CN107090187B - 一种耐磨型热塑性碳纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种耐磨型热塑性碳纤维复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐磨型热塑性碳纤维复合材料及其制备方法，该材料由柔性耐磨型碳纤维与热塑性材料组成，其中所述柔性耐磨型碳纤维的结构具体为主体为含碳至少95％的碳纤维，碳纤维外围不规则密布有聚合氯铝及聚合氧铝耐磨基团；通过制备出本质耐磨碳纤维后再采用热塑性材料热冷交替包覆成型而获得。本发明本质耐磨，当应用于磨损环境时其使用寿命远高于常规热塑性碳纤维复合材料。

Description

一种耐磨型热塑性碳纤维复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及热塑性复合材料领域，尤其涉及一种耐磨型热塑性碳纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
热塑性材料，是在加热时能发生流动变形，冷却后可以保持一定形状的物质。大多数线型聚合物均表现出热塑性，很容易进行挤出、注射或吹塑等成型加工。几乎所有线形或支链型聚合物，在一定温度范围内，能反复加热软化和冷却硬化。
现有技术中的热塑性材料由于其机械性能、导热性能或电学性能不足，经常会利用热塑性材料的特性使其在流体化内在其内添加一定比例的碳纤维，获得称为热塑性碳纤维复合材料的一类材料，这类材料既有原热塑料性材料的柔韧性和热塑性，又在一定程度上提高了导热性、导电性及机械强度，但市场上仍没有一种本质耐磨的热塑性碳纤维复合材料。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明旨在提供一种本质耐磨的热塑性碳纤维复合材料及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种耐磨型热塑性碳纤维复合材料的制造方法，包括以下步骤：
1）柔性耐磨型碳纤维的制造
①通过标准方法将氨气、丙烷和丙烯腈合成为聚丙烯腈树脂；
②将步骤①获得的聚丙烯腈树脂溶入聚氧化乙烯与纯净水的混合剂中，该混合剂内聚氧化乙烯与纯净水的体积比为2.5-3：7，获得纺丝原液；
③将六水氯化铝与适量纯净水混合，搅拌并过滤杂质，调配至获得质量百分比58%-65%的氯化铝溶液；
④将步骤③获得的氯化铝溶液与步骤②获得的纺丝原液按体积比1：10混合，然后采用醋酸调节PH至4.2-4.8，采用超声仪按700W-800W功率进行高频振动，并施加左右、上下双通道，频率为8MHz -10MHz的紊乱电场，持续5min-10min，获得混合溶液；
⑤再将氨水雾化后均匀缓慢地通入步骤④制备的混合溶液中，至PH值呈7.5-8，获得第二纺丝液；
⑥步骤⑤完成后继续高频振动20min-25min，然后获得的第二纺丝液置于35℃-40℃的恒温环境下，并搅拌1h-2h，获得预制溶液；
⑦在步骤⑥获得的预制溶液内缓慢滴加稀磷酸溶液并搅拌，至溶液的PH值4.2-4.5，置于70℃-80℃温度下，回流8h，获得预制溶胶液；
⑧将步骤⑦获得的预制溶胶液内缓慢添加3-5%浓度的聚乙烯醇溶液，获得待处理溶胶；
⑨将步骤⑧获得的待处理溶胶通过孔径0.02mm-0.04mm的喷孔加压喷入凝固浴中，压力范围为2.2bar-2.5bar，喷头与凝固浴液面距离为10mm-15mm，获得碳纤维原丝；
⑩将步骤⑨获得的碳纤维原丝按标准方法进行预氧化，然后进行炭化处理，所述炭化处理分为前炭化处理和后炭化处理，前炭化处理温度750℃-800℃，处理时间5min -10min，后炭化处理温度1500℃-1600℃，处理时间5min -8min，即获得所需柔性耐磨型碳纤维；
2）耐磨型热塑性碳纤维复合材料成型
将1）中步骤⑩获得的柔性耐磨型碳纤维与任意热塑性丝状材料编织成股，然后软化热塑性丝状材料后再按标准方法冷凝成型，即获得所需耐磨型热塑性碳纤维复合材料。
上述耐磨型热塑性碳纤维复合材料，由柔性耐磨型碳纤维与热塑性材料组成，其中所述柔性耐磨型碳纤维的结构具体为主体为含碳至少95%的碳纤维，碳纤维外围不规则密布有聚合氯铝及聚合氧铝耐磨基团。
