CN108690259A - 一种碳纤维增强聚丙烯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聚丙烯复合材料及其制备方法。所述碳纤维增强聚丙烯复合材料按重量百分比算，包括如下组分：聚丙烯树脂50%~75%；助剂0%~10%；碳纤维20%~40%；碳纤维增强聚丙烯复合材料中，碳纤维保留长度及其分布按重量百分比算，包括如下组分：小于1000um 20%~30%；1000um~1500um 60%~70%；大于1500um 5%~10%。制备得到的碳纤维增强聚丙烯复合材料刚性增强的同时具有优异的抗冲击性能，达到刚韧平衡，增加了聚丙烯材料的适用性和实用性。

Description

一种碳纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及热塑性复合材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维增强聚丙烯复合材料。
背景技术
碳纤维（carbon fiber，简称CF），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。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
碳纤维增强热塑性(树脂基)复合材料(LCFT)具有质量轻、性能高、生产效率高、易回收、可循环重复使用等突出特点，与热固性(树脂基)复合材料(LCFP)相比，其可回收性优势明显，同时可采用高效率的注塑、模压等工艺制造产品。碳纤维自身是高模高强的材料，其加入会大大提高材料的刚性，但是材料刚性的增加导致材料的抗冲击性能下降，不能达到刚韧平衡，常规手段是增加各种助剂，但是众所周知，增加助剂又会影响尺寸稳定性和加工流动性。因此，急需一种工艺解决方法，使复合材料刚性增强的同时具有优异的抗冲击性能，达到刚韧平衡，增加材料的适用性和实用性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种碳纤维增强聚丙烯复合材料，达到刚韧平衡。
本发明的另一目的在于提供一种碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法。
本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现：
一种碳纤维增强聚丙烯复合材料，按重量百分比算，包括如下组分：
聚丙烯树脂 50%~75%；
助剂 0%~10%；
碳纤维 20%~40%；
其中，碳纤维增强聚丙烯复合材料中，碳纤维保留长度及其分布按重量百分比算，包括如下组分：
小于1000um 20%~30%；
1000um~1500um 60%~70%；
大于1500um 5%~10%。
发明人经过大量实验发现，碳纤维增强聚丙烯复合材料中调节碳纤维保留长度及含量分布，实现碳纤维保留长度及其分布按重量百分比算，包括如下组分：小于1000um 20%~30%；1000um~1500um 60%~70%；大于1500um 5%~10%。由此得到的碳纤维增强聚丙烯复合材料刚性增强的同时具有优异的韧性，达到刚韧平衡，增加了材料的适用性和实用性。
碳纤维增强聚丙烯复合材料中，碳纤维保留长度及其分布按重量百分比算，包括如下组分：
小于1000um 20%~25%；
1000um~1500um 65%~70%；
大于1500um 7%~10%。
所述聚丙烯树脂数均分子量为90000~140000。
所述助剂为现有技术常用助剂，主要是抗氧剂、润滑剂、相容剂、成核剂、耐候剂中的一种或多种,如抗氧剂1010、Nauguard 445，润滑剂脂肪酸、石蜡，相容剂Bondyram1001，成核剂滑石粉、云母，耐候剂受阻胺类等。
所述碳纤维直径为5um~7um。
所述碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法包括如下步骤：
S1.将聚丙烯树脂和助剂混合均匀，加入双螺杆挤出机中，挤出机模头处连接浸渍装置，挤出机温度为200~230℃，模头温度为230~250℃；
S2.通过双螺杆挤出机塑化，把高温混合料熔体输送到模头，碳纤维通过牵引装置输送到模头，强制浸渍；
S3.充分浸渍的碳纤维牵引拉出，冷却定型，切粒，粒子长度6~25mm；
S4.将上述粒子放入注塑机，通过设置注塑工艺参数制备碳纤维增强聚丙烯复合材料；
所述步骤S4的注塑工艺参数包括：注射压力80~90MPa，背压压力30~40MPa，螺杆转速30rpm~40rpm，注射速度60mm/s~70mm/s，注塑温度240℃~250℃。
所述碳纤维保留长度以及分布的测试方法：将2g碳纤维增强聚丙烯复合材料的制品在600℃浓硫酸和氢氟酸烧解后通过双氧水滴定调节到中性，得到的澄清透明的烧解液，液体冷却到室温后通过移液管从底部移取2ml在干净的玻璃片，液滴铺成厚度为2mm的水层，二次元影像仪器放大倍数为200倍下的条件下进行拍照，根据照片的碳纤维形态用统计学的方法计算碳纤维保留长度以及分布。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的一种碳纤维增强聚丙烯复合材料中碳纤维保留长度及其分布按重量百分比算，包括如下组分：小于1000um 20%~30%；1000um~1500um 60%~70%；大于1500um 5%~10%。最终不仅保证了聚丙烯材料的高刚性，还显著提高了聚丙烯材料的抗冲击能力，极大程度上提高了材料的适用性和实用性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步解释说明，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应包括在本发明权利要求的保护范围之内。
力学性能测试方法：
拉伸强度：ISO 527；
弯曲强度：ISO 178；
悬臂梁缺口冲击强度：ISO 180/1A。
本发明中采用的原料：
聚丙烯树脂：740T 韩国大林，数均分子量为110000；
抗氧剂：Nauguard 445；
相容剂：Bondyram1001 以色列普利朗；
碳纤维：T700，直径为7um。
实施例1~8和对比例1~10
碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备：
S1.将聚丙烯树脂和助剂混合均匀，加入双螺杆挤出机中，挤出机模头处连接浸渍装置，挤出机温度为200~230℃，模头温度为230~250℃；
S2.通过双螺杆挤出机塑化，把高温混合料熔体输送到模头，碳纤维通过牵引装置输送到模头，强制浸渍；
S3.充分浸渍的碳纤维牵引拉出，冷却定型，切粒，粒子长度约为6~25mm；
S4.将上述粒子放入注塑机，设置注塑工艺参数制备碳纤维增强聚丙烯复合材料，注塑工艺参数如表1所示。
表1实施例1~8和对比例1~10的具体配方(重量百分比)及其测试性能结果
续表1
通过表1的数据对比可以看到，实施例1~8得到了制品中碳纤维保留长度和分布按重量百分比算，包括小于1000um 20%~30%；1000um~1500um 60%~70%；大于1500um 5%~10%。对比例1~10得到的制品中碳纤维保留长度和分布不符合上述组分分布情况。实施例制备的碳纤维增强聚丙烯复合材料，不仅很明显的提高了材料的抗冲击能力，而且对拉伸弯曲强度也有一定的提高。在提高了材料的刚性的情况下保证了材料的抗冲击能力，提高了材料的适用性和实用性。

