CN107557956B

CN107557956B - 一种碳纤维布

Info

Publication number: CN107557956B
Application number: CN201710817058.9A
Authority: CN
Inventors: 严兵; 许文前; 郎鸣华; 刘成; 赵清新; 何定军
Original assignee: Jiangsu Aosheng Composite Materials Hi Tech Co ltd
Current assignee: Suzhou Huairen Chemical Fiber Co.,Ltd.
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2037-09-12
Also published as: CN107557956A

Abstract

本发明提供了一种碳纤维布。该碳纤维布是由经纱和纬纱编织而成；其中，所述经纱和纬纱均含有有机纤维丝，所述有机纤维丝为聚亚苯基砜纤维丝和/或聚苯硫醚纤维丝。本发明还提供了一种复合材料，其是由上述的碳纤维布与聚苯硫醚复合而成。本发明的技术方案通过在碳纤维布中添加有机纤维丝，可以提高碳纤维布与聚苯硫醚的界面相容性，提高碳纤维布/聚苯硫醚复合材料的力学性能。特别当有机纤维丝是聚亚苯基砜/双酚A型聚砜复合纤维丝时，可以在碳纤维聚苯硫醚复合材料的制备过程，通过聚亚苯基砜/双酚A型聚砜复合纤维丝的熔融引导聚苯硫醚浸润碳纤维布，提高两者的界面相容性，提高复合材料的机械性能。

Description

一种碳纤维布

技术领域

本发明涉及一种碳纤维布，属于纺织材料技术领域。

背景技术

碳纤维具有低密度、高比强度和比模量、耐高温、抗化学腐蚀、高热导、低热膨胀等优良特性，同时具有高抗冲击性能，故由其制成的复合材料常具有优异的综合性能。研究发现，相比传统成型方法制备的短碳纤维增强材料，碳纤维布复合材料的纤维含量可以很高，同时拉伸强度和模量也可提高一个数量级。

聚苯硫醚(PPS)被称为第六大特种工程塑料，具有优良的热稳定性、良好的电绝缘性、耐腐蚀性和自阻燃性，并且能通过挤出法、连续层压、自动化纤维/带材铺层法、软外壳模塑及注射模塑法等加工，所以广泛应用于汽车、电子电器和航空航天等各个领域，市场需求量剧增。

采用碳纤维布对PPS增强可有效提高PPS的力学性能，如拉伸强度和韧性，同时也能改善耐热性。目前碳纤维布增强PPS材料已应用于汽车、航空航天、军工、机械等许多领域。

但是，碳纤维布与PPS的相容性差，PPS不能完全的浸润碳纤维布。碳纤维布增强PPS复合材料成型后，在碳纤维布的表面会出现空隙和缺陷，影响复合材料的机械强度，导致复合材料的强度达不到理想的效果。

申请号为200910155010.1的专利公开了一种抗冲击复合材料用碳纤维混杂织物，是将碳纤维丝和有机纤维丝混合编织而成，可以提高碳纤维复合材料的韧性，提高其抗冲击性能。但没有提到可以改善碳纤维和PPS的粘结性。

申请号为201610579342.2的专利公开了一种制备碳纤维织物增强聚苯硫醚热塑性复合材料的方法，是将碳纤维布先浸入环氧树脂的丙酮溶液中进行预处理，在与PPS薄膜热压形成预浸料，预浸料在于PPS薄膜交替叠放，在一定温度和压力下制备出碳纤维织物增强聚苯硫醚热塑性复合材料。这种方法使得碳纤维丝与聚苯硫醚基体的界面黏附力通过环氧树脂的过渡作用得到改善，但由于环氧树脂和PPS的界面粘附力本身也不强，且碳纤维布在环氧树脂中也不能完全浸润，所以改善效果不够明显。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种碳纤维布，能够提高碳纤维布和PPS的相容性、界面黏附力，从而提高碳纤维布增强PPS复合材料的机械性能。

本发明的目的通过以下技术方案得以实现：

一种碳纤维布，其是由经纱和纬纱编织而成；其中，

所述经纱和纬纱均含有有机纤维丝，所述有机纤维丝为聚亚苯基砜纤维丝和/或聚苯硫醚纤维丝。

上述的碳纤维布中，碳纤维布是指有碳纤维编织而成的二维材料，可以增强复合材料的机械强度；经纱是指沿织机长度方向延伸的纱，与经纱垂直的称为纬纱。经纱和纬纱是由多根的一种或多种纤维丝混编制得，纤维丝具体如玻璃纤维丝、碳纤维丝和有机纤维丝。为了提高碳纤维复合材料的机械强度，优选经纱中含有10根以上碳纤维丝。碳纤维丝是以PAN、沥青和纤维素为原料经过氧化、碳化和表面上浆处理后的碳纤维单丝经过并丝得到的一维碳纤维束。

