CN108641352A - 一种碳纤维pa6热塑性复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纤维PA6热塑性复合材料及其制备方法。复合材料由以下重量百分比含量的组分组成：PA6:44‑61%；碳纤维：15‑25%；偶联剂：1.5%；回收料：10‑15%；抗氧剂：0.5%；阻燃剂：5‑10%；相容剂：5%；稳定剂CPE:1%，本发明在不降低复合材料的综合性能的情况下，加入了回收料，不仅解决了废料处理的问题，还降低了生产成本，提高企业效益，符合企业可持续发展的要求。

Description

一种碳纤维PA6热塑性复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维PA6热塑性复合材料，具体涉及一种碳纤维PA6热塑性复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维复合材料发展如火如荼，来势凶猛。在航天航空及国防工业大都应用热固性复合材料，在高铁及新能源汽车大都应用热塑性复合材料。热固性复合材料成本高，成型周期长，最大问题难以回收利用，污染环境后果严重。热塑性复合材料成本低，成型周期短，最大的好处是可以回收利用，环境友好。碳纤维热塑性复合材料研发引起行业高度关注。虽然碳纤维复合材料具有诸多优点，但是价格成本高，制约了纤维复合材料的推广普及应用。

发明内容

为了克服背景技术的不足，本发明提供一种碳纤维PA6热塑性复合材料。

本发明所采用的技术方案是：一种碳纤维PA6热塑性复合材料，所述复合材料由以下重量百分比含量的组分组成：

PA6: 44-61%，

碳纤维： 15-25%，

偶联剂： 1.5%，

回收料： 10-15%，

抗氧剂： 0.5%，

阻燃剂： 5-10%，

相容剂： 5%，

稳定剂CPE: 1%。

进一步的，所述的碳纤维改性短切碳纤维，其长度为7.5-9mm。

进一步的，所述的回收料为可回收利用的碳纤维PA6热塑性复合材料。

进一步的，所述的阻燃剂为十溴联苯醚，其质量百分比为17%。

进一步的，所述的相容剂为KT-12。

进一步的，所述的偶联剂为KH550。

另外，本发明还涉及碳纤维PA6热塑性复合材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

（一）PA6材料的选取和改性：选取熔体质量流动速率（MFR）≥25（g/10min），并对PA6材料进行化学改性处理得到改性PA6；

(二)碳纤维处理：碳纤维材料经过化学偶联处理得到改性碳纤维；

（三）熔融浸渍：改性PA6和改性碳纤维通过熔融浸渍法得到碳纤维PA6预浸料；

（4）将碳纤维PA6预浸料从双螺杆挤出机喂料口加入，然后控制双螺杆挤出机的加工温度220～230℃，螺杆转数200～500转/分， 将混合物置于双螺杆挤出机挤出造粒成型。

其中步骤（一）所述化学改性方法如下：

将以下材料PA6、抗氧剂、阻燃剂、偶联剂和相容剂按权利要求1所述的配比在高速混料机中充分混合，混合速度 4000~45000r/min，经 5-10min 的高速搅拌后，放入双螺杆挤出机中熔融造粒，挤出温度 230~250℃，螺杆转速 170~290 r/min，将干燥粒料用注塑机注塑成型得到改性PA6。

其中步骤（二）所述化学偶联方法如下：

在碳纤维中加入回收料并均匀混合，然后将混入回收料的碳纤维放入高温箱式炉中进行氧化处理，将氧化处理的碳纤维加入到γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷浸泡5-9min，之后取出晾干得到改性碳纤维，最后将改性碳纤维压制成连续性改性纤维。