本发明中的柔性耐磨型碳纤维与同时申请的另一份专利中的柔性耐蚀型聚丙烯衍生材料可组合成耐蚀且耐磨的高综合性能热塑性碳纤维材料。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：本发明有机而科学地结合了有机化学、电化学、无机化学及有机物碳化反应的原理，最终获得了目前市场上没有的自耐磨热塑性碳纤维复合材料，具体为：采用氨气、丙烷和丙烯腈合成为聚丙烯腈树脂是利用其规整的碳基线状结构作为本发明的基础，再通过与聚氧化乙烯反应生成可丝状胶化液，再利用氯化铝易与羰基、羟基发生电子配位的原理，使铝聚基团与原碳基线状结构结合，由于常规状态下这种结合不够紧密且易于脱落，本发明利用醋酸调节，一方面利用羧基与羟基的优先结合及羧基与铝聚基团固化的原理增加结合的紧密度，另外使整个溶液呈现酸性，使胶溶液更易析出，同时由于析出后的固化效果，增加成胶后成分的稳定性，高频的振动及施加的紊乱电场均为加快氯代反应提供了环境和动能，确保了反应的更快更彻底完成；通过通入雾化氨水又通入磷酸，通过有机反应将一部分氯铝基团替换为氧铝基团，获得更高的耐磨性和稳定性，由于是附带多功能基团的有机链，因此本发明科学地采用三段加热式逐步实现有机物碳化，又悖于常理地没有将获得的碳纤维进行石墨化（本发明的强度和耐热性已能适应市场需求，由于与热塑性材料配合，石墨化后获得的耐高温性得不到发挥，同时高强度高脆性的石墨化碳纤维由于塑性差，与热塑性材料匹配不佳），最终获得综合性能优良且本质自耐磨的耐磨型热塑性碳纤维复合材料。
具体实施方式
实施例1：
一种耐磨型热塑性碳纤维复合材料，由柔性耐磨型碳纤维与热塑性材料组成，其中所述柔性耐磨型碳纤维的结构具体为主体为含碳96.2%的碳纤维，碳纤维外围不规则密布有聚合氯铝及聚合氧铝耐磨基团；
上述耐磨型热塑性碳纤维复合材料的制造方法，包括以下步骤：
1）柔性耐磨型碳纤维的制造
①通过标准方法将氨气、丙烷和丙烯腈合成为聚丙烯腈树脂；
②将步骤①获得的聚丙烯腈树脂溶入聚氧化乙烯与纯净水的混合剂中，该混合剂内聚氧化乙烯与纯净水的体积比为2.8：7，获得纺丝原液；
③将六水氯化铝与适量纯净水混合，搅拌并过滤杂质，调配至获得质量百分比62%的氯化铝溶液；
④将步骤③获得的氯化铝溶液与步骤②获得的纺丝原液按体积比1：10混合，然后采用醋酸调节PH至4.2，采用超声仪按800W功率进行高频振动，并施加左右、上下双通道，频率为10MHz的紊乱电场，持续10min，获得混合溶液；
⑤再将氨水雾化后均匀缓慢地通入步骤④制备的混合溶液中，至PH值呈8，获得第二纺丝液；
⑥步骤⑤完成后继续高频振动25min，然后获得的第二纺丝液置于40℃的恒温环境下，并搅拌2h，获得预制溶液；
⑦在步骤⑥获得的预制溶液内缓慢滴加稀磷酸溶液并搅拌，至溶液的PH值4.2，置于80℃温度下，回流8h，获得预制溶胶液；
⑧将步骤⑦获得的预制溶胶液内缓慢添加5%浓度的聚乙烯醇溶液，获得待处理溶胶；
⑨将步骤⑧获得的待处理溶胶通过孔径0.02mm的喷孔加压喷入凝固浴中，压力范围为2.4bar，喷头与凝固浴液面距离为12mm，获得碳纤维原丝；
⑩将步骤⑨获得的碳纤维原丝按标准方法进行预氧化，然后进行炭化处理，所述炭化处理分为前炭化处理和后炭化处理，前炭化处理温度800℃，处理时间10min，后炭化处理温度1600℃，处理时间8min，即获得所需柔性耐磨型碳纤维；
2）耐磨型热塑性碳纤维复合材料成型
将1）中步骤⑩获得的柔性耐磨型碳纤维与任意热塑性丝状材料编织成股，然后软化热塑性丝状材料后再按标准方法冷凝成型，即获得所需耐磨型热塑性碳纤维复合材料。
根据本实施例生产的耐磨型热塑性碳纤维复合材料，耐磨性为6.26×104Ｇ／5００Ｒ。
实施例2
整体与实施例1一致，差异之处在于：
一种耐磨型热塑性碳纤维复合材料，其中所述柔性耐磨型碳纤维的结构具体为主体为含碳95.0%的碳纤维。
上述耐磨型热塑性碳纤维复合材料的制造方法，包括以下步骤：
1）柔性耐磨型碳纤维的制造
②将步骤①获得的聚丙烯腈树脂溶入聚氧化乙烯与纯净水的混合剂中，该混合剂内聚氧化乙烯与纯净水的体积比为2.5：7，获得纺丝原液；
③将六水氯化铝与适量纯净水混合，搅拌并过滤杂质，调配至获得质量百分比58%的氯化铝溶液；
