CN108342075A - 一种碳纤维增强的眼镜腿及其制备方法 - Google Patents

一种碳纤维增强的眼镜腿及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维增强的眼镜腿及其制备方法，制备碳纤维增强的眼镜腿的原料按重量份包括：树脂材料50份～60份、改性碳纤维20份～30份、硅烷偶联剂1份～4份、纳米补强粉体5份～10份、铝粉0.5份～1.5份，改性碳纤维为等离子体处理后的碳纤维。本发明的眼镜腿原料中添加等离子体处理后的碳纤维，在充分利用碳纤维材料高强度、耐腐蚀特性的同时，采用等离子体处理碳纤维表面，增加碳纤维材料与树脂材料间的粘合作用，提高树脂材料的韧性和强度，制备的碳纤维增强的眼镜腿的强度大，抗冲击性好，韧性好，质地轻便，佩戴舒适，并且制备方法简单，制作流程易操作，适合大规模的生产。

Description

一种碳纤维增强的眼镜腿及其制备方法
技术领域
本发明涉及眼镜领域，具体涉及一种碳纤维增强的眼镜腿及其制备方法。
背景技术
近年来，由于各因素的影响，青少年眼部出现较多问题，特别是患有近视的人群正在逐年上升。近视在初高中生的比例较大，并逐步增大，如若不经过正规治疗，佩戴眼镜将会伴随一生，这就导致国内近视眼镜的需求大量增加。眼镜腿，特别是近视眼镜的眼镜腿，由于佩戴着长期使用，其舒适度和耐久性就显得尤其重要。传统眼镜腿的材质主要分为金属材质、塑料材质和复合材质等。金属材质由于其自身的金属结构，具有结实耐用的特点，但其舒适度较低，并且长期佩戴会出现皮肤过敏等现象；塑料材质的眼镜腿，成本低廉样式丰富，但就够耐性差；复合材质眼镜腿耐候性好、稳固牢靠，但制作复杂，加工成本较高。
碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维"外柔内刚"，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。未经表面处理的碳纤维表面羟基、羰基等极性基团的含量较少，不利于其与基体树脂的结合。因此，要想碳纤维在基体树脂中充分发挥其优越的性能，需对碳纤维表面进行改性处理，以提高碳纤维与树脂之间的粘结强度。碳纤维的表面处理方法有很多种，其中等离子体处理是一种气固间的反应，改性仅发生在被处理物体表面层，不影响物体本体的性能，作用时间短，效率高，被广泛用于碳纤维、芳纶纤维等表面处理技术中。
中国专利CN106970473A公开了一种碳纤维眼镜腿及其制备工艺，眼镜腿由改性碳纤维层、金属芯板层复合而成，改性碳纤维层由以下原料制备而成：碳纤维、二硫化钼和石墨，金属芯板层由钛锌合金制备而成。本发明的眼镜腿以碳纤维材料为主要原料，通过编织织造成型，再通过复合材料的加工方法来制备，增强了眼镜腿的强度和耐磨性及适用性，但是该专利的眼镜腿有金属芯板层，增加了眼镜腿的重量，降低了使用者的舒适度，另外制备过程复杂，制作成本较高。
中国专利CN104845288A公开了一种高韧性玻纤增强聚合物，由以下各组分组成：基体树脂、等离子体处理玻纤、增韧剂、偶联剂、抗氧剂和润滑剂，该高韧性玻纤增强聚合物的生产方法主要通过对未上浆连续玻璃纤维进行等离子体处理，提高玻璃纤维表面的粗糙度和活性基团，增加增韧剂对玻纤的润湿性和玻璃纤维的聚合物中的分散剂，通过偶联剂的使用进一步提高增韧剂对纤维的润湿性以及纤维和聚合物的粘结性能，从而极大地提高玻璃纤维增强的强度，同时提高玻璃纤维增强聚合物合金材料的韧性。但该发明制备的高韧性玻纤增强聚合物的韧性不高，易出现断裂等现象。
