CN108559172A - 一种碳纤维增强复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维增强复合材料，所述复合材料由包含以下重量份的组分制成：短切碳纤维10~40份、聚丙烯40~60份、相容剂10~30份、表面处理剂0.1~4份，改性剂5~15份，润滑剂1~5份，阻燃剂5~20份。本发明与现有技术相比通过添加不同相容剂和经过液相氧化法处理的短切碳纤维等辅助改性剂来制备碳纤维复合材料，本配方可增加分子间的键合力促使聚合物结合，进而使得共混物具有强度高，力学性能优良，成本低，环保且具有良好的阻燃性能。该复合材料可作为汽车的零部件，各项指标均高于现有零部件，可以大大提高汽车安全系数，具有广阔的市场发展前景。

Description

一种碳纤维增强复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料改性的领域，具体涉及一种碳纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
碳纤维是一种含碳量达90％以上具有耐高温、耐摩擦、导电、导热、耐腐蚀、传热和热膨胀系数小等许多优异性能的一种高强度、高模量纤维。具有一般碳素材料的特性，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软；沿纤维轴方向表现出很高的强度，碳纤维比重小，因此有很高的比强度。它是以聚丙烯晴纤维、粘胶纤维和沥青纤维等原丝经过预氧化、碳化、石墨化等高温除去除去碳以外一切元素过程制备而成，碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，它的密度小于钢的1/4，抗拉强度却比钢高7～9倍，抗拉弹性也优于钢；在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
聚丙烯制品具有无毒、无味、光泽好等特点。虽然聚丙烯优点众多,但也存在不足之处，聚丙烯对缺口敏感,缺口冲击强度低,存在着低温脆性突出、自身摩擦系数大、磨损率高的致命弱点。同时对于工程塑料而言,聚丙烯的力学性能不足以制成结构件。这些因素在很大程度上制约了其在工程机件领域的进一步发展与应用,因而也成为其改性的主要研究方向和热点。
例如，公开号为CN103571036公开了“回收碳纤维增强聚丙烯复合材料”采用从废弃的CFRP中回收碳纤维，然后通过重新添加各种填料，相容剂后共混挤出造粒。但从CFRP中提取碳纤维过程繁琐，且杂质较多。公开号为CN105199234公开了“一种碳纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法”虽然制作工艺简单方便，但由于在挤出造粒中放碳纤维通过挤出机剪切力切断碳纤维，难以控制纤维长度，易导致颗粒性能差异大。公开号为CN105754223公开了“一种碳纤维增强聚丙烯复合材料”其采用将碳纤维浸泡在钛酸酯联剂的水溶液中处理碳纤维，制得的复合材料性能优异，但钛酸酯污染较大，且对人体伤害巨大。
发明内容
本发明目的之一在于针对上述现有技术存在的缺陷与不足提供一种新型的碳纤维增强复合材料的配方。
本发明目的之二在于提供上述碳纤维增强复合材料的制备方法，通过该方法制得的复合材料具有良好的力学性能，强度高，良好的阻燃性能和成本低等优点；同时加工操作简单原料环保无污染。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案来实现：
一种碳纤维增强复合材料，该组分包含以下重量份的组分制成：
短切碳纤维10～40份、聚丙烯40～60份、相容剂10～30份、表面处理剂0.1～4份，改性剂5～15份，润滑剂1～5份，阻燃剂5～20份。
作为本发明的一种优选方案，其中：所述碳纤维为液相氧化法处理的短切碳纤维，碳纤维长度0.1-100mm。
作为本发明的一种优选方案，其中：所述聚丙烯为嵌段共聚聚丙烯或均聚聚丙烯。作为本发明的一种优选方案，其中：所述相容剂为低密度聚乙烯或三元乙丙橡胶或EVA、PA6或TPU。相容剂又称增容剂，是指借助于分子间的键合力，促使不相容的两种聚合物结合在一起，进而得到稳定的共混物。
