CN108359234A - 废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新能源汽车材料技术领域，特别涉及一种废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料及其制备方法。原料包括以下组分及重量份含量：尼龙30‑60，碳纤维30‑50，相容剂5‑10，润滑剂1‑3，填充剂0.8‑1.2，纳米无机填料8‑12，氮化硼1‑3，其中，碳纤维中包含废料碳纤维20‑30，所述的纳米无机填料包括有石墨烯及铜纳米线，本发明的目的在于提供了一种能降低成本且导电性能好的废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料及其制备方法。

Description

废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车材料技术领域，特别涉及一种废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料及其制备方法。
背景技术
在过去的半个世纪中，航空航天、新能源汽车等高技术领域应用的先进结构材料一直被髙性能热固性复合材料所占据。由于热固性复合材料在应用过程中存在着耐热性差、抗冲击性和抗损伤能力低、制造成本髙等不足之处，在一定程度上限制了其应用范围，而随着碳纤维复合材料的发展，碳纤维复合材料与热固性复合材料相比，具有许多优点，例如：断裂韧性高、断裂伸长率大；成型过程中无化学反应，因此成型速度快，成型周期短；预浸料可以无限期存放，且对存放无特殊要求等，因此碳纤维热塑性复合材料逐渐取代了传统的热固性复合材料；特别新能源汽车的大力发展，碳纤维热塑性复合材料被广泛用于新能源汽车领域。
由于碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好，因此，碳纤维的制作成本较高，因此市场上的价格也较为昂贵，碳纤维复合材料的整体成本高，而且碳纤维复合材料导电性能不理想，因此，还有待进一步的改进。
发明内容
为了克服背景技术的不足，本发明的目的在于提供了一种能降低成本且导电性能好的废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料及其制备方法。
本发明所采用的技术方案是：一种废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料，原料包括以下组分及重量份含量：尼龙30-60，碳纤维30-50，相容剂5-10，润滑剂1-3，填充剂0.8-1.2，纳米无机填料8-12，氮化硼1-3，其中，碳纤维中包含废料碳纤维20-30。
所述的碳纤维为拉伸模量大于700GPa，热导率大于200W/(mK)的沥青基碳纤维或平均长度为10μm～2mm的短切碳纤维。
所述的纳米无机填料包括有石墨烯及铜纳米线。
所述的相容剂为马来酸酐相容剂。
所述的润滑剂选自乙撑双脂肪酸酰胺、乙烯-丙烯酸共聚物或硅酮粉中的一种或几种。
所述的填充剂为A616。
所述的氮化硼内添加有催化剂，该催化剂为三氧化二铬。
上述废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料的制备方法，采用以下步骤：
1)将石墨烯分散在乙醇中，然后，再用功率为300-1000W的超声设备对所述石墨烯乙醇溶液进行超声处理0.5-5小时，得石墨烯乙醇溶液；
4)将步骤1)所得的石墨烯乙醇溶液中加入铜纳米线得到混合液，并且用磁力搅拌器搅拌混合液5-30分钟，然后再用功率为300-1000W的超声设备对所述混合液进行超声处理0.5-5小时；
5)将步骤2)经超声处理的混合液放入温度为50-80摄氏度的烘箱中，烘10-48小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；
4)向步骤3)的混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌10-20分钟，得到混合物备用；
5)将10-30的碳纤维和尼龙通过烘干机充分干燥备用，烘干时间为4-5小时，使干燥后的物料含水量小于0.02wt％；
2)将汽车报废的废料回收并通过清洗机清洗；
3)将清洗后的废料通过烘干机烘干；
