CN106883516A - 连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料及其制备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料及其制备。按材料重量计，配方包括：（1）聚丙烯100份；（2）抗氧剂0.1‑1份；（3）流动促进剂0.2‑2份；（4）增韧剂2‑10份；（5）相容剂1‑5份；将以上组份按照一定比例预混好后，通过双/单螺杆机组熔融混合挤到“衣架”型模头中进行分流，最后进入“S”型模头对碳纤进行充分浸渍，制得连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料；本发明在于：相对传统碳纤增强PP复合材料，采用特殊浸渍工艺制备的连续碳纤增强复合材料由于碳纤维在PP载体中长度保留率很高或是连续的，所以不仅力学性能得到很大提升，基于连续的网络结构，其复合材料的导电、导热性能也大大提高。

Description

连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料及其制备
技术领域
本发明涉及一种连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料及其制备。
背景技术
聚丙烯（Polypropylene,简称PP）是由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂,也包括丙烯与少量乙烯的共聚物在内，通常为半透明无色固体，无臭无毒；由于结构规整而高度结晶化，故熔点可高达167℃。密度小，是最轻的通用塑料；对水特别稳定，在水中吸水率仅为0.01%左右；耐热、耐腐蚀，制品可用蒸汽消毒是其突出优点。其强度、刚度、硬度耐热性均优于低压聚乙烯,可在100℃左右使用。具有良好的介电性能和高频绝缘性且不受湿度影响。由于其以上优异的性能，广泛应用于包装、管材、服装、汽车、家用电器等领域。但其在-35℃低温时变脆，不耐磨、易老化。
随着生活水平的提高以及节能、减排、环保、可持续发展意识的增强，在汽车、家用电器等许多领域都提出了高性能化、功能化、轻量化的要求。例如虽然聚丙烯强度高于聚乙烯，拉伸强度可达30MPa以上，但仍然限制了其在高性能要求领域的应用。纵观聚合物增强塑料的发展，以芳纶纤维、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维增强聚合物材料最为突出，性能可以钢材媲美甚至有过之而无不及，密度却远远低于钢材，而其中碳纤维增强复合材料集高性能、低密度、导电、导热等功能性于一身。长/连续碳纤增强聚丙烯(Long/ContinuousCarbon Fiber Reinforced Polypropylene.简称LCFRPP/CCFRPP)是倍受人们关注的新品种之一。一般聚丙烯树脂拉伸强度在20-30MPa，弯曲强度在25-50MPa，弯曲模量在800-1500MPa之间，而LCFRPP的拉伸强度提高到100-150MPa，是纯树脂的3-5倍，弯曲强度和模量也是原来的3-5倍左右，机械性能大大提高；当制成单向连续碳纤增强片材时，其拉伸强度高达900-1500MPa，复合成多层板材后拉伸强度也可高达400-700MPa。
此外，连续碳纤维复合材料不仅赋予了材料高强高模和轻量化，还赋予了优异的导电、导热性能，大大拓宽了复合材料的应用领域；相比传统短碳纤复合材料，在同等的添加量下，各项性能更为突出。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料及其制备。
本发明一方面提供一种连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料，按材料重量计，配方包括：
（1）聚丙烯100份；
（2）抗氧剂0.1-1份；
（3）流动促进剂0.2-2份；
（4）增韧剂2-10份；
（5）相容剂1-5份。
优选为，所述的聚丙烯指丙烯聚合或者丙烯与少量乙烯共聚物，其熔融指数大于等于25g/10min。其中PP可以是等规聚丙烯或共聚聚丙烯的单品种或复配体系
优选为，所述的抗氧剂选自抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂168、抗氧剂DSTP、抗氧剂P-EPQ、抗氧剂PEP-36A、抗氧剂300、抗氧剂PAT 218中的一种或几种复合。
优选为，所述流动促进剂选自超支化聚合物树脂Hyper C100T、超支化聚合物树脂CYD-2136PE硬脂酸及其盐类、聚烯烃蜡、乙撑双硬脂酰胺EBS、改性乙撑双脂肪酸酰胺TAF、硅酮粉或母粒中的一种。
优选为，所述的增韧剂选自乙烯-辛烯共聚物POE、乙烯醋酸乙烯酯EVA、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三元共聚物SBS、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯SIS、乙丙橡胶EPDM、纳米二氧化硅、超支化树脂CYD-6100等中的一种或几种复配。
优选为，所述相容剂主要指以聚丙烯为载体的接枝物，接枝单体为马来酸酐MAH或甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA。
本发明有益效果如下：
1、相对传统碳纤增强PP复合材料，采用特殊浸渍工艺制备的连续碳纤增强复合材料由于碳纤维在PP载体中长度保留率很高或是连续的，所以不仅力学性能得到很大提升，基于连续的网络结构，其复合材料的导电、导热性能也大大提高。
2、针对浸渍碳纤用聚丙烯树脂和碳纤维结构特点，碳纤维采用表面活化处理过的，再使用超支化聚合物对其流动性能和相容性进行改进，从而达到制备性能优异的碳纤增强热塑性材料；其中超支化聚合物微观结构为基体与聚丙烯具有很好相容性，支化末端为与活化碳纤具有非常好结合力的活性官能团的球状分子；由于这种球状结构对聚丙烯分子链起到润滑效果，大大提高了聚丙烯熔体的流动性能，提高了聚丙烯与碳纤之间的浸渍效果；而超支化尾端活性官能团与碳纤结合，增强了聚烯烃树脂与碳纤之间的界面结合能力，提高了机械性能。