作为本发明的一种优选方案，其中：所述表面处理剂为很多种偶联剂中的一种或者是几种偶联剂复配。偶联改性是在粒子表面发生化学偶联反应，粒子表面经偶联剂处理后可以与有机物产生很好的相容性。
作为本发明的一种优选方案，其中：所述改性剂为碳酸钙。改性剂对提高改善塑料制品某些性能以扩大其应用范围有一定作用，在塑料加工中它们可以减少树脂收缩率，改善流动性，控制粘度，同时还能起到提高塑料制品尺寸的稳定性、提高塑料制品的硬度和刚性等作用。
作为本发明的一种优选方案，其中：所述润滑剂为石蜡或甲基硅油。润滑剂的作用主要是改善聚合物熔料与设备的热金属表面的摩擦状况，使塑件容易脱模，它与聚合物的相容性较差，容易从熔料中往外迁移，在成型过程中能在熔料与模具间形成一层很薄的隔离膜，使塑料不粘住模具表面。
作为本发明的一种优选方案，其中：所述阻燃剂为氢氧化镁。又称难燃剂，耐火剂或防火剂。赋予易燃聚合物难燃性的功能性助剂。依应用方式分为添加型阻燃剂和反应型阻燃剂。添加型阻燃剂直接与树脂或胶料混配，加工方便，适应面广，系阻燃剂的主体；反应型阻燃剂常作为单体键合到聚合物链中，对制品性能影响小且阻燃效果持久。
本发明还提供了一种碳纤维增强复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将高锰酸钾、硝酸与98％的硫酸的配制成的3-7％的混合溶液升温到50-90℃，加入碳纤维处理10-25min，然后取出碳纤维使用蒸馏水反复清洗至清洗液pH＝7，将碳纤维送入烘干箱烘干4-7小时，烘干温度150-250℃。最后按配比称取处理过的碳纤维10-40份加入到密炼机中，然后加入0.1-4份表面处理剂对碳纤维进行表面处理；
(2)再按配比称取40-90份聚丙烯，10-60份相容剂，5-25份改性剂，1-5份润滑剂，5-20份阻燃剂于密炼机中混合均匀；
(3)将步骤(2)混合均匀的物料取出放入热压机模板中，加热加压，冷却降温最后固化成型得到碳纤维增强复合材料。
其中：所述的步骤(1)的密炼机密炼温度为170-220℃，螺杆转速为10r/min，密炼时间为10-20min。
所述步骤(3)的热压机为小型热压机模压温度为170-220℃，保压时间为3-15min，冷却温度到30-60℃。
本发明与现有技术相比其突出优点在于：
本发明与现有技术相比通过添加不同相容剂和经过液相氧化法处理的短切碳纤维等辅助改性剂来制备碳纤维复合材料，本配方可增加分子间的键合力促使聚合物结合，进而使得共混物具有强度高，力学性能优良，成本低，环保且具有良好的阻燃性能。该复合材料可作为汽车的零部件，各项指标均高于现有零部件，可以大大提高汽车安全系数，具有广阔的市场发展前景。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但是实施方式并不仅限制于次，凡基于本发明上述内容所实现的技术和制备的材料均属于本发明的保护范围。
实施例1
(1)称取40份液相氧化法处理过的短切碳纤维于密炼机中，加入1份硅烷偶联剂KH550进行碳纤维表面处理。
(2)称取80份聚丙烯，22份低密度聚乙烯，10份碳酸钙，2份石蜡，10份氢氧化镁于密炼机中混合均匀；密炼机三段密炼温度均设置为210℃，螺杆转速为10r/min，密炼时间为20min。
(3)将混合均匀的物料取出放入热压机模板中，加热加压，冷却降温最后固化成型得到碳纤维增强复合材料。热压机模压温度为200℃，保压时间为10min，冷却温度到60℃取出复合材料。
实施例2
(1)称取35份液相氧化法处理过的短切碳纤维于密炼机中，加入0.5份硅烷偶联剂KH560进行碳纤维表面处理。
(2)称取70份聚丙烯，10份EVA，5份PA6，10份碳酸钙，1份石蜡，5份氢氧化镁于密炼机中混合均匀；密炼机三段密炼温度均设置为190℃，螺杆转速为10r/min，密炼时间为15min。
(3)将混合均匀的物料取出放入热压机模板中，加热加压，冷却降温最后固化成型得到碳纤维增强复合材料。热压机模压温度为190℃，保压时间为10min，冷却温度到50℃取出复合材料。
实施例3
(1)称取30份液相氧化法处理过的短切碳纤维于密炼机中，加入0.1份硅烷偶联剂TPPP进行碳纤维表面处理。
(2)称取60份聚丙烯，15份低密度聚乙烯，8份碳酸钙，4份甲基硅油，15份氢氧化镁于密炼机中混合均匀；密炼机三段密炼温度均设置为200℃，螺杆转速为10r/min，密炼时间为15min。