4)将烘干后的废料通过分捡机分捡；
5)将分捡后的废料通过粉碎机粉碎；
6)将粉碎后的废料通过造粒机造粒，在造粒过程中添加1％左右的增韧剂、1％左右的润滑剂及1％左右的助剂；
7)将造粒后的废料冷却，形成废料碳纤维；
8)将三氧化二铬与氮化硼混合反应备用；
9)将碳纤维与废料碳纤维、尼龙、混合后的氮化硼及步骤4)中的无机填料混合物混合，并通过加热器加温，加热时间为1-1.5小时，温度为220℃-250℃；
10)将步骤9中的混合物与相容剂、润滑剂及填充剂在搅拌机内高速混合，然后将混合得到的物料加入双螺杆挤出机料斗，并将混合物通过挤出机加纤口加入，挤出造粒，即得到废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、用氮化硼代替了传统的三氧化二铝，与碳纤维及尼龙结合，并与其他助剂的混合，提高了碳纤维热塑性复合材料的导热性，使导热系数在原有的基础上提高30％，其中氮化硼内加入催化剂，能降低氮化硼的使用量，并使氮化硼与热塑性树脂的混合反应更彻底，能使氮化硼固定，分子不会稀疏；2、本发明中，将汽车报废或风叶发电设备报废的废料重新回收加工成废料碳纤维与碳纤维混合，减少了碳纤维的用量，能节约成本，具体能降低30％左右的成本，且将废料回收再利用，起到环保的作用；3、采用二维的碳纳米材料(石墨烯)与一维的金属纳米材料(铜纳米线)协同改性尼龙碳纤维复合材料，充分发挥二者各自优异的导电性能的同时产生一定的协同效应，使制备的复合材料具有优异的导电性能，其电导率由210S/cm提高到6500S/cm。
具体实施方式
本发明提供一种废料连续增强碳纤维热塑性复合材料，原料包括以下组分及重量份含量：尼龙30-60，碳纤维30-50，相容剂5-10，润滑剂1-3，填充剂0.8-1.2，纳米无机填料8-12，氮化硼1-3，其中，碳纤维中包含废料碳纤维20-30；碳纤维为拉伸模量大于700GPa，热导率大于200W/(mK)的沥青基碳纤维或平均长度为10μm～2mm的短切碳纤维；所述的纳米无机填料包括有石墨烯及铜纳米线，所述的相容剂为马来酸酐相容剂；所述的润滑剂选自乙撑双脂肪酸酰胺；所述的填充剂为A616；所述的氮化硼内添加有催化剂，催化剂具体为三氧化二铬。
上述废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料的制备方法，采用以下步骤：
1)将石墨烯分散在乙醇中，然后，再用功率为300-1000W的超声设备对所述石墨烯乙醇溶液进行超声处理0.5-5小时，得石墨烯乙醇溶液；
6)将步骤1)所得的石墨烯乙醇溶液中加入铜纳米线得到混合液，并且用磁力搅拌器搅拌混合液5-30分钟，然后再用功率为300-1000W的超声设备对所述混合液进行超声处理0.5-5小时；
7)将步骤2)经超声处理的混合液放入温度为50-80摄氏度的烘箱中，烘10-48小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；
4)向步骤3)的混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌10-20分钟，得到混合物备用；
5)将10-30的碳纤维和尼龙通过烘干机充分干燥备用，烘干时间为4-5小时，使干燥后的物料含水量小于0.02wt％；
2)将汽车报废的废料回收并通过清洗机清洗；
3)将清洗后的废料通过烘干机烘干；
4)将烘干后的废料通过分捡机分捡；
5)将分捡后的废料通过粉碎机粉碎；
6)将粉碎后的废料通过造粒机造粒，在造粒过程中添加1％左右的增韧剂、1％左右的润滑剂及1％左右的助剂；
7)将造粒后的废料冷却，形成废料碳纤维；
8)将三氧化二铬与氮化硼混合反应备用；
9)将碳纤维与废料碳纤维、尼龙、混合后的氮化硼及步骤4)中的无机填料混合物混合，并通过加热器加温，加热时间为1-1.5小时，温度为220℃-250℃；
10)将步骤9中的混合物与相容剂、润滑剂及填充剂在搅拌机内高速混合，然后将混合得到的物料加入双螺杆挤出机料斗，并将混合物通过挤出机加纤口加入，挤出造粒，即得到废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料。