本发明另一方面提供一种连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将以上组份按照一定比例预混好后，通过双/单螺杆机组熔融混合挤到“衣架”型模头中进行分流，最后进入“S”型模头对碳纤进行充分浸渍，制得连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料。
优选为，螺杆挤出机温度为：180-250℃；“衣架”型模头温度220-260℃；“S”型模头温度230-260℃。
优选为，制备连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合板材时，热压温度180-250℃，热压时间2-10min。
本制备方法的有益效果如下：
该制备方法制备出来的长碳纤增强聚丙烯粒子机械性能优良，密度低；制备出来的连续碳纤增强热塑性聚丙烯片材可实现超薄化和高性能化，复合得到的板材机械强度更高，导电、导热性优异可满足许多特定领域的应用。该制备方法操作简单，具有重要现实应用价值，市场前景广阔。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明各实施例力学性能、导电性能及导热性能表。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施例1
一种连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料，按材料重量计，配方包括：均聚聚丙烯树脂100 kg，熔指40g/10min；抗氧剂1010 0.1kg；超支化聚合物Hyper C100T 0.2kg，乙烯-辛烯共聚物POE 2kg， PP接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯PP-g-GMA 1kg。
一种连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料的制备方法，包括如下步骤：将以上组份按照一定比例预混好后，通过单螺杆机组熔融混合挤到“衣架”型模头中进行分流，最后进入“S”型模头对碳纤进行充分浸渍，牵条经过冷却水冷却造粒，制得长碳纤增强热塑性粒子LCFRT，碳纤含量20%。
螺杆挤出机温度为：180-250℃；“衣架”型模头温度220-260℃；“S”型模头温度230-260℃； 制备连续碳纤增强PP板材时，热压温度180-250℃，热压时间2-10min。
具体实施例2
一种连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料，按材料重量计，配方包括：均聚聚丙烯树脂100 kg，熔指60g/10min；抗氧剂1010 0.2kg，抗氧剂168 0.2kg，抗氧剂DSTP0.6kg；超支化聚合物Hyper C100T 2 kg，乙烯醋酸乙烯酯EVA 5kg, PP接枝马来酸酐PP-g-MAH 3kg。
一种连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料的制备方法，包括如下步骤：将以上组份按照一定比例预混好后，通过单螺杆机组熔融混合挤到“衣架”型模头中进行分流，最后进入“S”型模头对碳纤进行充分浸渍，牵条经过冷却水冷却造粒，制得长碳纤增强热塑性粒子LCFRT，碳纤含量控制在30%左右。
螺杆挤出机温度为：180-250℃；“衣架”型模头温度220-260℃；“S”型模头温度230-260℃； 制备连续碳纤增强PP板材时，热压温度180-250℃，热压时间2-10min。
具体实施例3
一种连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料，按材料重量计，配方包括：均聚PP树脂70 kg，熔指100g/10min，共聚PP树脂30 kg，熔指60g/10min；抗氧剂1010 0.4kg，抗氧剂168 0.1kg，抗氧剂PAT218 0.2kg；超支化聚合物CYD-2136PE 1.2 kg，乙烯-辛烯共聚物POE 6kg， PP接枝马来酸酐PP-g-MAH 5kg。
一种连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料的制备方法，包括如下步骤：将以上组份按照一定比例预混好后，通过双螺杆机组熔融混合挤到“衣架”型模头中进行分流，最后进入“S”型模头对碳纤进行充分浸渍，牵条经过冷却水冷却造粒，制得长碳纤增强热塑性粒子LCFRT，碳纤含量50%。
螺杆挤出机温度为：180-250℃；“衣架”型模头温度220-260℃；“S”型模头温度230-260℃； 制备连续碳纤增强PP板材时，热压温度180-250℃，热压时间2-10min。
具体实施例4
一种连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料，按材料重量计，配方包括：均聚PP树脂40 kg，熔指80g/10min，共聚PP树脂60 kg，熔指40g/10min；抗氧剂1010 0.4kg，抗氧剂168 0.1kg，抗氧剂PAT218 0.2kg，超支化聚合物Hyper C100T 1.0 kg，乙烯-辛烯共聚物POE 5kg， PP接枝马来酸酐PP-g-MAH 2kg。
一种连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料的制备方法，包括如下步骤：将以上组份按照一定比例预混好后，通过单螺杆机组熔融混合挤到“衣架”型模头中进行分流，最后进入“S”型模头对碳纤进行充分浸渍，成片后经过钢辊进行压制冷却定型、收卷，制得连续碳纤增强聚丙烯带材CCFRPP，碳纤含量控制在40%左右，带材厚度0.20mm。
螺杆挤出机温度为：180-250℃；“衣架”型模头温度220-260℃；“S”型模头温度230-260℃； 制备连续碳纤增强PP板材时，热压温度180-250℃，热压时间2-10min。
具体实施例5
