CN106566243A - 一种含纳米高岭土的碳纤维增强型pa66/pp电力金具材料及其制备方法 - Google Patents

一种含纳米高岭土的碳纤维增强型pa66/pp电力金具材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含纳米高岭土的碳纤维增强型PA66/PP电力金具材料，及其制备工艺，其特征在于，以PA66、碳纤维、玻璃纤维、聚丙烯、三聚氰胺氰尿酸盐、硼酸锌、次磷酸铝、竹炭、硅橡胶、水性聚氨酯、马来酸酐接枝聚丙烯、牛血清白蛋白溶液、六钛酸钾晶须、氧化石墨烯、纳米高岭土、多壁碳纳米管、环氧树脂、空心玻璃微珠、邻苯二甲酸二丁酯、二甲基硅油、聚酰胺、马来酸酐接枝POE等为原料。本发明采用硼酸锌对三聚氰胺氰尿酸盐进行包覆，得复合阻燃剂；以牛血清白蛋白改性玻璃纤维表面，利用静电吸附原理制备氧化石墨包覆的玻璃纤维复合材料；碳纤维增强PA66具有优异的力学性能、自润滑性和导电性能；得到一种含纳米高岭土的碳纤维增强型PA66/PP电力金具材料。

Description

一种含纳米高岭土的碳纤维增强型PA66/PP电力金具材料及 其制备方法
技术领域
本发明涉及电力金具材料领域，具体涉及一种含纳米高岭土的碳纤维增强型PA66/PP电力金具材料，及其制备工艺。
背景技术
金具是电力输送过程中的重要部件，以节能减排为目的，开发新型易加工、可回收的塑料电力金具材料具有重要的实际意义。碳纤维增强PA66具有优异的力学性能、自润滑性和导电性能等，但是鉴于金具用于户外高空，使用环境恶劣，而尼龙在长期水、光照和热的作用下易降解。
潘任行在其硕士论文《碳纤维表面修饰及增强尼龙66复合材料的研究》中，先将碳纤维进行电化学表面处理，在碳纤维表面引入活性基团比如-C-OH和-COOH，然后使用自配的聚氨酯(PU)上浆剂对碳纤维进行上浆处理，最后将碳纤维通过挤出造粒和注塑的方法制备成碳纤维增强尼龙66(CFRPA66)。但得到的材料耐候性不足，而且不具备阻燃性能。
本发明以次磷酸铝为阻燃剂，以竹炭为协效剂，采用硼酸锌对三聚氰胺氰尿酸盐进行包覆，得复合阻燃剂；以马来酸酐接枝聚丙烯为增容剂，以核-壳结构的硅橡胶为增韧剂，碳纤维增强PA66具有优异的力学性能、自润滑性和导电性能；以牛血清白蛋白改性玻璃纤维表面，利用静电吸附原理制备氧化石墨包覆的玻璃纤维复合材料；多壁碳纳米管的加入提高了PA66纤维的力学性能和玻璃化温度；采用熔融共混法制备了聚丙烯(PP)/聚酰胺66(PA66)共混物，以马来酸酐接枝POE为增容剂，提高了共混物的拉伸强度和断裂伸长率；改性纳米高岭土和马来酸酐接枝POE对PA66具有协同增韧作用；得到一种含纳米高岭土的碳纤维增强型PA66/PP电力金具材料。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种含纳米高岭土的碳纤维增强型PA66/PP电力金具材料及其制备工艺，依照该工艺制作的电力金具材料具有质轻、耐候、阻燃的优良性能。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
PA66 20-28，聚丙烯(PP)10-14，碳纤维9-13，玻璃纤维5-9，三聚氰胺氰尿
酸盐2-4，硼酸锌2-5，次磷酸铝2-5，竹炭1-3，硅橡胶2-5，水性聚氨酯1-2，马来酸酐接枝聚丙烯2-4，牛血清白蛋白溶液1-3，六钛酸钾晶须2-3，氧化石墨烯1-2，环氧树脂2-3，空心玻璃微珠2-5，邻苯二甲酸二丁酯1-3，二甲基硅油1-2，聚酰胺1-3，马来酸酐接枝POE 1-3，纳米高岭土2-5，四乙氧基硅烷1-2，多壁碳纳米管2-5，NaOH溶液，NH4HCO3、丙酮、HCl溶液、乙醇、适量。