(3)将混合均匀的物料取出放入热压机模板中，加热加压，冷却降温最后固化成型得到碳纤维增强复合材料。热压机模压温度为200℃，保压时间为13min，冷却温度到40℃取出复合材料。
实施例4
(1)称取15份液相氧化法处理过的短切碳纤维于密炼机中，加入0.1份硅烷偶联剂TPPP进行碳纤维表面处理。
(2)称取30份聚丙烯、11份TPU，2份甲基硅油，5份氢氧化镁于密炼机中混合均匀；密炼机三段密炼温度均设置为200℃，螺杆转速为10r/min，密炼时间为15min。
(3)将混合均匀的物料取出放入热压机模板中，加热加压，冷却降温最后固化成型得到碳纤维增强复合材料。热压机模压温度为200℃，保压时间为13min，冷却温度到50℃取出复合材料。
实施例5
(1)称取25份液相氧化法处理过的短切碳纤维于密炼机中，加入0.1份硅烷偶联剂TPPP进行碳纤维表面处理。
(2)称取50份聚丙烯，18份三元乙丙橡胶，6份碳酸钙，2份甲基硅油，7份氢氧化镁于密炼机中混合均匀；密炼机三段密炼温度均设置为190℃，螺杆转速为10r/min，密炼时间为15min。
(3)将混合均匀的物料取出放入热压机模板中，加热加压，冷却降温最后固化成型得到碳纤维增强复合材料。热压机模压温度为190℃，保压时间为8min，冷却温度到50℃取出复合材料。
各实施例性能测试结果如下表1所示：
表1 性能测试
上表测试结果表明：采用低密度聚乙烯或EVA+PA6为相容剂时碳纤维增强复合材料密度低强度高，力学性能优异。
按照上述案例内容，在不脱离本发明上述基本技术思路的前提下，根据本领域的普遍知识和技术手段，向碳纤维增强复合材料中添加其他相容剂和偶联剂组分，都属于本发明内容的多种形式的修改、替换和变更，均属于本发明的范围。

Claims (10)

1.一种碳纤维增强复合材料，其特征在于，所述复合材料由包含以下重量份的组分制成：
短切碳纤维10~40份、聚丙烯40~60份、相容剂10~30份、表面处理剂0.1~4份，改性剂5~15份，润滑剂1~5份，阻燃剂5~20份。
2.根据权利要求1所述的碳纤维增强复合材料，其特征在于，所述碳纤维为液相氧化法处理的短切碳纤维，碳纤维长度0.1-100mm。
3.根据权利要求1所述的碳纤维增强复合材料，其特征在于，所述聚丙烯为嵌段共聚聚丙烯或均聚聚丙烯。
4.根据权利要求1所述的碳纤维增强复合材料，其特征在于，所述相容剂为低密度聚乙烯或三元乙丙橡胶或EVA、PA6或TPU。
5.根据权利要求1所述的碳纤维增强复合材料，其特征在于，所述表面处理剂为很多种偶联剂中的一种或者是几种偶联剂复配。
6.根据权利要求1所述的碳纤维增强复合材料，其特征在于，所述改性剂为碳酸钙。
7.根据权利要求1所述的碳纤维增强复合材料，其特征在于，所述润滑剂为石蜡或甲基硅油。
8.根据权利要求1所述的碳纤维增强复合材料，其特征在于，所述阻燃剂为氢氧化镁。
9.权利要求1~8任一所述碳纤维增强复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将高锰酸钾、硝酸与98%的硫酸的配制成的3-7%的混合溶液升温到50-90℃，加入碳纤维处理10-25min，然后取出碳纤维使用蒸馏水反复清洗至清洗液pH=7，将碳纤维送入烘干箱烘干4-7小时，烘干温度150-250℃；最后按配比称取处理过的碳纤维10-40份加入到密炼机中，然后加入0.1-4份表面处理剂对碳纤维进行表面处理；
（2）再按配比称取40-90份聚丙烯，10-60份相容剂，5-25份改性剂 ，1-5份润滑剂，5-20份阻燃剂于密炼机中混合均匀；
（3）将步骤（2）混合均匀的物料取出放入热压机模板中，加热加压，冷却降温最后固化成型得到碳纤维增强复合材料。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征字啊呀，所述的步骤（1）的密炼机密炼温度为170-220℃，螺杆转速为10r/min，密炼时间为10-20min；所述步骤（3）的热压机为小型热压机模压温度为170-220℃，保压时间为3-15min，冷却温度到30-60℃。
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