因此，急需一种戴着轻便舒适，稳固牢靠，机械强度高，以及耐候性好的眼镜腿及其制备方法。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种碳纤维增强的眼镜腿及其制备方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：制备碳纤维增强的眼镜腿的原料按重量份包括：树脂材料50份～60份、改性碳纤维20份～30份、硅烷偶联剂1份～4份、纳米补强粉体5份～10份、铝粉0.5份～1.5份；改性碳纤维为等离子体处理后的碳纤维。其中，碳纤维直径为8微米～18微米，等离子体处理后的碳纤维失重率为0.1％～0.5％。
进一步的，制备碳纤维增强的眼镜腿的原料按重量份包括：树脂材料55份、改性碳纤维25份、偶联剂2.5份、纳米补强粉体8份、铝粉1.0份。
进一步的，树脂材料为聚十二内酰胺。其中，聚十二内酰胺为半结晶-结晶热塑性材料，具有很好的抗冲击性及化学稳定性，优良的耐磨损性和高体积稳定性。
进一步的，纳米补强粉体为纳米碳酸钙。其中纳米碳酸钙为超细碳酸钙，将其添加到树脂材料中，纳米碳酸钙与树脂材料有较好的亲和性，分散性好，可以提高材料的机械性能，起到增强、增韧的作用。
进一步的，等离子体处理的工艺参数为：气体组分为氩气和氧气的混合气，氩气和氧气的质量流量比为100:1～5，电源功率为300W～700W，处理时间为2分钟～4分钟，等离子体处理在常压下进行。
本发明的另一发明目的在于提供一种上述碳纤维增强的眼镜腿的制备方法，包括如下步骤：
步骤I，按上述重量份称取制备碳纤维增强的眼镜腿的原料，将上述重量份的树脂材料、改性碳纤维和硅烷偶联剂进行混合，加热搅拌10分钟～15分钟，得到第一混合物；
步骤II，向第一混合物中加入上述重量份的纳米补强粉体和铝粉，继续搅拌混合5分钟～10分钟，得到第二混合物；
步骤III，将步骤II得到的第二混合物注入到模具中，热熔注塑成型；
步骤IV，将成型后的眼镜腿进行表面处理，包括整形、打磨以及表面喷光油，得到碳纤维增强的眼镜腿。
进一步的，步骤I中，上述树脂材料在称取前，先将其放到70℃～80℃的烘箱中干燥1.5小时～3小时。
进一步的，步骤I中，所述加热的温度为250℃～265℃。
进一步的，步骤III中，所述热熔注塑成型的温度为270℃～290℃。
本发明的优点是：
1.本发明制备的碳纤维增强的眼镜腿，添加等离子体处理后的碳纤维，在充分利用碳纤维材料高强度、耐腐蚀特性的同时，采用等离子体处理碳纤维表面，促进其表面形成极性官能团，以及呈现表面刻蚀效果，增加碳纤维材料与树脂材料间的粘合作用，提高树脂材料的韧性和强度；
2.本发明添加纳米补强粉体纳米碳酸钙，纳米碳酸钙与树脂材料有较好的亲和性，分散性好，可以提高材料的机械性能，进一步提高碳纤维材料增强、增韧的作用；添加有硅烷偶联剂，可以进一步提高碳纤维与树脂材料的结合作用，提高眼镜腿的强度；添加一定量的铝粉，提高眼镜腿的色泽，提高亮度；
3.本发明制备的碳纤维增强的眼镜腿的强度较大，抗冲击性好，韧性好，质地轻便，佩戴舒适，并且制备方法简单，制作流程易操作，适合大规模的生产。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
一种碳纤维增强的眼镜腿及其制备方法
碳纤维增强的眼镜腿的原料组成：
树脂材料5.5kg、改性碳纤维2.5kg、偶联剂0.25kg、纳米补强粉体0.8kg、铝粉0.1kg。
改性碳纤维等离子体处理的工艺参数为：碳纤维直径为8微米～10微米，气体组分为氩气和氧气的常压混合气，氩气和氧气的质量流量比为100:3，电源功率为500W，处理时间为3分钟，等离子体处理后的碳纤维失重率为0.3％。
碳纤维增强的眼镜腿通过如下方法制备：
步骤I，将树脂材料放到75℃的烘箱中干燥2.0小时，按上述重量份称取制备碳纤维增强的眼镜腿的原料，将上述重量份的树脂材料、改性碳纤维和硅烷偶联剂进行混合，加热至257℃，搅拌13分钟，得到第一混合物；
步骤II，向第一混合物中加入上述重量份的纳米补强粉体和铝粉，继续搅拌混合7分钟，得到第二混合物；
步骤III，将步骤II得到的第二混合物注入到模具中，热熔注塑成型，热熔注塑成型的温度为280℃；