其中步骤（三）所述的熔融浸渍法方法如下：

（1）将改性PA6焰融后分别涂覆在置于上下加热平板之间隔离纸的表面上，形成聚合物薄膜；

（2）调节聚合物薄膜上刮刀的间隙和隔离纸进纸的速度，来准确地控制聚合物薄膜厚度和树脂含量；

（3）改性碳纤维由纱架引出，将改性碳纤维夹在两层聚合物膜中间；当夹有聚合物膜和连续纤维的隔离纸通过加热板时，聚合物薄膜受热成为熔体，经过加压辊加压，融化后的聚合物薄膜被压入改性碳纤维；

（4）最后，经过冷却板冷却固结，经过收卷装置收卷，即为碳纤维PA6预浸料。

本发明的有益效果是：

1、在不降低复合材料的综合性能的情况下，加入了回收料，不仅解决了废料处理的问题，还降低了生产成本，提高企业效益，符合企业可持续发展的要求。

2、采用熔融浸渍法，降低加工成本，提升加工效率，减少熔融浸渍产生的污水排放，对环境更加友好。

3、在熔融浸渍之前对PA6和碳纤维先进行改性处理，提高了碳纤维和PA6的结合能力，提高复合材料的综合性能。

附图说明

图1为本发明熔融浸渍法的工艺流程示意图。

图中：1、加热平板；2、隔离纸；3、刮刀；4、改性碳纤维；5、冷却板；6、加压辊；7、收卷装置；8、加热板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：一种碳纤维PA6热塑性复合材料，所述复合材料由以下重量百分比含量的组分组成：

PA6: 50%，

碳纤维： 20%，

偶联剂： 1.5%，

回收料： 15%，

抗氧剂： 0.5%，

阻燃剂： 17%，

相容剂： 5%，

稳定剂CPE: 1%。

优选的，所述的碳纤维改性短切碳纤维，其长度为7.5-9mm，碳纤维的长度在复合材料中并不是越长越好，太长容易产生各种异性，会影响垂直纤维方向的强度，容易出现断裂的风险。而太短又不能起到碳纤维的增强作用，降低材料的力学性能，经过实验证明，纤维长度在7.5-9为最佳。

优选的，所述的回收料为可回收利用的碳纤维PA6热塑性复合材料，热塑性复合材料大都可以回收利用，在对碳纤维PA6热塑性复合材料的试验中，碳纤维PA6热塑性复合材料可以回收利用6次左右，试验中加入10-15%的回收料之后，其各项指标与没有加入回收料的样品基本一致，在加入超过25%的回收料之后，发现冲击强度下降了10%左右，所以在复合材料中适当的加入回收料不仅不会降低材料的性能，而且能够降低生产成本20%，。

优选的，所述的阻燃剂为十溴联苯醚，其质量百分比为7%；所述的相容剂为KT-12；所述的偶联剂为KH550。

另外，本发明还涉及碳纤维PA6热塑性复合材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

（一）PA6材料的选取和改性：选取熔体质量流动速率（MFR）≥25（g/10min），并对PA6材料进行化学改性处理得到改性PA6；

(二)碳纤维处理：碳纤维材料经过化学偶联处理得到改性碳纤维；

（三）将熔融浸渍：改性PA6和改性碳纤维通过熔融浸渍法得到碳纤维PA6预浸料；

（4）将碳纤维PA6预浸料从双螺杆挤出机喂料口加入，然后控制双螺杆挤出机的加工温度220～230℃，螺杆转数200～500转/分， 将混合物置于双螺杆挤出机挤出造粒成型。

其中步骤（一）所述化学改性方法如下：

将以下材料PA6、抗氧剂、阻燃剂、偶联剂和相容剂按权利要求1所述的配比在高速混料机中充分混合，混合速度 4000~45000r/min，经 5-10min 的高速搅拌后，放入双螺杆挤出机中熔融造粒，挤出温度 230~250℃，螺杆转速 170~290 r/min，将干燥粒料用注塑机注塑成型得到改性PA6。