上述的碳纤维布中，有机纤维丝是指用有机聚合物为原料通过溶解或熔融制成纺丝原液，在经过纺丝，清洗牵伸干燥等工艺制备而成。本发明中，聚亚苯基砜纤维丝和/或聚苯硫醚纤维丝即是由聚亚苯基砜、聚苯硫醚这样两种聚合物纺丝制得的。聚苯硫醚是聚合物分子主链中带有苯硫基的热塑性树脂，能提供材料在溶液和电解液中的耐溶剂性、阻燃性、耐热性和刚性的性能；聚亚苯基砜，简称PPSU，是由对聚苯硫与过乙酸反应制得的基本树脂组成，能提高耐溶剂性好、刚性和韧性好，耐高温性、耐热氧化性、耐腐蚀性。添加此类有机纤维丝能提高碳纤维布与基体树脂特别是聚苯硫醚的粘结性。

上述的碳纤维布中，优选的，所述经纱包含至少两根的碳纤维丝和至少一根的有机纤维丝；所述纬纱为至少一根的有机纤维丝。

上述的碳纤维布中，优选的，所述经纱中，所述经纱采用的有机纤维丝的根数为：不超过有机纤维丝纤度/碳纤维丝的纤度×碳纤维丝的根数-2后向下取整得到的整数，且最多不超过碳纤维丝的根数。

上述的碳纤维布中，有机纤维丝的根数是有要求的，有机纤维丝的根数太少，达不到增强碳纤维布和基体材料的粘结性的作用；有机纤维丝的根数太多，单位面积上碳纤维丝的根数变少，碳纤维复合材料的强度不够，且成本提高。

上述的碳纤维布中，有机纤维丝可以在经纱的内侧，也可以在经纱的外侧，同样的，在有机纤维丝数量不少于2时，有机纤维丝同样可以任意排布；优选的，所述经纱中，有机纤维丝中的至少一根位于经纱的外侧，且在有机纤维丝数量大于等于2时，有机纤维丝中的至少一根位于经纱的内侧。

上述的碳纤维布中，在将有机纤维丝放在外侧或者内外侧都放的效果较好。

上述的碳纤维布中，在制备树脂基复合材料时，有机纤维丝同树脂接触后在碳纤维丝上熔融，具有诱导树脂浸润碳纤维丝的作用。而按上述条件排布有机纤维丝和碳纤维丝，有助于提高树脂浸润碳纤维丝的程度，从而提高复合材料的性能。

上述的碳纤维布中，优选的，所述经纱中，所用碳纤维丝的纤度为66-800g/1000m，所用有机纤维丝的纤度为碳纤维丝的纤度的50％-200％。

上述的碳纤维布中，优选的，所用有机纤维丝的纤度为碳纤维丝的纤度的50％-100％；进一步优选60％-90％；所用碳纤维丝的纤度为100-600g/1000m。

上述的碳纤维布中，经纱所用的有机纤维丝的纤度为碳纤维丝的纤度的50％-200％。根据具体实施方案，所用有机纤维丝的纤度为碳纤维丝的纤度的50％-100％，进一步优选60％-90％，也就是说，在本申请中，100％-200％这个幅度内的有机纤维丝也是可以使用的，但是较好的情况是选择有机纤维丝的纤度为碳纤维丝的纤度的50％-100％这个幅度；因为当有机纤维丝的纤度大于碳纤维丝的纤度的100％，会影响编织速度，并且编织物会弯曲变形；当有机纤维丝的纤度小于碳纤维丝的纤度的50％，有机纤维丝太细，达不到增强碳纤维布和基体材料的粘结性的作用。

上述的碳纤维布中，优选的，所述纬纱中，所述纬纱采用的有机纤维丝的根数为：不超过有机纤维丝纤度/碳纤维丝的纤度×碳纤维丝的根数向下取整得到的整数。

上述的碳纤维布中，纬纱中，过多的有机纤维丝不会提高产品的性能和品质，却增加成本。

上述的碳纤维布中，优选的，相邻纬纱之间的间距可以为4-9mm；更优选的，相邻纬纱之间的间距为4-6mm；进一步优选的为5mm。

本发明采用的碳纤维布可以先将碳纤维丝和有机纤维丝按照相应的位置排列混编成一串经纱或者纬纱，然后按照一般的编织工艺制得，具体如用经纱和纬纱以有梭或无梭织机加工而成的碳纤维布。