步骤IV，将成型后的眼镜腿进行表面处理，包括整形、打磨以及表面喷光油，得到碳纤维增强的眼镜腿。
实施例2
一种碳纤维增强的眼镜腿及其制备方法
碳纤维增强的眼镜腿的原料组成：
树脂材料5.0kg、改性碳纤维2.0kg、偶联剂0.2kg、纳米补强粉体0.5kg、铝粉0.05kg。
改性碳纤维等离子体处理的工艺参数为：碳纤维直径为10微米～12微米，气体组分为氩气和氧气的常压混合气，氩气和氧气的质量流量比为100:1，电源功率为700W，处理时间为2分钟，等离子体处理后的碳纤维失重率为0.5％。
碳纤维增强的眼镜腿通过如下方法制备：
步骤I，将树脂材料放到70℃的烘箱中干燥3小时，按上述重量份称取制备碳纤维增强的眼镜腿的原料，将上述重量份的树脂材料、改性碳纤维和硅烷偶联剂进行混合，加热至250℃，搅拌15分钟，得到第一混合物；
步骤II，向第一混合物中加入上述重量份的纳米补强粉体和铝粉，继续搅拌混合5分钟，得到第二混合物；
步骤III，将步骤II得到的第二混合物注入到模具中，热熔注塑成型，热熔注塑成型的温度为270℃；
步骤IV，将成型后的眼镜腿进行表面处理，包括整形、打磨以及表面喷光油，得到碳纤维增强的眼镜腿。
实施例3
一种碳纤维增强的眼镜腿及其制备方法
碳纤维增强的眼镜腿的原料组成：
树脂材料6.0kg、改性碳纤维2.5kg、偶联剂0.1kg、纳米补强粉体1.0kg、铝粉0.15kg。
改性碳纤维等离子体处理的工艺参数为：碳纤维直径为12微米～16微米，气体组分为氩气和氧气的常压混合气，氩气和氧气的质量流量比为100:5，电源功率为300W，处理时间为4分钟，等离子体处理后的碳纤维失重率为0.1％。
碳纤维增强的眼镜腿通过如下方法制备：
步骤I，将树脂材料放到80℃的烘箱中干燥1.5小时，按上述重量份称取制备碳纤维增强的眼镜腿的原料，将上述重量份的树脂材料、改性碳纤维和硅烷偶联剂进行混合，加热至265℃，搅拌10分钟，得到第一混合物；
步骤II，向第一混合物中加入上述重量份的纳米补强粉体和铝粉，继续搅拌混合10分钟，得到第二混合物；
步骤III，将步骤II得到的第二混合物注入到模具中，热熔注塑成型，热熔注塑成型的温度为290℃；
步骤IV，将成型后的眼镜腿进行表面处理，包括整形、打磨以及表面喷光油，得到碳纤维增强的眼镜腿。
实施例4
一种碳纤维增强的眼镜腿及其制备方法
碳纤维增强的眼镜腿的原料组成：
树脂材料6.0kg、改性碳纤维3.0kg、偶联剂0.4kg、纳米补强粉体0.6kg、铝粉0.12kg。
改性碳纤维等离子体处理的工艺参数为：碳纤维直径为16微米～18微米，气体组分为氩气和氧气的常压混合气，氩气和氧气的质量流量比为100:2，电源功率为400W，处理时间为2.5分钟，等离子体处理后的碳纤维失重率为0.2％。
碳纤维增强的眼镜腿通过如下方法制备：
步骤I，将树脂材料放到75℃的烘箱中干燥2.0小时，按上述重量份称取制备碳纤维增强的眼镜腿的原料，将上述重量份的树脂材料、改性碳纤维和硅烷偶联剂进行混合，加热至260℃，搅拌16分钟，得到第一混合物；
步骤II，向第一混合物中加入上述重量份的纳米补强粉体和铝粉，继续搅拌混合6分钟，得到第二混合物；
步骤III，将步骤II得到的第二混合物注入到模具中，热熔注塑成型，热熔注塑成型的温度为285℃；
步骤IV，将成型后的眼镜腿进行表面处理，包括整形、打磨以及表面喷光油，得到碳纤维增强的眼镜腿。
实施例5
一种碳纤维增强的眼镜腿及其制备方法
碳纤维增强的眼镜腿的原料组成：
树脂材料5.5kg、改性碳纤维3.0kg、偶联剂0.3kg、纳米补强粉体1.2kg、铝粉0.2kg。
改性碳纤维等离子体处理的工艺参数为：碳纤维直径为8微米～10微米，气体组分为氩气和氧气的常压混合气，氩气和氧气的质量流量比为100:4，电源功率为600W，处理时间为1.5分钟，等离子体处理后的碳纤维失重率为0.3％。