实施例一：将石墨烯分散在乙醇中，然后，再用功率为300-1000W的超声设备对所述石墨烯乙醇溶液进行超声处理3小时，得石墨烯乙醇溶液；所得的石墨烯乙醇溶液中加入铜纳米线得到混合液，并且用磁力搅拌器搅拌混合液20分钟，然后再用功率为300-1000W的超声设备对所述混合液进行超声处理2小时；经超声处理的混合液放入温度为50-80摄氏度的烘箱中，烘30小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；在混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌15分钟，得到混合物备用；将碳纤维20、尼龙40烘干机充分干燥，烘干时间为4小时，使干燥后的物料含水量小于0.02wt％，将汽车报废的废料回收并通过清洗机清洗；将清洗后的废料通过烘干机烘干；将烘干后的废料通过分捡机分捡；将分捡后的废料通过粉碎机粉碎；将粉碎后的废料通过造粒机造粒，在造粒过程中添加1％增韧剂，增韧剂选用羧基液体丁腈橡胶，1％的润滑剂，润滑剂选自乙撑双脂肪酸酰胺，及1％的助剂，助剂选用氯化聚乙烯；将造粒后的废料冷却，形成废料碳纤维；将三氧化二铬与氮化硼混合反应备用；将步骤1中的碳纤维20与废料碳纤维20、尼龙40及混合后的氮化硼1混合，并通过加热器加温，加热时间为1小时，温度为250℃；将混合后的碳纤维及尼龙与相容剂5、润滑剂2、填充剂2及纳米无机填料10在搅拌机内高速混合，反复搅拌3次，每次搅拌30分钟，然后将混合得到的物料加入双螺杆挤出机料斗，并将碳纤维通过挤出机加纤口加入，挤出造粒，即得到废料连续增强碳纤维热塑性复合材料，双螺杆挤出机自喂料口至挤出机模头的七区温度设定分别为220℃、230℃、240℃、240℃、240℃、230℃、220℃，主机转速为240～600转/分钟。
实施例二：将石墨烯分散在乙醇中，然后，再用功率为300-1000W的超声设备对所述石墨烯乙醇溶液进行超声处理2.5小时，得石墨烯乙醇溶液；所得的石墨烯乙醇溶液中加入铜纳米线得到混合液，并且用磁力搅拌器搅拌混合液30分钟，然后再用功率为300-1000W的超声设备对所述混合液进行超声处理2小时；经超声处理的混合液放入温度为50-80摄氏度的烘箱中，烘30小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；在混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌15分钟，得到混合物备用；将碳纤维25、尼龙35烘干机充分干燥，烘干时间为4小时，使干燥后的物料含水量小于0.02wt％，将汽车报废的废料回收并通过清洗机清洗；将清洗后的废料通过烘干机烘干；将烘干后的废料通过分捡机分捡；将分捡后的废料通过粉碎机粉碎；将粉碎后的废料通过造粒机造粒，在造粒过程中添加1％增韧剂，增韧剂选用羧基液体丁腈橡胶，1％的润滑剂，润滑剂选自乙撑双脂肪酸酰胺，及1％的助剂，助剂选用氯化聚乙烯；将造粒后的废料冷却，形成废料碳纤维；将三氧化二铬与氮化硼混合反应备用；将步骤1中的碳纤维25与废料碳纤维25、尼龙45及混合后的氮化硼0.8混合，并通过加热器加温，加热时间为1小时，温度为250℃；将混合后的碳纤维及尼龙与相容剂7、润滑剂1、填充剂1.2及纳米无机填料10在搅拌机内高速混合，反复搅拌3次，每次搅拌30分钟，然后将混合得到的物料加入双螺杆挤出机料斗，并将碳纤维通过挤出机加纤口加入，挤出造粒，即得到废料连续增强碳纤维热塑性复合材料，双螺杆挤出机自喂料口至挤出机模头的七区温度设定分别为220℃、230℃、240℃、240℃、240℃、230℃、220℃，主机转速为240～600转/分钟。
实施例三：将石墨烯分散在乙醇中，然后，再用功率为300-1000W的超声设备对所述石墨烯乙醇溶液进行超声处理3小时，得石墨烯乙醇溶液；所得的石墨烯乙醇溶液中加入铜纳米线得到混合液，并且用磁力搅拌器搅拌混合液20分钟，然后再用功率为300-1000W的超声设备对所述混合液进行超声处理2小时；经超声处理的混合液放入温度为50-80摄氏度的烘箱中，烘30小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；在混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌15分钟，得到混合物备用；将碳纤维30、尼龙40烘干机充分干燥，烘干时间为4小时，使干燥后