一种含纳米高岭土的碳纤维增强型PA66/PP电力金具材料的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
a. 向三聚氰胺氰尿酸盐中加NaOH溶液，搅拌均匀，加入硼酸锌，升温60-90℃反应1-2h，得白色粘稠产物，抽滤、水洗3-5次，于110-160℃干燥1-2h；将次磷酸铝、竹炭在100-140℃烘干1-2h后，与前者混合，超细粉碎，得复合阻燃剂；
b. 将碳纤维置于退浆炉中，在氮气保护下，于400-600℃进行高温退浆处理，然后置于电解液NH4HCO3中，在50-90℃电解90-150s，水洗3-5次，90-130℃干燥1-2h，再与硅橡胶、水性聚氨酯混合；将马来酸酐接枝聚丙烯在70-90℃真空干燥箱中干燥1-2 h后，与前者混合球磨1-2h待用；
c. 将玻璃纤维在丙酮中浸泡清洗处理0.5-1h，在HCl溶液中羟基化处理1-2h，水洗3-5次，在牛血清白蛋白溶液中浸没0.5-1h，水洗3-5次，加入六钛酸钾晶须和氧化石墨烯的分散液，均匀搅拌，超声分散，调溶液pH 3-6，静置0.5-1h，冲洗3-5次，60-90℃烘干，得石墨烯包覆的玻璃纤维复合材料；
d. 将环氧树脂放入70-90℃水浴中，加入空心玻璃微珠和c中所得物料，混合搅拌1-2h，然后加入邻苯二甲酸二丁酯、二甲基硅油、聚酰胺，混合搅拌均匀，室温固化1-2h，待用；
e. 将纳米高岭土投入高速混合机中，然后慢慢加入乙醇稀释的四乙氧基硅烷，高速搅拌20-40min后出料，即得改性纳米高岭土，在80-100℃下鼓风干燥2-5h，将马来酸酐接枝POE在75-95℃真空干燥箱中干燥3-5h，将两者混合均匀，待用；
f. 将PA66在80-110℃真空干燥箱中干燥2-4h，与多壁碳纳米管、聚丙烯及a、b、e中所得物料加入高速搅拌机中充分混合得预混料，将预混料和d中所得物料分别从双螺杆挤出机的主加料口和侧加料口下料，于240-270℃挤出造粒，随后将粒子放入烘箱中于110-130℃干燥2-4h，然后用注塑机于250-280℃注射成试样，即得一种含纳米高岭土的碳纤维增强型PA66/PP电力金具材料。
本发明的反应机理及有益效果如下：
（1）次磷酸铝(AHP)具有磷含量高、阻燃效果好等优点，协效剂竹炭的加入能够促使AHP降解生成磷酸和焦磷酸，在固相中，磷酸和焦磷酸可以促进PA66降解成炭，且降解后产生的致密炭层可以阻止氧和热传递到聚合物基体内部，有利于提高材料的阻燃性能；三聚氰胺氰尿酸盐（MCA）是一种典型的氮系无卤阻燃剂，无臭无味，分解温度高，低烟低毒，采用硼酸锌对MCA进行控制，使硼酸锌分散沉积在MCA表面，对MCA进行包覆，分隔成较小的独立反应体系，使得反应体系的粘度始终保持在一个较低的水平。
（2）碳纤维增强PA66具有优异的力学性能、自润滑性和导电性能，先将碳纤维进行电化学表面处理，在碳纤维表面引入活性基团比如-C-OH和-COOH，然后用水性聚氨酯对碳纤维进行上浆处理，处理后与PA66拥有更好的界面结合性能，所制备的复合材料也拥有更高的力学性能，以马来酸酐接枝聚丙烯为增容剂，以核-壳结构的硅橡胶为增韧剂。
（3）以牛血清白蛋白改性玻璃纤维表面，利用静电吸附原理制备氧化石墨包覆的玻璃纤维复合材料，具有优异的柔性和热稳定性。六钛酸钾晶须硬度低、不易磨损对磨面、与有机聚合物基体的相容性突出，在聚合物基体中分散性好。