Claims (7)

1.一种碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述碳纤维增强聚丙烯复合材料按重量百分比算，包括如下组分：
聚丙烯树脂50%~75%；
助剂0%~10%；
碳纤维20%~40%；
其中，碳纤维增强聚丙烯复合材料中，碳纤维保留长度及其分布按重量百分比算，包括如下组分：
小于1000um 20%~30%；
1000um~1500um 60%~70%；
大于1500um 5%~10%。
2.根据权利要求1所述碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，碳纤维增强聚丙烯复合材料中，碳纤维保留长度及其分布按重量百分比算，包括如下组分：
小于1000um 20%~25%；
1000um~1500um 65%~70%；
大于1500um 7%~10%。
3.根据权利要求1所述碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述聚丙烯树脂数均分子量为90000~140000。
4.根据权利要求1所述碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述助剂是抗氧剂、润滑剂、相容剂、成核剂、耐候剂中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述碳纤维直径为5um~7um。
6.权利要求1所述碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将聚丙烯树脂和助剂混合均匀，加入双螺杆挤出机中，挤出机模头处连接浸渍装置，挤出机温度为200~230℃，模头温度为230~250℃；
S2.通过双螺杆挤出机塑化，把高温混合料熔体输送到模头，碳纤维通过牵引装置输送到模头，强制浸渍；
S3.充分浸渍的碳纤维牵引拉出，冷却定型，切粒，粒子长度6~25mm；
S4.将上述粒子放入注塑机，设置注塑工艺参数制备碳纤维增强聚丙烯复合材料；
所述步骤S4的注塑工艺参数包括：注射压力80~90MPa，背压压力30~40MPa，螺杆转速30rpm~40rpm，注射速度60mm/s~70mm/s，注塑温度240℃~250℃。
7.根据权利要求1所述碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述碳纤维保留长度及其分布的测试方法：将2g碳纤维增强聚丙烯复合材料的制品在600℃浓硫酸和氢氟酸烧解后通过双氧水滴定调节到中性，得到澄清透明的烧解液，液体冷却到室温后通过移液管从底部移取2ml在干净的玻璃片，液滴铺成厚度为2mm的水层，二次元影像仪器放大倍数为200倍下的条件下进行拍照，根据照片的碳纤维形态用统计学的方法计算碳纤维保留长度以及分布。
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