的物料含水量小于0.02wt％，将汽车报废的废料回收并通过清洗机清洗；将清洗后的废料通过烘干机烘干；将烘干后的废料通过分捡机分捡；将分捡后的废料通过粉碎机粉碎；将粉碎后的废料通过造粒机造粒，在造粒过程中添加1％增韧剂，增韧剂选用羧基液体丁腈橡胶，1％的润滑剂，润滑剂选自乙撑双脂肪酸酰胺，及1％的助剂，助剂选用氯化聚乙烯；将造粒后的废料冷却，形成废料碳纤维；将三氧化二铬与氮化硼混合反应备用；将步骤1中的碳纤维30与废料碳纤维10、尼龙50及混合后的氮化硼2混合，并通过加热器加温，加热时间为1小时，温度为250℃；将混合后的碳纤维及尼龙与相容剂6.2、润滑剂1、填充剂0.8及纳米无机填料10在搅拌机内高速混合，反复搅拌3次，每次搅拌30分钟，然后将混合得到的物料加入双螺杆挤出机料斗，并将碳纤维通过挤出机加纤口加入，挤出造粒，即得到废料连续增强碳纤维热塑性复合材料，双螺杆挤出机自喂料口至挤出机模头的七区温度设定分别为220℃、230℃、240℃、240℃、240℃、230℃、220℃，主机转速为240～600转/分钟。
实施例四：将石墨烯分散在乙醇中，然后，再用功率为300-1000W的超声设备对所述石墨烯乙醇溶液进行超声处理3小时，得石墨烯乙醇溶液；所得的石墨烯乙醇溶液中加入铜纳米线得到混合液，并且用磁力搅拌器搅拌混合液20分钟，然后再用功率为300-1000W的超声设备对所述混合液进行超声处理2小时；经超声处理的混合液放入温度为50-80摄氏度的烘箱中，烘30小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；在混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌15分钟，得到混合物备用；将碳纤维20、尼龙30烘干机充分干燥，烘干时间为4小时，使干燥后的物料含水量小于0.02wt％，将汽车报废的废料回收并通过清洗机清洗；将清洗后的废料通过烘干机烘干；将烘干后的废料通过分捡机分捡；将分捡后的废料通过粉碎机粉碎；将粉碎后的废料通过造粒机造粒，在造粒过程中添加1％增韧剂，增韧剂选用羧基液体丁腈橡胶，1％的润滑剂，润滑剂选自乙撑双脂肪酸酰胺，及1％的助剂，助剂选用氯化聚乙烯；将造粒后的废料冷却，形成废料碳纤维；将三氧化二铬0.07与氮化硼1混合反应备用；将步骤1中的碳纤维20与废料碳纤维30、尼龙40及混合后的氮化硼1.8混合，并通过加热器加温，加热时间为1小时，温度为250℃；将混合后的碳纤维及尼龙与相容剂5.5、润滑剂1.5、填充剂1.2及纳米无机填料10在搅拌机内高速混合，反复搅拌3次，每次搅拌30分钟，然后将混合得到的物料加入双螺杆挤出机料斗，并将碳纤维通过挤出机加纤口加入，挤出造粒，即得到废料连续增强碳纤维热塑性复合材料，双螺杆挤出机自喂料口至挤出机模头的七区温度设定分别为220℃、230℃、240℃、240℃、240℃、230℃、220℃，主机转速为240～600转/分钟。
实施例五：将石墨烯分散在乙醇中，然后，再用功率为300-1000W的超声设备对所述石墨烯乙醇溶液进行超声处理3小时，得石墨烯乙醇溶液；所得的石墨烯乙醇溶液中加入铜纳米线得到混合液，并且用磁力搅拌器搅拌混合液20分钟，然后再用功率为300-1000W的超声设备对所述混合液进行超声处理2小时；经超声处理的混合液放入温度为50-80摄氏度的烘箱中，烘30小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；在混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌15分钟，得到混合物备用；将碳纤维10、尼龙45烘干机充分干燥，烘干时间为4小时，使干燥后的物料含水量小于0.02wt％，将汽车报废的废料回收并通过清洗机清洗；将清洗后的废料通过烘干机烘干；将烘干后的废料通过分捡机分捡；将分捡后的废料通过粉碎机粉碎；将粉碎后的废料通过造粒机造粒，在造粒过程中添加1％增韧剂，增韧剂选用羧基液体丁腈橡胶，1％的润滑剂，润滑剂选自乙撑双脂肪酸酰胺，及1％的助剂，助剂选用氯化聚乙烯；将造粒后的废料冷却，形成废料碳纤维；将三氧化二铬与氮化硼混合反应备用；将步骤1中的碳纤维10与废料碳纤维20、尼龙45及混合后的氮化硼3混合，并通过加热器加温，加热时间为1小时，温度为250℃；将混合后的碳纤维及尼龙与相容剂8、润滑剂3、填充剂1及无机纳米填料10在搅拌机内高速混合，反复搅拌3次，每次搅拌30分钟，然后将混合得到的物料加入双螺杆挤出机料斗，并将碳纤维通过挤出机加纤口加入，挤出造粒，即得到废料连续增强碳纤维热塑性复合材料，双螺杆挤出机自喂料口至挤出机模头的七区温度设定分别为220℃、230℃、240℃、240℃、240℃、230℃、220℃，主机转速为240～600转/分钟。
