CN108948731A

CN108948731A - 一种磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料及其制备方法

Info

Publication number: CN108948731A
Application number: CN201810652620.1A
Authority: CN
Inventors: 陈庆
Original assignee: Chengdu New Keli Chemical Science Co Ltd
Current assignee: Chengdu New Keli Chemical Science Co Ltd
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2018-06-22
Publication date: 2018-12-07

Abstract

本发明涉及复合塑料领域，公开了一种磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料及其制备方法。包括如下制备过程：（1）将钡铁可溶性盐、柠檬酸溶于水中，配制成钡铁氧体前驱体溶液；（2）将碳纤维浸渍在前驱体溶液中，取出后高温焙烧制得磁化碳纤维；（3）在双螺杆挤出机中间熔融段设置高频磁场信号发生装置；（4）将磁化碳纤维与聚酰胺树脂混合加入双螺杆挤出机进料口，在磁场作用下共混挤出造粒，即得磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料。本发明制得的聚酰胺复合塑料，碳纤维在聚酰胺材料中分散均匀，有效避免了碳纤维在改性材料中的团聚难分散的缺点，具有优异的力学性能，应用前景好。

Description

一种磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合塑料领域，公开了一种磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料及其制备方法。

背景技术

酰胺俗称尼龙，它是大分子主链重复单元中含有酰胺基团的高聚物的总称。聚酰胺可由内酸胺开环聚合制得，也可由二元胺与二元酸缩聚等得到的。聚酰胺是指主链节含有极性酰胺基团(-CO-NH一)的高聚物。最初用作制造纤维的原料，后来由聚酰胺高熔点、出色的耐热性能以及自熄性；韧性、耐久性、电性能以及其他物理性能都具有出色的平衡指标；优良的耐油剂性、耐化学品性能；优良的耐磨、抗蠕变及耐老化性能，成为目前工业中应用广泛的一种工程塑料。

聚酰胺由于各种尼龙的化学结构不同，其性能也有差异，但它们具有共同的特性:尼龙的分子之间可以形成氢键，使结构易发生结晶化，而且，分子之间互相作用力较大，赋予尼龙以高熔点和力学性;由于酰胺基是亲水基团，吸水性较大。在尼龙的化学结构中还存在亚甲基和芳基，使尼龙具有一定柔顺或刚性。尼龙中的亚甲酸氨基的比例越大，分子中氢键数越少，分子间力越小，柔性增加，吸水性越小，易于加工，但由于其强极性的特点，吸湿性强，尺寸稳定性差，可以通过改性来改善适于用玻璃纤维和其它填料填充增强改性，提高性能和扩大应用范围。

通过添加无机填料进行填充改性时增强聚酰胺性能的最主要方法。碳纤维具有高强度、低密度、高耐温、耐水、耐腐蚀等特点，是一种优异的高强度增强材料，碳纤维增强改性的聚酰胺复合材料具有非常高的比强度，是一种优点的结构材料，但是碳纤维表面极性很弱，与聚酰胺的粘结力很小，在实际应用中存在难粘结、难分散的特点，因此一般需对其进行表面处理后才能用于增强复合材料。

中国发明专利申请号201610309571.2公开了一种碳纤维增强聚酰胺树脂复合材料，其主要是由以下重量份比例的原料所制成：聚酰胺树脂100份、聚对苯二甲酸丁二醇酯40~60份、纳米碳纤维30~50份、溴化聚丙烯酸酯15~35份、硅灰石5~15份、钛酸钾1~9份、硬脂酸2~8份。相对于现有技术，该发明所得的碳纤维增强聚酰胺树脂复合材料，成本低，工艺简单，不仅强度高，同时能显著降低产品密度，产品整体性能优异。

中国发明专利申请号201410410146.3公开了一种碳纤维增强聚酰胺复合材料，包括如下重量百分比的组分：聚酰胺55.7％~98.6％；表面改性的碳纤维1％~40％；相容剂0.1％~2％；润滑剂0.1％~1％；抗氧剂0.1％~0.3％；偶联剂0.1％~1％；表面改性的碳纤维所用的改性剂包括离子液体。该碳纤维增强聚酰胺复合材料添加了经离子液体改性后的碳纤维后，解决碳纤维与聚酰胺相容性差的问题，并且提高了复合材料的力学性能。

根据上述，现有方案中用于碳纤维填充改性聚酰胺的技术中，存在相容性差，碳纤维难粘结、难分散的缺陷，在改性中低剪切应力容易造成材料堵塞在挤出机中，但在高剪切应力下纤维易折断，破坏纤维的增强效果，而传统的表面处理剂的实际利用率低，效果不理想，本发明提出了一种磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料及其制备方法，可有效解决上述技术问题。

发明内容

目前应用较广的碳纤维填充改性聚酰胺时存在相容性差、难分散的缺陷，在改性中低剪切应力容易造成材料堵塞，但在高剪切应力下纤维易折断，破坏纤维的增强效果，而传统的表面处理剂的实际利用率低，效果不理想。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料的制备方法，制备的具体过程为：

