CN109337369A

CN109337369A - 一种碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN109337369A
Application number: CN201811232542.6A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Hangzhou Rumo Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Rumo Technology Co Ltd
Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2019-02-15

Abstract

本发明涉及一种碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备方法。本发明提供了一种碳纤维表面快速高效的处理方法，然后再和聚苯硫醚树脂及相关助剂一起经双螺杆挤出机混炼造粒，得到一种碳纤维增强聚苯硫醚复合材料。本发明提供的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备方法，具有工艺简单，生产效率高、生产过程无污染等特点；由此工艺制备的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料，具有较高的模量和强度，外观光亮；可用于制备汽车、电器等产品的结构器件。

Description

一种碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种纤维增强塑料的技术领域，尤其涉及一种碳纤维增强聚苯硫醚树脂的技术领域。

背景技术

碳纤维增强聚合物是一种高性能复合材料，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变等一系列优异性能，在汽车、航空航天、电子电器和日常生活用品等各个领域有着广泛应用。然而，由于碳纤维表面平滑、表面能低、活性官能团少、呈现表面化学惰性，与偶联剂、聚合物树脂基体浸润性差，使得最终复合材料中纤维与树脂界面粘合力较弱，严重的影响了最终碳纤维对聚合物的改性效果。因此，国内外对碳纤维表面处理技术有诸多研究。比如，常见的气相氧化法、液相氧化法、表面辐射接枝法、化学聚合接枝法和等离子处理法等等。其中，如液相氧化法等是比较常规的手段，但是该方法需要采用强酸等做处理剂，处理时间长，且废液污染严重、气相法等需要较高的温度，可达500℃左右，处理效果较差；辐射接枝法对设备要求较高，又需要防护辐射源对环境及操作人员的危害；化学聚合接枝法是一种比较难以控制的方法，对发生聚合的装置、温度、时间控制较严格，很难控制接枝效果，此外，还受限于最终应用的聚合物基体树脂种类。

低温等离子体法是一种相对简单、快捷、高效的处理方法，本方法可以采用空气做等离子源，经过等离子发生装置，将纤维表面分子的化学键打断并引发等离子体化学反应(氧化、交联)，引入含氧、含氮基团(如-COOH、-C-0、NH 、-0H)，从而使表面被等离子体活化；处理时间仅需10到30秒，即可使碳纤维表面生成大量活性自由基，改变碳纤维表面能；同时，该方法无需加任何引发剂和溶剂，污染少、耗时短、设备简单、效率高、很安全。

聚苯硫醚(PPS)树脂是苯环在对位上与硫原子连接起来而构成的刚性聚合物，具有优异的耐溶剂性能、耐疲劳性能和抗蠕变性，并且在高温条件下刚性降低很小。但是由于PPS树脂的分子量低，因此其力学强度较低、脆性较大。通常用玻璃纤维、碳纤维、弹性体聚合物等对PPS树脂进行增韧增强改性。由于PPS的活性基团巯基（-SH）的反应活性低，且树脂本身的高结晶度，因此PPS树脂与其他聚合物、玻纤和碳纤等相容性较差，需要增容改性。由于碳纤增强的PPS树脂具有优异的刚性和抗蠕变性及耐磨性能，所以在汽车领域有较广泛的应用。增加碳纤维和PPS树脂界面的相容性和结合强度一直是行业存在的问题；行业内一般采用硅烷偶联剂处理纤维或者使用一些含有甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、马来酸酐（MAH）相容剂增容PPS和碳纤维的相界面，由于两者都是表面能较低，因此，一般的增容改性所能提高的效果有限，不能使碳纤维增强的PPS树脂发挥最佳的性能。

因此，本发明采用低温等离子处理技术对碳纤维表面进行活化后，再进行偶联处理，采用双重手段改善碳纤维与PPS树脂间的相容性和界面结合力；提高了碳纤维对PPS树脂的增强效果。本发明是一种无污染、能耗低、效率高的工艺技术。