一种连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料，按材料重量计，配方包括：均聚PP树脂60 kg，熔指80g/10min，共聚PP树脂20 kg，熔指40g/10min；抗氧剂1010 0.1kg，抗氧剂168 0.1kg，抗氧剂DSTP 0.4kg；超支化聚合物CYD-2136PE 2 kg，超支化树脂CYD-61005kg， PP接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯PP-g-GMA 4kg。
一种连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料的制备方法，包括如下步骤：将以上组份按照一定比例预混好后，通过双螺杆机组熔融混合挤到“衣架”型模头中进行分流，最后进入“S”型模头对碳纤进行充分浸渍，成片后经过钢辊进行压制冷却定型、收卷，制得连续碳纤增强热塑性PP带材CCFRPP，碳纤含量控制在50%左右，带材厚度0.22mm。
螺杆挤出机温度为：180-250℃；“衣架”型模头温度220-260℃；“S”型模头温度230-260℃； 制备连续碳纤增强PP板材时，热压温度180-250℃，热压时间2-10min。
具体实施例6
一种连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料，按材料重量计，配方包括：均聚PP树脂100 kg，熔指60g/10min；抗氧剂1010 0.1kg，抗氧剂168 0.1kg，抗氧剂 PAT2180.3kg；超支化聚合物Hyper C100T 1.2 kg，乙烯-辛烯共聚物POE 6kg， PP接枝马来酸酐PP-g-MAH 3kg。
一种连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料的制备方法，包括如下步骤：将以上组份按照一定比例预混好后，通过双螺杆机组熔融混合挤到“衣架”型模头中进行分流，最后进入“S”型模头对碳纤进行充分浸渍，成片后经过钢辊进行压制冷却定型、收卷，制得连续碳纤增强热塑性PP带材，碳纤含量控制在50%左右，带材厚度0.18mm；然后将其带材按照纤维方向0°和90°交叉铺层，经过层压设备制得厚度为3mm左右的板材。
螺杆挤出机温度为：180-250℃；“衣架”型模头温度220-260℃；“S”型模头温度230-260℃； 制备连续碳纤增强PP板材时，热压温度180-250℃，热压时间2-10min。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料，其特征在于：按材料重量计，配方包括：
（1）聚丙烯100份；
（2）抗氧剂0.1-1份；
（3）流动促进剂0.2-2份；
（4）增韧剂2-10份；
（5）相容剂1-5份。
2.根据权利要求1所述的连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料，其特征在于：所述的聚丙烯指丙烯聚合或者丙烯与少量乙烯共聚物，其熔融指数大于等于25g/10min。
3.其中PP可以是等规聚丙烯或共聚聚丙烯的单品种或复配体系
根据权利要求1所述的连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂选自抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂168、抗氧剂DSTP、抗氧剂P-EPQ、抗氧剂PEP-36A、抗氧剂300、抗氧剂PAT 218中的一种或几种复合。
4.根据权利要求1所述的连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料，其特征在于：所述流动促进剂选自超支化聚合物树脂Hyper C100T、超支化聚合物树脂CYD-2136PE硬脂酸及其盐类、聚烯烃蜡、乙撑双硬脂酰胺EBS、改性乙撑双脂肪酸酰胺TAF、硅酮粉或母粒中的一种。
5.根据权利要求1所述的连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料，其特征在于：所述的增韧剂选自乙烯-辛烯共聚物POE、乙烯醋酸乙烯酯EVA、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三元共聚物SBS、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯SIS、乙丙橡胶EPDM、纳米二氧化硅、超支化树脂CYD-6100等中的一种或几种复配。
6.根据权利要求1所述的连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料，其特征在于：所述相容剂主要指以聚丙烯为载体的接枝物，接枝单体为马来酸酐MAH或甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA。
7.一种根据权利要求1至6任意一项所述的连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将以上组份按照一定比例预混好后，通过双/单螺杆机组熔融混合挤到“衣架”型模头中进行分流，最后进入“S”型模头对碳纤进行充分浸渍，制得连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料。
8.根据权利要求7所述的连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料的制备方法，其特征在于：螺杆挤出机温度为：180-250℃；“衣架”型模头温度220-260℃；“S”型模头温度230-260℃。
9.根据权利要求8所述的连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合材料的制备方法，其特征在于：制备连续碳纤维增强聚丙烯高性能导电、导热复合板材时，热压温度180-250℃，热压时间2-10min。
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