（1）先采用钡铁可溶性盐溶于水中，再加入柠檬酸，配制成钡铁氧体前驱体溶液；

（2）将碳纤维浸渍在步骤（1）制得的钡铁氧体前驱体溶液中，取出后进行高温焙烧，使钡铁氧体磁性物质包覆于碳纤维表层，制得磁化碳纤维；

（3）在双螺杆挤出机中间熔融段设置高频磁场信号发生装置，用于产生和发射磁场信号；

（4）将步骤（2）制得的磁化碳纤维与聚酰胺树脂混合加入双螺杆挤出机进料口，在高剪切力下熔融共混挤出造粒，通过不断变换磁场方向，使得磁化碳纤维向各个方向发生迁移，碳纤维均匀分散，制得磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料。

优选的，步骤（1）所述前驱体溶液中，按重量份计，其中：钡铁可溶性盐25~30重量份、柠檬酸2~4重量份、水66~73重量份。

优选的，步骤（1）所述钡铁可溶性盐为硫酸盐、硝酸盐、氯化物中的一种。

优选的，步骤（1）所述钡铁可溶性盐的铁钡摩尔比为9~12。

优选的，步骤（2）所述浸渍时间为40~80min。

优选的，步骤（2）所述高温焙烧的温度为700~800℃，时间为100~150min。

优选的，步骤（3）所述挤出料中，按重量份计，其中：磁化碳纤维5~30重量份、聚酰胺树脂70~95重量份。

优选的，步骤（3）所述磁场频率为40~60MHz。磁场强度200～500mT。

由上述方法制备得到的一种磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料，采用对碳纤维的磁化处理，在挤出造粒时加入高频磁场信号发生装置，在高频震荡下，磁场方向不断变化，使得碳纤维向各个方向发生迁移，达到碳纤维均匀分散的目的，从而提高了碳纤维与聚酰胺材料的分散性，有效避免了碳纤维在改性材料中的团聚难分散的缺点。在具体操作时,磁场强度过小难以使磁化碳纤维在粘稠的聚酰胺熔体中运动,磁场强度过大,导致磁化碳纤维迁移过快,造成聚集。通过实验优选，在聚酰胺熔体中，磁场强度200～500mT较为适宜。

本发明提供了一种磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料及其制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：

1、提出了在挤出造粒时加入高频磁场对磁化碳纤维进行处理制备用于磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料的方法。

2、通过在挤出造粒时加入高频磁场，磁化处理的碳纤维在高频震荡下方向不断变化，达到碳纤维向各方向迁移并均匀分散的目的，有效提高了碳纤维与聚酰胺材料的分散性，避免了碳纤维在改性材料中的团聚难分散的缺点。

3、本发明制得增强聚酰胺复合材料有优异的力学性能，具有极好的应用前景。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。

实施例1

（1）先采用钡铁可溶性盐溶于水中，再加入柠檬酸，配制成钡铁氧体前驱体溶液；前驱体溶液中，按重量份计，其中：钡铁可溶性盐25重量份、柠檬酸4重量份、水71重量份。钡铁可溶性盐的铁钡摩尔比为9。

（2）将碳纤维浸渍在步骤（1）制得的钡铁氧体前驱体溶液中，取出后进行高温焙烧，使钡铁氧体磁性物质包覆于碳纤维表层，制得磁化碳纤维；浸渍时间为60min。高温焙烧的温度为750℃，时间为100min。

（3）在双螺杆挤出机中间熔融段设置高频磁场信号发生装置，用于产生和发射磁场信号；挤出料中，按重量份计，其中：磁化碳纤维15重量份、聚酰胺树脂85重量份。磁场频率为40MHz。磁场强度200。

实施例2

（1）先采用钡铁可溶性盐溶于水中，再加入柠檬酸，配制成钡铁氧体前驱体溶液；前驱体溶液中，按重量份计，其中：钡铁可溶性盐28重量份、柠檬酸2重量份、水70重量份。钡铁可溶性盐的铁钡摩尔比为12。

（2）将碳纤维浸渍在步骤（1）制得的钡铁氧体前驱体溶液中，取出后进行高温焙烧，使钡铁氧体磁性物质包覆于碳纤维表层，制得磁化碳纤维；浸渍时间为60min。高温焙烧的温度为800℃，时间为100min。

（3）在双螺杆挤出机中间熔融段设置高频磁场信号发生装置，用于产生和发射磁场信号；挤出料中，按重量份计，其中：磁化碳纤维20重量份、聚酰胺树脂80重量份。磁场频率为50MHz。磁场强度300mT。

实施例3

（1）先采用钡铁可溶性盐溶于水中，再加入柠檬酸，配制成钡铁氧体前驱体溶液；前驱体溶液中，按重量份计，其中：钡铁可溶性盐30重量份、柠檬酸4重量份、水66重量份。钡铁可溶性盐的铁钡摩尔比为10。