发明内容

需要解决的技术问题

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种可连续化的、快速、高效的碳纤维表面活化技术，改善了碳纤维增强聚苯硫醚树脂的效果。

技术方案

本发明所述的技术方案是：

一种碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、将碳纤维置于等离子发射器下面的储罐中，利用空气作为等离子源，在600W的功率下将碳纤维表面进行溅射处理10~30秒钟，使碳纤维表面具有活性基团；

步骤2、将步骤1处理后的碳纤维加入带搅拌装置的反应釜中，用去离子水稀释后的硅烷偶联剂喷洒到碳纤维表面搅拌10分钟，搅拌速度为300r/min，搅拌温度为60~80℃，干燥待用；其中偶联剂浓度为0.05mol/L，用量为碳纤维重量的1%；

步骤3、将步骤2处理过的碳纤维、聚苯硫醚树脂、润滑剂和抗氧剂按照一定比例加入高混机混合均匀后加入双螺杆挤出机混炼造粒，其中挤出机筒体温度设定为270~290℃；然后注塑成标准力学样条，根据相关国家标准测试其力学性能，其中注塑机炮筒温度设定为280~300℃，模温机油温设定为100~140℃。

进一步，本发明所述的一种新型的碳纤维增强聚合物的各组分质量比为：

聚合物树脂： 20~70%，

抗氧剂： 3~10%，

润滑剂： 2~10%，

碳纤维： 25~60%。

更进一步，本发明所述的权利要求1所述的聚苯硫醚树脂(PPS)中的一种热塑性树脂，其平均分子量为20000~80000；所述的抗氧剂是抗氧剂1010和168的混合物，混合比例2:1；所述的润滑剂是高温硅酮润滑剂；所述的偶联剂是含环氧基团的硅烷偶联剂。

再进一步，本发明所述的一种新型的碳纤维增强聚合物中的碳纤维是长度不大于5㎜的短切碳纤维和长纤维中的任意一种。

与现有工艺技术相比，本发明所述的一种碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备方法，具有以下益处：

第一、本发明采用的碳纤维表面处理技术，具有高效、快捷，能耗低，无污染，处理效果优良的优点。

第二、本发明采用低温等离子技术和偶联剂相结合的双重处理方法，极大的提高了碳纤维和PPS树脂基体之间的相界面结合效果，明显提高了碳纤维的增强效果、改善了高填充下复合材料的表面光泽度。

第三、本发明提供的工艺方法适既适应于短切碳纤维也适应于长碳纤维。

具体实施实例：

下面结合实施例，对本发明的内容作更具体的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1、一种碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备方法，其中原料包括PPS树脂、短切碳纤维、抗氧剂和润滑剂，其组成质量百分数如下：

PPS树脂： 50%，

抗氧剂： 5%，

润滑剂： 5%，

短切碳纤维： 40%。

工艺步骤如下：

步骤1、将碳纤维置于密闭的等离子装置中，采用低温等离子喷射装置，空气作为等离子源，在600W的功率下将碳纤维表面进行溅射处理15秒钟；

步骤2、将步骤1处理后的碳纤维加入带搅拌装置的反应釜中，用去离子水稀释后的硅烷偶联剂喷洒到碳纤维表面搅拌15分钟，搅拌速度为300r/min，搅拌温度为40~50℃，干燥待用，其中偶联剂浓度为0.05mol/L，用量为碳纤维重量的1%；

步骤3、将步骤2处理过的碳纤维、PPS树脂、润滑剂和抗氧剂按照所述配比加入高混机混合均匀后加入双螺杆挤出机混炼造粒，其中挤出温度为280~290℃；造粒后注塑成力学样条，根据相关国家标准测试其力学性能，其中注塑温度为290~310℃，模具温度设定为120℃。

实施例2、一种碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备方法，其中原料包括PPS树脂、短切碳纤维、抗氧剂和润滑剂，其组成质量百分数如下：