（4）以邻苯二甲酸二丁酯为增塑剂，以二甲基硅油为消泡剂，以聚酰胺为固化剂，以环氧树脂为基体，填充材料为空心玻璃微珠和玻璃纤维，制备了玻璃纤维/玻璃微珠/环氧树脂复合材料，具有轻质、高比强、多功能性等优点。
（5）改性纳米高岭土和马来酸酐接枝POE对PA66具有协同增韧作用，改性纳米高岭土可明显提高马来酸酐接枝POE对PA66复合体系的冲击强度和拉伸强度，改性纳米高岭土的加入对马来酸酐接枝POE具有助分散的作用。
（6）采用熔融共混法制备了聚丙烯(PP)/聚酰胺66(PA66)共混物，以马来酸酐接枝POE为增容剂，提高了共混物的拉伸强度和断裂伸长率；多壁碳纳米管的加入提高了PA66纤维的力学性能和玻璃化温度。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例
一种含纳米高岭土的碳纤维增强型PA66/PP电力金具材料，由下述重量份(g)的原料制得：
PA66 28，聚丙烯(PP)10，碳纤维13，玻璃纤维5，三聚氰胺氰尿酸盐4，硼
酸锌2，次磷酸铝5，竹炭3，硅橡胶2，水性聚氨酯2，马来酸酐接枝聚丙烯2，牛血清白蛋白溶液1，六钛酸钾晶须3，氧化石墨烯1，环氧树脂3，空心玻璃微珠5，邻苯二甲酸二丁酯1，二甲基硅油2，聚酰胺1，马来酸酐接枝POE 3，纳米高岭土5，四乙氧基硅烷1，多壁碳纳米管5，NaOH溶液，NH4HCO3、丙酮、HCl溶液、乙醇、适量。
一种含纳米高岭土的碳纤维增强型PA66/PP电力金具材料的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
a. 向三聚氰胺氰尿酸盐中加NaOH溶液，搅拌均匀，加入硼酸锌，升温80-90℃反应1h，得白色粘稠产物，抽滤、水洗3次，于140-160℃干燥1h；将次磷酸铝、竹炭在130-140℃烘干2h后，与前者混合，超细粉碎，得复合阻燃剂；
b. 将碳纤维置于退浆炉中，在氮气保护下，于500-550℃进行高温退浆处理，然后置于电解液NH4HCO3中，在70-80℃电解150s，水洗3次，110-120℃干燥1h，再与硅橡胶、水性聚氨酯混合；将马来酸酐接枝聚丙烯在80-90℃真空干燥箱中干燥1 h后，与前者混合球磨1h待用；
c. 将玻璃纤维在丙酮中浸泡清洗处理01h，在HCl溶液中羟基化处理1h，水洗3次，在牛血清白蛋白溶液中浸没1h，水洗3次，加入六钛酸钾晶须和氧化石墨烯的分散液，均匀搅拌，超声分散，调溶液pH 4-5，静置1h，冲洗3次，70-80℃烘干，得石墨烯包覆的玻璃纤维复合材料；
d. 将环氧树脂放入80-90℃水浴中，加入空心玻璃微珠和c中所得物料，混合搅拌1h，然后加入邻苯二甲酸二丁酯、二甲基硅油、聚酰胺，混合搅拌均匀，室温固化2h，待用；
e. 将纳米高岭土投入高速混合机中，然后慢慢加入乙醇稀释的四乙氧基硅烷，高速搅拌40min后出料，即得改性纳米高岭土，在80-90℃下鼓风干燥3h，将马来酸酐接枝POE在80-90℃真空干燥箱中干燥3h，将两者混合均匀，待用；
f. 将PA66在100-110℃真空干燥箱中干燥2h，与多壁碳纳米管、聚丙烯及a、b、e中所得物料加入高速搅拌机中充分混合得预混料，将预混料和d中所得物料分别从双螺杆挤出机的主加料口和侧加料口下料，于250-260℃挤出造粒，随后将粒子放入烘箱中于110-120℃干燥2h，然后用注塑机于260-270℃注射成试样，即得一种含纳米高岭土的碳纤维增强型PA66/PP电力金具材料。
上述实施例制备的一种含纳米高岭土的碳纤维增强型PA66/PP电力金具材料的性能检测结果如下所示：