（2）将碳纤维浸渍在步骤（1）制得的钡铁氧体前驱体溶液中，取出后进行高温焙烧，使钡铁氧体磁性物质包覆于碳纤维表层，制得磁化碳纤维；浸渍时间为50min。高温焙烧的温度为750℃，时间为120min。

实施例4

（1）先采用钡铁可溶性盐溶于水中，再加入柠檬酸，配制成钡铁氧体前驱体溶液；前驱体溶液中，按重量份计，其中：钡铁可溶性盐27重量份、柠檬酸3重量份、水70重量份。钡铁可溶性盐的铁钡摩尔比为11。

（2）将碳纤维浸渍在步骤（1）制得的钡铁氧体前驱体溶液中，取出后进行高温焙烧，使钡铁氧体磁性物质包覆于碳纤维表层，制得磁化碳纤维；浸渍时间为70min。高温焙烧的温度为780℃，时间为130min。

（3）在双螺杆挤出机中间熔融段设置高频磁场信号发生装置，用于产生和发射磁场信号；挤出料中，按重量份计，其中：磁化碳纤维20重量份、聚酰胺树脂80重量份。磁场频率为50MHz。磁场强度400mT。

实施例5

（1）先采用钡铁可溶性盐溶于水中，再加入柠檬酸，配制成钡铁氧体前驱体溶液；前驱体溶液中，按重量份计，其中：钡铁可溶性盐25重量份、柠檬酸3重量份、水72重量份。钡铁可溶性盐的铁钡摩尔比为12。

（2）将碳纤维浸渍在步骤（1）制得的钡铁氧体前驱体溶液中，取出后进行高温焙烧，使钡铁氧体磁性物质包覆于碳纤维表层，制得磁化碳纤维；浸渍时间为80min。高温焙烧的温度为700℃，时间为150min。

（3）在双螺杆挤出机中间熔融段设置高频磁场信号发生装置，用于产生和发射磁场信号；挤出料中，按重量份计，其中：磁化碳纤维10重量份、聚酰胺树脂90重量份。磁场频率为40MHz。磁场强度500mT。

对比例1

（3）按重量份计，其中：磁化碳纤维10重量份、聚酰胺树脂90重量份。混合加入双螺杆挤出机进料口，在高剪切力下熔融共混挤出造粒，制得磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料。

对比例1没有利用高频磁场分散磁化的碳纤维。

对比例2

（1）先采用钡铁氧磁粉分散于水中。

（2）将碳纤维浸渍在步骤（1）制得的钡铁氧体磁粉分散液，取出后进行高温焙烧，使钡铁氧体磁性物质包覆于碳纤维表层，制得磁化碳纤维；浸渍时间为80min。高温焙烧的温度为700℃，时间为150min。

对比例2没有采用钡铁前驱体包覆烧结的工艺，而是将钡铁氧磁粉直接分散于水中处理碳纤维，难以使磁粉均匀稳定粘附在碳纤维表面。

将实施例1-5、对比例1-2 得到的磁化碳纤维改性的聚酰胺进行增强性能测试，从而判断碳纤维的分散性。

将明制得的聚酰胺复合塑料按照GB/T 1447-2005制成标准Ⅰ型试样，采用拉伸强度试验机，试验速度为10mm/min，温度为23℃，相对湿度为50%，测定其拉伸强度，测试3次求得平均值；

将本发明制得的复合塑料按照ISO 178-2010制成标准样条，长度为80mm，宽度为10mm，厚度为4mm，采用液压万能试验机测定样条的弯曲强度及弯曲模量，测试3次求得平均值。如表1。

表1：

性能指标	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	对比例1	对比例2
								拉伸强度（MPa）	72.4	72.5	72.6	72.3	72.5	50.6	58.8
弯曲强度（MPa）	115.6	116.2	115.7	115.8	116.4	84.8	92.3
								弯曲模量（MPa）	4362	4365	4363	4364	4361	1763	2687

Claims

1.一种磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料的制备方法，其特征在于，制备的具体过程为：

2.根据权利要求1所述一种磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述前驱体溶液中，按重量份计，其中：钡铁可溶性盐25~30重量份、柠檬酸2~4重量份、水66~73重量份。

3.根据权利要求1所述一种磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述钡铁可溶性盐为硫酸盐、硝酸盐、氯化物中的一种。

4.根据权利要求1所述一种磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述钡铁可溶性盐的铁钡摩尔比为9~12。

5.根据权利要求1所述一种磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述浸渍时间为40~80min。

6.根据权利要求1所述一种磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述高温焙烧的温度为700~800℃，时间为100~150min。

7.根据权利要求1所述一种磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述挤出料中，按重量份计，其中：磁化碳纤维5~30重量份、聚酰胺树脂70~95重量份。

8.根据权利要求1所述一种磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述高频磁场的磁场频率为40~60MHz；磁场强度200～500mT。

9.权利要求1~8任一项所述方法制备得到的一种磁化碳纤维改性聚酰胺复合塑料。