实施例1～5配方及材料性能见表1：

Claims (8)

1.一种废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料，其特征在于，原料包括以下组分及重量份含量：尼龙30-60，碳纤维30-50，相容剂5-10，润滑剂1-3，填充剂0.8-1.2，纳米无机填料8-12，氮化硼1-3，其中，碳纤维中包含废料碳纤维20-30。
2.根据权利要求1所述的一种废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料，其特征在于，所述的碳纤维为拉伸模量大于700GPa，热导率大于200W/(mK)的沥青基碳纤维或平均长度为10μm～2mm的短切碳纤维。
3.根据权利要求1所述的一种废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料，其特征在于，所述的纳米无机填料包括有石墨烯及铜纳米线。
4.根据权权利要求1所述的一种废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料，其特征在于，所述的相容剂为马来酸酐相容剂。
5.根据权利要求1所述的一种废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料，其特征在于，所述的润滑剂选自乙撑双脂肪酸酰胺、乙烯-丙烯酸共聚物或硅酮粉中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料，其特征在于，所述的填充剂为A616。
7.根据权利要求1所述的一种废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料，其特征在于，所述的氮化硼内添加有催化剂，该催化剂为三氧化二铬。
8.一种如权利要求1-7中任一种废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料的制备方法，其特征在于，采用以下步骤：
1)将石墨烯分散在乙醇中，然后，再用功率为300-1000W的超声设备对所述石墨烯乙醇溶液进行超声处理0.5-5小时，得石墨烯乙醇溶液；
2)将步骤1)所得的石墨烯乙醇溶液中加入铜纳米线得到混合液，并且用磁力搅拌器搅拌混合液5-30分钟，然后再用功率为300-1000W的超声设备对所述混合液进行超声处理0.5-5小时；
3)将步骤2)经超声处理的混合液放入温度为50-80摄氏度的烘箱中，烘10-48小时，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶剂，至混合液无气泡止；
4)向步骤3)的混合液中加入化学当量的固化剂，在室温下磁力搅拌10-20分钟，得到混合物备用；
5)将10-30的碳纤维和尼龙通过烘干机充分干燥备用，烘干时间为4-5小时，使干燥后的物料含水量小于0.02wt％；
2)将汽车报废的废料回收并通过清洗机清洗；
3)将清洗后的废料通过烘干机烘干；
4)将烘干后的废料通过分捡机分捡；
5)将分捡后的废料通过粉碎机粉碎；
6)将粉碎后的废料通过造粒机造粒，在造粒过程中添加1％左右的增韧剂、1％左右的润滑剂及1％左右的助剂；
7)将造粒后的废料冷却，形成废料碳纤维；
8)将三氧化二铬与氮化硼混合反应备用；
9)将碳纤维与废料碳纤维、尼龙、混合后的氮化硼及步骤4)中的无机填料混合物混合，并通过加热器加温，加热时间为1-1.5小时，温度为220℃-250℃；
10)将步骤9中的混合物与相容剂、润滑剂及填充剂在搅拌机内高速混合，然后将混合得到的物料加入双螺杆挤出机料斗，并将混合物通过挤出机加纤口加入，挤出造粒，即得到废料回收型导电尼龙碳纤维热塑性复合材料。
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