上述的碳纤维布中，纬纱用有机纤维丝主要的作用在于维持碳纤维布的横向尺寸、形状，纬纱用有机纤维丝的纤度太大，则会造成碳纤维布中经纱和纬纱会弯曲不笔直，并降低了碳纤维布平整性；太小则强度低，不利于保持尺寸、形状；优选的，所述纬纱中，所用有机纤维丝的纤度为碳纤维丝的纤度的80％-150％。更优选的，所用有机纤维丝的纤度为碳纤维丝的纤度的100％-130％。

本申请中，从实用性上考虑，碳纤维丝的纤度为66-800g/1000m。纤度是表征纤维材料的粗细程度的指标，一般通过测定纤维单位长度的质量来表征。优选的，碳纤维丝的纤度为100-600g/1000m。

上述的碳纤维布中，优选的，在所述经纱中，所用的有机纤维丝为聚亚苯基砜/双酚A型聚砜复合纤维丝。

上述的碳纤维布中，优选的，所述纬纱中，所用的有机纤维丝为聚苯硫醚纤维丝。

上述的碳纤维布中，优选情况是在所述经纱中，所用的有机纤维丝为聚亚苯基砜/双酚A型聚砜复合纤维丝；在所述纬纱中，所用的有机纤维丝为聚苯硫醚纤维丝；这样综合两种材料的优点，具有优异的力学性能，高强度、高模量、高硬度、低蠕变性；化学稳定性好，耐无机酸、碱、盐液的侵蚀和突出的热力学性能，耐热、耐寒、热变形温度高和耐冲击能力强等特点。

上述的碳纤维布中，聚亚苯基砜/双酚A型聚砜复合纤维丝的制备可以按照一般的方法进行。比如，将聚亚苯基砜和双酚A型聚砜充分溶于其共溶剂中形成纺纱原液，再经过静电纺纱机制备而成。其中，溶剂为二甲基乙酰胺和丙酮的一种或多种。

本发明还提供一种复合材料，其是由上述的碳纤维布与聚苯硫醚复合而成。

本发明的上述复合材料制备方法可以采用一般方法制得。比如将碳纤维布和聚苯硫醚薄膜按一定的顺序叠放入模具中，在300-350℃，0.5-1MPa条件下放置0.5-2小时，再冷却到室温～60℃，脱模即可制得。

本发明的突出效果为：

本发明的技术方案通过在碳纤维布中添加有机纤维丝，可以提高碳纤维布与聚苯硫醚的界面相容性，提高碳纤维布/聚苯硫醚复合材料的力学性能。特别的，当有机纤维丝是聚亚苯基砜/双酚A型聚砜复合纤维丝时，可以在碳纤维聚苯硫醚复合材料的制备过程，通过聚亚苯基砜/双酚A型聚砜复合纤维丝的熔融引导聚苯硫醚浸润碳纤维布，提高两者的界面相容性，提高复合材料的机械性能。

本发明碳纤维布及其复合材料可以应用于航空航天、交通运输、体育器材、桥梁房屋建筑和工业制品等领域，用于制作各种承力结构如飞机的主翼、尾翼和机体、汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等；直行车、羽毛球拍、钓鱼竿等运动器材；幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆等建筑设施以及防腐泵、阀、槽、罐等工业设备和配件等。尤其是，可以作为风力发电机叶片的增强材料使用。

附图说明

图1是本发明实施例中碳纤维布的经纱中有机纤维都在内侧情况下编织而成的碳纤维布的示意图；

图2是实施例中碳纤维布的经纱中有机纤维部分位于内侧，部分位于外侧情况下编织而成碳纤维布的示意图。

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。

下述实施例中，对于取样测试的方案如下：

纤度：用天平称量10个长度为1000m纤维丝样品的质量，取算术平均值，单位：g/1000m。

相邻纬纱的间距：用游标卡尺测定，单位：mm。

碳纤维布/聚苯硫醚复合材料(即简称复合材料)拉伸强度：按GB/T1447-2005测定，将样品裁成I型试样，总长＝180mm，厚度＝8mm拉伸加载速度＝10mm/min。

碳纤维布/聚苯硫醚复合材料弯曲强度：按照GB/T 1449-2005进行。样品的尺寸为：长×宽×厚＝160mm×15mm×8mm；测试速度＝10mm/min。

碳纤维布/聚苯硫醚复合材料的层间剪切强度：按照GB/T1450.1-2005进行。测试速度＝10mm/min。

下述实施例中，所采用的材料如下：

碳纤维丝：

A1：东丽株式会社产T300-3000，纤度为198g/1000m。

A2：东丽株式会社产T1100GC-12000，纤度为505g/1000m。

有机纤维丝：

B1：聚苯硫醚纤维丝，江苏南通新帝克特种纤维有限公司产，纤度为99g/1000m；

B2：聚亚苯基砜纤维丝，纤度为198g/1000m。按以下方法制备：将聚亚苯基砜均匀溶解于丙酮中配制成纺纱原液，再运用静电纺纱机制备而成。

B3：聚苯硫醚纤维丝，江苏南通新帝克特种纤维有限公司产，纤度为297g/1000m。

B4：聚亚苯基砜/双酚A型聚砜复合纤维丝，纤度为198g/1000m。按以下方法制备：将聚亚苯基砜和双酚A型聚砜的充分溶于其溶剂二甲基乙酰胺和丙酮(体积比为7∶3)的混合溶液中配制成纺纱原液，再运用静电纺纱机制备而成。