④将步骤③获得的氯化铝溶液与步骤②获得的纺丝原液按体积比1：10混合，然后采用醋酸调节PH至4.8，采用超声仪按700W功率进行高频振动，并施加左右、上下双通道，频率为8MHz的紊乱电场，持续5min，获得混合溶液；
⑤再将氨水雾化后均匀缓慢地通入步骤④制备的混合溶液中，至PH值呈7.5，获得第二纺丝液；
⑥步骤⑤完成后继续高频振动20min，然后获得的第二纺丝液置于35℃的恒温环境下，并搅拌1h，获得预制溶液；
⑦在步骤⑥获得的预制溶液内缓慢滴加稀磷酸溶液并搅拌，至溶液的PH值4.5，置于70℃温度下，回流8h，获得预制溶胶液；
⑧将步骤⑦获得的预制溶胶液内缓慢添加3%浓度的聚乙烯醇溶液，获得待处理溶胶；
⑨将步骤⑧获得的待处理溶胶通过孔径0.04mm的喷孔加压喷入凝固浴中，压力范围为2.2bar，喷头与凝固浴液面距离为15mm，获得碳纤维原丝；
⑩将步骤⑨获得的碳纤维原丝按标准方法进行预氧化，然后进行炭化处理，所述炭化处理分为前炭化处理和后炭化处理，前炭化处理温度750℃，处理时间5min，后炭化处理温度1500℃，处理时间5min，即获得所需柔性耐磨型碳纤维；
根据本实施例生产的耐磨型热塑性碳纤维复合材料，耐磨性为4.82×104Ｇ／5００Ｒ。
实施例3
整体与实施例1一致，差异之处在于：
一种耐磨型热塑性碳纤维复合材料，其中所述柔性耐磨型碳纤维的结构具体为主体为含碳95.8%的碳纤维。
上述耐磨型热塑性碳纤维复合材料的制造方法，包括以下步骤：
②将步骤①获得的聚丙烯腈树脂溶入聚氧化乙烯与纯净水的混合剂中，该混合剂内聚氧化乙烯与纯净水的体积比为3：7，获得纺丝原液；
③将六水氯化铝与适量纯净水混合，搅拌并过滤杂质，调配至获得质量百分比65%的氯化铝溶液；
⑨将步骤⑧获得的待处理溶胶通过孔径0.03mm的喷孔加压喷入凝固浴中，压力范围为2.5bar，喷头与凝固浴液面距离为10mm，获得碳纤维原丝；
根据本实施例生产的耐磨型热塑性碳纤维复合材料，耐磨性为5.21×104Ｇ／5００Ｒ。
对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种耐磨型热塑性碳纤维复合材料的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
1）柔性耐磨型碳纤维的制造
①通过标准方法将氨气、丙烷和丙烯腈合成为聚丙烯腈树脂；
②将步骤①获得的聚丙烯腈树脂溶入聚氧化乙烯与纯净水的混合剂中，该混合剂内聚氧化乙烯与纯净水的体积比为2.5-3：7，获得纺丝原液；
③将六水氯化铝与适量纯净水混合，搅拌并过滤杂质，调配至获得质量百分比58%-65%的氯化铝溶液；
④将步骤③获得的氯化铝溶液与步骤②获得的纺丝原液按体积比1：10混合，然后采用醋酸调节p H至4.2-4.8，采用超声仪按700W-800W功率进行高频振动，并施加左右、上下双通道，频率为8MHz -10MHz的紊乱电场，持续5min-10min，获得混合溶液；
⑤再将氨水雾化后均匀缓慢地通入步骤④制备的混合溶液中，至p H值呈7.5-8，获得第二纺丝液；
⑥步骤⑤完成后继续高频振动20min-25min，然后获得的第二纺丝液置于35℃-40℃的恒温环境下，并搅拌1h-2h，获得预制溶液；
⑦在步骤⑥获得的预制溶液内缓慢滴加稀磷酸溶液并搅拌，至溶液的p H值4.2-4.5，置于70℃-80℃温度下，回流8h，获得预制溶胶液；
⑧将步骤⑦获得的预制溶胶液内缓慢添加3-5%浓度的聚乙烯醇溶液，获得待处理溶胶；
⑨将步骤⑧获得的待处理溶胶通过孔径0.02mm-0.04mm的喷孔加压喷入凝固浴中，压力范围为2.2bar-2.5bar，喷头与凝固浴液面距离为10mm-15mm，获得碳纤维原丝；
⑩将步骤⑨获得的碳纤维原丝按标准方法进行预氧化，然后进行炭化处理，所述炭化处理分为前炭化处理和后炭化处理，前炭化处理温度750℃-800℃，处理时间5min -10min，后炭化处理温度1500℃-1600℃，处理时间5min -8min，即获得所需柔性耐磨型碳纤维；
2）耐磨型热塑性碳纤维复合材料成型
将1）中步骤⑩获得的柔性耐磨型碳纤维与任意热塑性丝状材料编织成股，然后软化热塑性丝状材料后再按标准方法冷凝成型，即获得所需耐磨型热塑性碳纤维复合材料。
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