PA材料对碳纤维的浸渍的好坏与熔体质量流动速率息息相关，熔体质量流动速率影响复合材料的综合性能。因此尽量选择熔体质量流动速率高的PA材料，经过大量的试验证明，熔体质量流动速率大于25（g/10min）的PA材料具有较好的性能。另外，还需要对PA材料进行改性，使得PA材料能够和碳纤维充分的浸渍以提高材料的综合性能。

其中步骤（二）所述化学偶联方法如下：

在碳纤维中加入回收料并均匀混合，然后将混入回收料的碳纤维放入高温箱式炉中进行氧化处理，将氧化处理的碳纤维加入到γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷浸泡5-9min，之后取出晾干得到改性碳纤维，最后将改性碳纤维压制成连续性改性纤维。

未经表面处理的碳纤维在合成后机械强度较低,碳纤维性能还不如结构材料中所用的玻璃纤维,其原因在于未经处理的碳纤维表面呈惰性,与PA材料的界面结合性较差,因此需要对碳纤维进行表面处理,以增加与PA材料的反应活性,进一步提高复合材料综合性能指标。

其中步骤（三）所述的熔融浸渍法方法如下：

（1）将改性PA6焰融后分别涂覆在置于上下加热平板1之间隔离纸2的表面上，形成聚合物薄膜；

（2）调节聚合物薄膜上刮刀3的间隙和隔离纸2进纸的速度，来准确地控制聚合物薄膜厚度和树脂含量；

（3）改性碳纤维由纱架引出，将改性碳纤维夹在两层聚合物膜中间；当夹有聚合物膜和连续纤维的隔离纸2通过加热板8时，聚合物薄膜受热成为熔体，经过加压辊6加压，融化后的聚合物薄膜被压入改性碳纤维；

（4）最后，经过冷却板5冷却固结，经过收卷装置7收卷，即为碳纤维PA6预浸料，其工艺流程图详见附图1。

本方法先将改性PA6加热熔融，将熔融后的改性PA6直接用于浸渍增强纤维，由于在浸渍过程中不使用溶剂，因而减少了环境污染，节省了材料，而且提高了产品质量和生产效率。

试验中，在无压力的条件下浸渍一束碳纤维，若使纤维浸渍完全，大约需要6h。在压力的作用下，浸渍时间为30分钟左右。本方法通过加压辊的加压作用下，大大提高了生产效率。在熔融浸渍过程中，浸渍压力有两个作用：一是增加聚合物熔体的流动速率，二是提高熔体的渗透性，使得聚合物熔体容易穿透纤维束，减少浸渍时间。显然，降低聚合物熔体黏度和增加浸渍压力均能有效地提髙浸渍速度。

实施例2：不加入回收料，配比详见表格一。

实施例3：不加入稳定剂CPE，配比详见表格一。

实施例4：增加碳纤维的配比至25%，配比详见表格一。

实施例5：降低碳纤维的配比至15，配比详见表格一。

表格一

	PA6	碳纤维	回收料	阻燃剂	稳定剂CPE
						实施例1	50	20	15	7	1
实施例2	60	25	0	7	1
						实施例3	51	20	15	7	0
实施例4	45	25	15	7	1
						实施例5	55	15	15	7	1

注：表格一中未示例出的其他配比按实施例1的百分比进行配比。

表格二

	弯曲强度	弯曲模量	拉伸强度	冲击强度	断裂伸长率
						实施例1	225Mpa	9861Mpa	161Mpa	41KJ/M2	26%
实施例2	221Mpa	9388Mpa	154Mpa	37 KJ/M2	19%
						实施例3	202Mpa	8765Mpa	139Mpa	29KJ/M2	12%
实施例4	229Mpa	9650Mpa	164Mpa	45KJ/M2	23%
						实施例5	214Mpa	9354Mpa	149Mpa	34KJ/M2	31%

