、14、15、16为导布辊，6为基体胶水，7为胶槽，8为纳米AZO粉末喷射设备，9、10为压延辊，11为石墨蠕虫喷射设备，12、13为烘炉，17为收卷的碳纤维布。
图2为模压时的温度和压力参数控制图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明；
实施例1
一种高导热碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将双酚A型环氧树脂40份、双氰胺2份、2-甲基咪唑0.2份、硅烷偶联剂0.02份、氧化锌0.5份放入60份环己酮中混合均匀制得基体胶水；
(2)将75份碳纤维布浸渍28份基体胶水后在内表面喷射石墨蠕虫2份，并用压延辊压实；
(3)再在碳纤维布的外表面喷射纳米AZO粉末1份，之后在120摄氏度烘炉中烘烤10min制得得到预浸料；
(4)将预浸料按图1所示的工艺进行通过制得碳纤维面板。
实施例2
一种高导热碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将双酚A型环氧树脂50份、双氰胺5份、2-甲基咪唑0.5份、硅烷偶联剂0.4份、氧化锌1份放入50份环己酮中混合均匀制得基体胶水；
(2)将碳纤维布70份浸渍基体胶水40份后在内表面喷射石墨蠕虫4份，并用压延辊压实；
(3)再在碳纤维布的外表面喷射纳米AZO粉末1.5份，，之后在120摄氏度烘炉中烘烤10min制得得到预浸料；
(4)将预浸料按图1所示的工艺进行模压制得碳纤维面板。
实施例3
一种高导热碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将双酚A型环氧树脂45份、双氰胺3.5份、2-甲基咪唑0.35份、硅烷偶联剂0.2份、氧化锌0.75份放入55份环己酮中混合均匀制得基体胶水；
(2)将碳纤维布55份浸渍基体胶水40份后在内表面喷射石墨蠕虫5份，并用压延辊压实；
(3)再在碳纤维布的外表面喷射纳米AZO粉末3份，，之后在120摄氏度烘炉中烘烤10min制得得到预浸料；
(4)将预浸料按图1所示的工艺进行模压制得碳纤维面板。
对比例1
将双酚A型环氧树脂45份、双氰胺3.5份、二甲基咪唑0.35份、硅烷偶联剂0.2份、氧化锌0.75份放入55份环己酮中混合均匀制得基体胶水；将碳纤维布浸渍基体胶水之后在120摄氏度烘炉中烘烤10min制得预浸料；将预浸料按图1所示的工艺进行模压制得碳纤维面板。
对比例2
将双酚A型环氧树脂45份、双氰胺3.5份、二甲基咪唑0.35份、硅烷偶联剂0.2份、氧化锌0.75份、石墨粉10份放入55份环己酮中混合均匀制得基体胶水；将碳纤维布浸渍基体胶水之后在120摄氏度烘炉中烘烤10min制得预浸料；将预浸料按图1所示的工艺进行模压制得碳纤维面板。
性能测试：
按ASTM E1461标准进行导热率测试，实施例1-3和对比例的实验结果如表2所示：
表2

Claims (10)

1.一种高导热碳纤维复合材料，其特征在于，所述高导热碳纤维复合材料包含以下重量份的原料：
所述纳米AZO粉末为掺铝氧化锌。
2.根据权利要求1所述的高导热碳纤维复合材料，其特征在于，所述碳纤维布为聚丙烯腈基碳纤维，面重为200-300g/m2。
3.根据权利要求1或2所述的高导热碳纤维复合材料，其特征在于，所述石墨蠕虫含碳量大于99％，容积为200-300ml/g；所述的纳米AZO粉末纯度大于99.9％，粒径为10-30nm。
4.根据权利要求1或2所述的高导热碳纤维复合材料，其特征在于，所述基体胶水含有以下重量份的原料：
5.根据权利要求4所述的高导热碳纤维复合材料，其特征在于，所述的环氧树脂为邻甲酚型环氧树脂、双酚A型环氧树脂、乙二醛型环氧树脂中的一种或几种；所述的稀释剂为环己酮、二甲基甲酰胺、丙二醇甲醚中的一种或几种。
6.根据权利要求4或5所述的高导热碳纤维复合材料，其特征在于，所述的固化剂为双氰胺、二氨基二苯砜、二氨基二苯甲烷中的一种或几种；所述的促进剂为2-甲基咪唑、1-苄基-2-乙基咪唑、2,4-二甲基咪唑中的一种或几种。
7.根据权利要求4或5所述的高导热碳纤维复合材料，其特征在于，所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或几种；所述的紫外线屏蔽剂为氧化锌、氧化铁、二氧化钛中的一种或几种。
8.一种权利要求1-7任一项所述的高导热碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将配方量的环氧树脂、固化剂、促进剂、偶联剂和紫外线屏蔽剂于稀释剂中混合均匀，制得基体胶水；
(2)将配方量的碳纤维布浸渍配方量的基体胶水后，在内表面喷射配方量的石墨蠕虫，并用压延辊压延；
(3)在碳纤维布的外表面喷射配方量的纳米AZO粉末之后，烘烤固化后，得到预浸料；
(4)预浸料通过模压制得所需产品。
9.根据权利要求8所述的高导热碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中石墨蠕虫在碳纤维布上的喷射量为5-20g/m2。
10.根据权利要求8或9所述的高导热碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述纳米AZO粉末在碳纤维布上的喷射量为1-10g/m2；所述烘烤固化具体为：110-120℃烘炉中烘烤10-15min。
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