聚苯硫醚树脂：东丽株式会社产A400M。

聚乙烯纤维丝：纤度为297g/1000m。

实施例

本实施例提供11种碳纤维布，如图1和图2所示，其是由经纱和纬纱编织而成。为了清楚表示实施中的经纱中碳纤维丝、有机纤维丝的数量、种类和排布位置关系，以及纬纱的种类数量以及间隔关系，本实施例的参数以列表表示，如表1所示。

表1

本实施例的碳纤维布是通过将表1中的碳纤维和有机纤维编成经纱和纬纱之后再用梭织机编织成坯布。

对比例

本对比例提供4中对比碳纤维布，其经纱中碳纤维丝、有机纤维丝的数量、种类和排布位置关系，以及纬纱的种类数量以及间隔关系，如下表2所示。其制备方法同实施例。

表2

将实施例和对比例的碳纤维布与聚苯硫醚薄膜，按照层压板制备方法制备复合材料层压板。具体如下：将碳纤维布与聚苯硫醚薄膜交替叠放于涂有脱模剂的模具中内，将模具放入已升温至300℃的平板硫化机内，加压至1MPa，热压1小时后，保压并冷却至50℃，脱模，即可得到碳纤维布/聚苯硫醚复合材料(复合材料)层压板样品。并对这些样品测定其机械强度，如表3所示。

表3

由表3可见，本发明的实施例的碳纤维与聚苯硫醚的复合材料的机械强度较对比例中有较大提高。特别是当有机纤维丝是聚亚苯基砜/双酚A型聚砜复合纤维丝时，可以在碳纤维聚苯硫醚复合材料的制备过程，通过聚亚苯基砜/双酚A型聚砜复合纤维丝的熔融引导聚苯硫醚浸润碳纤维布，提高两者的界面相容性，提高复合材料的机械性能。说明本发明纤维与基体树脂特别是聚苯硫醚的粘结性更好，具有很好的实用性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种碳纤维布，其是用于与聚苯硫醚形成碳纤维布增强聚苯硫醚复合材料，该碳纤维布是由经纱和纬纱编织而成；其中，

所述经纱和纬纱均含有有机纤维丝，在所述经纱中，所用的有机纤维丝为聚亚苯基砜/双酚A型聚砜复合纤维丝；所述纬纱中，所用的有机纤维丝为聚苯硫醚纤维丝；其中；所述经纱包含至少两根的碳纤维丝和至少一根的有机纤维丝；所述纬纱为至少一根的有机纤维丝；所述经纱中，所用碳纤维丝的纤度为66-800g/1000m，所用有机纤维丝的纤度为碳纤维丝的纤度的50％-200％。

2.根据权利要求1所述的碳纤维布，所用有机纤维丝的纤度为碳纤维丝的纤度的50％-100％，所用碳纤维丝的纤度为100-600g/1000m。

3.根据权利要求1所述的碳纤维布，其中，所述经纱中，所述经纱采用的有机纤维丝的根数为：不超过有机纤维丝纤度/碳纤维丝的纤度×碳纤维丝的根数-2后向下取整得到的整数，且最多不超过碳纤维丝的根数。

4.根据权利要求1所述的碳纤维布，其中，所述经纱中，有机纤维丝中的至少一根位于经纱的外侧，且在有机纤维丝数量大于等于2时，有机纤维丝中的至少一根位于经纱的内侧。

5.根据权利要求1所述的碳纤维布，其中，所述纬纱中，所述纬纱采用的有机纤维丝的根数为：不超过有机纤维丝纤度/碳纤维丝的纤度×碳纤维丝的根数向下取整得到的整数。

6.根据权利要求1所述的碳纤维布，其中，相邻纬纱之间的间距为4-9mm。

7.根据权利要求1所述的碳纤维布，其中，所述纬纱中，所用有机纤维丝的纤度为碳纤维丝的纤度的80％-150％。

8.一种复合材料，其是由权利要求1-7任一项所述的碳纤维布与聚苯硫醚复合而成。