PPS树脂： 50%，

抗氧剂： 5%，

润滑剂： 5%，

长碳纤维： 40%。

工艺步骤如下：

步骤1、将长碳纤维置于敞开的等离子装置中，采用低温等离子喷射装置，空气作为等离子源，在600W的功率下将碳纤维表面进行溅射处理20秒钟；

步骤2、将步骤1处理后的长碳纤维加入带搅拌装置的反应釜中，用去离子水稀释后的硅烷偶联剂喷洒到碳纤维表面搅拌15分钟，搅拌速度为300r/min，搅拌温度为40~50℃，干燥待用，其中偶联剂浓度为0.05mol/L，用量为碳纤维重量的1%；

步骤3、将PPS树脂、润滑剂和抗氧剂按照所述配比加入高混机混合均匀后加入双螺杆挤出机的主喂料口，步骤2中处理过的长碳纤维从侧喂料口中加入挤出机，内部配置纤维刀；混炼造粒，其中挤出温度为280~290℃；造粒后注塑成力学样条，根据相关国家标准测试其力学性能，其中注塑温度为290~310℃，模具温度设定为120℃。

实施例3、一种碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备方法，其中原料包括聚苯硫醚（PPS）树脂、短切碳纤维、抗氧剂和润滑剂，其组成质量百分数如下：

PPS树脂： 50%，

抗氧剂： 5%，

润滑剂： 5%，

短切碳纤维： 40%。

工艺步骤如下：

步骤1、将短切碳纤维置于密闭的等离子装置中，采用低温等离子喷射装置，空气作为等离子源，在600W的功率下将碳纤维表面进行溅射处理20秒钟；

步骤2、将步骤1处理过的碳纤维、PPS树脂、润滑剂和抗氧剂按照所述配比加入高混机混合均匀后加入双螺杆挤出机混炼造粒，其中挤出温度为280~290℃；造粒后注塑成力学样条，根据相关国家标准测试其力学性能，其中注塑温度为290~310℃，模具温度设定为120℃

实施例4、一种碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备方法，其中原料包括PPS树脂、短切碳纤维、抗氧剂和润滑剂，其组成质量百分数如下：

PPS树脂： 50%，

抗氧剂： 5%，

润滑剂： 5%，

短切碳纤维： 40%。

工艺步骤如下：

步骤1、将短切碳纤维加入带搅拌装置的反应釜中，用去离子水稀释后的硅烷偶联剂喷洒到碳纤维表面搅拌15分钟，搅拌速度为300r/min，搅拌温度为60~80℃，干燥待用，其中偶联剂浓度为0.05mol/L，用量为碳纤维重量的1%；

步骤2、将步骤1处理过的碳纤维、PPS树脂、润滑剂和抗氧剂按照所述配比加入高混机混合均匀后加入双螺杆挤出机混炼造粒，其中挤出温度为280~290℃；造粒后注塑成力学样条，根据相关国家标准测试其力学性能，其中注塑温度为290~310℃，模具温度设定为120℃。

表1：各实施例中组份及测试结果

由上表可以看出：等离子处理后，碳纤维和树脂界面结合强度增强，相容性改善，因此，力学强度和流动性都有提高。因此，本发明提供的等离子和偶联剂双重处理工艺，明显改善了碳纤维表面状况，极大提高了碳纤维增强聚苯硫醚树脂的改性效果。

Claims

1.一种碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备方法，包括如下步骤：

2.一种碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备方法，权利要求1所述的一种碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的各组分质量比为：

聚苯硫醚树脂： 20~70%，

抗氧剂： 3~10%，

润滑剂： 2~10%，

碳纤维： 25~60%。

3.一种碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备方法，权利要求1所述的聚苯硫醚树脂(PPS)中的一种热塑性树脂，其平均分子量为20000~80000；所述的抗氧剂是抗氧剂1010和168的混合物，混合比例2:1；所述的润滑剂是高温硅酮润滑剂；所述的偶联剂是含环氧基团的硅烷偶联剂。

4.一种新型的碳纤维增强聚合物制备方法，如权利要求1中所述的碳纤维是长度不大于5㎜的短切碳纤维和长纤维中的一种。