碳纤维增强的眼镜腿通过如下方法制备：
步骤I，将树脂材料放到85℃的烘箱中干燥4小时，按上述重量份称取制备碳纤维增强的眼镜腿的原料，将上述重量份的树脂材料、改性碳纤维和硅烷偶联剂进行混合，加热至270℃，搅拌8分钟，得到第一混合物；
步骤II，向第一混合物中加入上述重量份的纳米补强粉体和铝粉，继续搅拌混合6分钟，得到第二混合物；
步骤III，将步骤II得到的第二混合物注入到模具中，热熔注塑成型，热熔注塑成型的温度为295℃；
步骤IV，将成型后的眼镜腿进行表面处理，包括整形、打磨以及表面喷光油，得到碳纤维增强的眼镜腿。
实验例
为了进一步说明本发明的技术进步性，现采用实验进一步说明。
实验材料：市售的眼镜腿、本发明实施例1～5所生产的碳纤维增强的眼镜腿。
实验方法：同等情况下比较各种材料的各项性能。
表1.实施例1～5制备的碳纤维增强的眼镜腿的测试结果
实验结果表明，本发明制备的碳纤维增强的眼镜腿的弹性模量在174GPa～196GPa范围内，悬臂梁冲击D256实验的结果在181J/m～215J/m的范围内，弯曲强度D790在226MPa～251MPa之间，永久变形量的范围为0.31mm～0.47mm。由此可知，与市售树脂眼镜腿相比，本发明制备的碳纤维增强的眼镜腿的强度较大，抗冲击性好，韧性较大，并且制备的碳纤维增强的眼镜腿的质量较轻，佩戴舒适等特点。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种碳纤维增强的眼镜腿，其特征在于，制备所述碳纤维增强的眼镜腿的原料按重量份包括：树脂材料50份～60份、改性碳纤维20份～30份、硅烷偶联剂1份～4份、纳米补强粉体5份～10份、铝粉0.5份～1.5份；所述改性碳纤维为等离子体处理后的碳纤维。
2.根据权利要求1所述的碳纤维增强的眼镜腿，其特征在于，制备所述碳纤维增强的眼镜腿的原料按重量份包括：树脂材料55份、改性碳纤维25份、偶联剂2.5份、纳米补强粉体8份、铝粉1.0份。
3.根据权利要求1所述的碳纤维增强的眼镜腿，其特征在于，所述树脂材料为聚十二内酰胺。
4.根据权利要求1所述的碳纤维增强的眼镜腿，其特征在于，所述纳米补强粉体为纳米碳酸钙。
5.根据权利要求1所述的碳纤维增强的眼镜腿，其特征在于，所述等离子体处理的工艺参数为：气体组分为氩气和氧气的混合气，氩气和氧气的质量流量比为100:1～5，电源功率为300W～700W，处理时间为2分钟～4分钟。
6.一种根据权利要求1～5中任一项所述的碳纤维增强的眼镜腿的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤I，按所述重量份称取制备碳纤维增强的眼镜腿的原料，将所述重量份的树脂材料、改性碳纤维和硅烷偶联剂进行混合，加热搅拌10分钟～15分钟，得到第一混合物；
步骤II，向第一混合物中加入所述重量份的纳米补强粉体和铝粉，继续搅拌混合5分钟～10分钟，得到第二混合物；
步骤III，将步骤II得到的第二混合物注入到模具中，热熔注塑成型；
步骤IV，将成型后的眼镜腿进行表面处理，包括整形、打磨以及表面喷光油，得到碳纤维增强的眼镜腿。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤I中，所述树脂材料在称取前，先将其放到70℃～80℃的烘箱中干燥1.5小时～3小时。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤I中，所述加热的温度为250℃～265℃。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤III中，所述热熔注塑成型的温度为270℃～290℃。
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