由表格一和表格二可知，在加入回收料之后，对复合材料的综合性能不会产生巨大影响；在缺乏稳定剂CPE之后，各项指标会有所下降，其中，弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度和冲击强度较为明显，在10%左右；另外在碳纤维的增加至25%的时候，其综合性能没有明显的提高，而降低至15%的时候，综合性能有小幅度的下降，所以为了节约成本，优选的碳纤维含量为20左右较为合适。

各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。

Claims (10)

1.一种碳纤维PA6热塑性复合材料，其特征在于：所述复合材料由以下重量百分比含量的组分组成：

PA6: 44-61%，

碳纤维： 15-25%，

偶联剂： 1.5%，

回收料： 10-15%，

抗氧剂： 0.5%，

阻燃剂： 5-10%，

相容剂： 5%，

稳定剂CPE: 1%。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维PA6热塑性复合材料，其特征在于：所述的碳纤维改性短切碳纤维，其长度为7.5-9mm。

3.根据权利要求1所述的一种碳纤维PA6热塑性复合材料，其特征在于：所述的回收料为可回收利用的碳纤维PA6热塑性复合材料。

4.根据权利要求1所述的一种碳纤维PA6热塑性复合材料，其特征在于：所述的阻燃剂为十溴联苯醚，其质量百分比为17%。

5.根据权利要求1所述的一种碳纤维PA6热塑性复合材料，其特征在于：所述的相容剂为KT-12。

6.根据权利要求1所述的一种碳纤维PA6热塑性复合材料，其特征在于：所述的偶联剂为KH550。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的碳纤维PA6热塑性复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

（一）PA6材料的选取和改性：选取熔体质量流动速率（MFR）≥25（g/10min），并对PA6材料进行化学改性处理得到改性PA6；

(二)碳纤维处理：碳纤维材料经过化学偶联处理得到改性碳纤维；

（三）将熔融浸渍：改性PA6和改性碳纤维通过熔融浸渍法得到碳纤维PA6预浸料；

（4）将碳纤维PA6预浸料从双螺杆挤出机喂料口加入，然后控制双螺杆挤出机的加工温度220～230℃，螺杆转数200～500转/分， 将混合物置于双螺杆挤出机挤出造粒成型。

8.根据权利要求7所述的碳纤维PA6热塑性复合材料的制备方法，其特征在于：其中步骤（一）所述化学改性方法如下：

将以下材料PA6、抗氧剂、阻燃剂、偶联剂和相容剂按权利要求1所述的配比在高速混料机中充分混合，混合速度 4000~45000r/min，经 5-10min 的高速搅拌后，放入双螺杆挤出机中熔融造粒，挤出温度 230~250℃，螺杆转速 170~290 r/min，将干燥粒料用注塑机注塑成型得到改性PA6。

9.根据权利要求7所述的碳纤维PA6热塑性复合材料的制备方法，其特征在于：其中步骤（二）所述化学偶联方法如下：

在碳纤维中加入回收料并均匀混合，然后将混入回收料的碳纤维放入高温箱式炉中进行氧化处理，将氧化处理的碳纤维加入到γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷浸泡5-9min，之后取出晾干得到改性碳纤维，最后将改性碳纤维压制成连续性改性纤维。

10.根据权利要求7所述的碳纤维PA6热塑性复合材料的制备方法，其特征在于：其中步骤（三）所述的熔融浸渍法方法如下：

（1）将改性PA6焰融后分别涂覆在置于上下加热平板之间隔离纸的表面上，形成聚合物薄膜；

（2）调节聚合物薄膜上刮刀的间隙和隔离纸进纸的速度，来准确地控制聚合物薄膜厚度和树脂含量；

（3）改性碳纤维由纱架引出，将改性碳纤维夹在两层聚合物膜中间；当夹有聚合物膜和连续纤维的隔离纸通过加热板时，聚合物薄膜受热成为熔体，经过加压辊加压，融化后的聚合物薄膜被压入改性碳纤维；

（4）最后，经过冷却板冷却固结，经过收卷装置收卷，即为碳纤维PA6预浸料。