经耐水解性（乙二醇，130℃，50h）测试后，拉伸强度变化率为34%，弯曲强度变化率为41%，冲击强度变化率为122%，重量变化率为13%；弯曲性能损失率＜50%，符合使用要求；
经热老化（150℃，2000h）测试，拉伸强度变化率为21%，弯曲强度变化率为17%，冲击强度变化率为12%，满足损失率＜25%的要求；
经光老化（2000h）测试，拉伸强度变化率为22%，弯曲强度变化率为16%，冲击强度变化率为12%，满足损失率＜30%的要求。

Claims (2)

1.一种含纳米高岭土的碳纤维增强型PA66/PP电力金具材料，其特征在于，由下述重量份的原料制得：
PA66 20-28，聚丙烯(PP)10-14，碳纤维9-13，玻璃纤维5-9，三聚氰胺氰尿
酸盐2-4，硼酸锌2-5，次磷酸铝2-5，竹炭1-3，硅橡胶2-5，水性聚氨酯1-2，马来酸酐接枝聚丙烯2-4，牛血清白蛋白溶液1-3，六钛酸钾晶须2-3，氧化石墨烯1-2，环氧树脂2-3，空心玻璃微珠2-5，邻苯二甲酸二丁酯1-3，二甲基硅油1-2，聚酰胺1-3，马来酸酐接枝POE 1-3，纳米高岭土2-5，四乙氧基硅烷1-2，多壁碳纳米管2-5，NaOH溶液，NH4HCO3、丙酮、HCl溶液、乙醇、适量。
2.根据权利要求1所述的一种含纳米高岭土的碳纤维增强型PA66/PP电力金具材料的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
a. 向三聚氰胺氰尿酸盐中加NaOH溶液，搅拌均匀，加入硼酸锌，升温60-90℃反应1-2h，得白色粘稠产物，抽滤、水洗3-5次，于110-160℃干燥1-2h；将次磷酸铝、竹炭在100-140℃烘干1-2h后，与前者混合，超细粉碎，得复合阻燃剂；
b. 将碳纤维置于退浆炉中，在氮气保护下，于400-600℃进行高温退浆处理，然后置于电解液NH4HCO3中，在50-90℃电解90-150s，水洗3-5次，90-130℃干燥1-2h，再与硅橡胶、水性聚氨酯混合；将马来酸酐接枝聚丙烯在70-90℃真空干燥箱中干燥1-2 h后，与前者混合球磨1-2h待用；
c. 将玻璃纤维在丙酮中浸泡清洗处理0.5-1h，在HCl溶液中羟基化处理1-2h，水洗3-5次，在牛血清白蛋白溶液中浸没0.5-1h，水洗3-5次，加入六钛酸钾晶须和氧化石墨烯的分散液，均匀搅拌，超声分散，调溶液pH 3-6，静置0.5-1h，冲洗3-5次，60-90℃烘干，得石墨烯包覆的玻璃纤维复合材料；
d. 将环氧树脂放入70-90℃水浴中，加入空心玻璃微珠和c中所得物料，混合搅拌1-2h，然后加入邻苯二甲酸二丁酯、二甲基硅油、聚酰胺，混合搅拌均匀，室温固化1-2h，待用；
e. 将纳米高岭土投入高速混合机中，然后慢慢加入乙醇稀释的四乙氧基硅烷，高速搅拌20-40min后出料，即得改性纳米高岭土，在80-100℃下鼓风干燥2-5h，将马来酸酐接枝POE在75-95℃真空干燥箱中干燥3-5h，将两者混合均匀，待用；
f. 将PA66在80-110℃真空干燥箱中干燥2-4h，与多壁碳纳米管、聚丙烯及a、b、e中所得物料加入高速搅拌机中充分混合得预混料，将预混料和d中所得物料分别从双螺杆挤出机的主加料口和侧加料口下料，于240-270℃挤出造粒，随后将粒子放入烘箱中于110-130℃干燥2-4h，然后用注塑机于250-280℃注射成试样，即得一种含纳米高岭土的碳纤维增强型PA66/PP电力金具材料。
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