CN109485958A - 由碳纤维和热塑性聚合物制成的树脂组合物及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由碳纤维和热塑性聚合物制成的树脂组合物及其制造方法。所述树脂组合物通过在热塑性聚合物中浸渍碳纤维，并在所述碳纤维上涂覆热塑性聚合物之后，在所述热塑性聚合物不被碳化的温度条件下，对涂覆有热塑性聚合物的碳纤维和热塑性聚合物进行混合并制造。所述制造方法包括碳纤维预处理步骤，对碳纤维进行切割，并在热塑性聚合物中进行搅拌并涂覆之后进行稀释，从而使得所述碳纤维裂解；混合步骤，在150～165℃下混合所述碳纤维预处理步骤中得到的预处理的碳纤维和热塑性聚合物。本发明的树脂组合物不仅具有良好的耐热性和抗拉强度，并且实现轻量化的同时具有优秀的电磁波屏蔽性能。

Description

由碳纤维和热塑性聚合物制成的树脂组合物及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种由碳纤维和热塑性聚合物制成的树脂组合物及其制造方法，更为具体地，涉及一种混合碳纤维和热塑性聚合物而制成的树脂组合物及其制造方法，所述树脂组合物通过在热塑性聚合物中浸渍碳纤维，并在所述碳纤维上涂覆热塑性聚合物之后，在所述热塑性聚合物不被碳化的温度条件下，对涂覆有热塑性聚合物的碳纤维和热塑性聚合物进行混合并制造。
背景技术
在电子部件领域内，为了实现小型化、薄型化、高速化，应用于电子部件的树脂组合物要求具有更卓越的耐热性、电气特性及耐湿性。因此，使用聚酰亚胺树脂、聚酰胺-酰亚胺树脂、聚酰氨树脂替代环氧树脂，作为构成树脂组合物的树脂。但是，这些树脂较为刚直，固化膜的柔韧性不足。因此，当其应用于薄膜基材时，固化后的基材趋于显著弯曲，并存在柔韧性较低的问题。
并且，电动汽车(Electric Vehicle,EV)或混合动力车(Hybrid ElectricVehicle,HEV)等所使用的电线电缆由于电涌或高频率或高电压而产生部分放电，因此要求具有优秀的电磁波屏蔽性，所述电涌、高频率、高电压是由于在高频率的条件下使用的部件或逆变器驱动使得马达增加所导致的。
不仅如此，EV/HEV汽车所使用的电线电缆大约占据汽车整体重量的5～10wt％，轻量化是决定电动汽车性能的重要因素，用于电动汽车的电线电缆也要求轻量化。
因此，用于电气/电子产品的树脂组合物应具有良好的耐热性和抗拉强度，不仅如此，实现轻量化的同时应具有优秀的电磁波屏蔽性能。
现有技术文献有：专利文献1：KR 10-1151196 B1(2012.05.22.)；专利文献2：KR10-1567971 B1(2015.11.04.)。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种由碳纤维和热塑性聚合物制成的树脂组合物及其制造方法，所述树脂组合物不仅具有良好的耐热性和抗拉强度，并且实现轻量化的同时具有优秀的电磁波屏蔽性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种由碳纤维和热塑性聚合物制成的树脂组合物，通过在150～165℃下混合热塑性聚合物和碳纤维而制得，所述热塑性聚合物和碳纤维的重量比为72:28～95:5；所述碳纤维的直径为18～28K，并进行如下预处理：按照长度为2.5～4.0mm进行切割，涂覆热塑性聚合物后浸渍于稀释剂，之后进行干燥，直到稀释剂含量达到4％以下。
进一步的，所述热塑性聚合物为烯烃基热塑性弹性体、交联型烯烃基热塑性弹性体、聚氨酯基热塑性弹性体、热塑性共聚酯、热塑性苯乙烯嵌段共聚物、热塑性共聚酰胺及热塑性聚酰亚胺中的一种或几种。
进一步的，所述稀释剂为苯、甲苯、六氢化苯或氯甲烷。
本发明还提供了一种由碳纤维和热塑性聚合物制成的树脂组合物的制造方法，包括以下步骤：
S10：对碳纤维进行预处理，得到预处理后的碳纤维；
S20：在150～165℃下，混合所述预处理后的碳纤维和热塑性聚合物，得到树脂组合物；
所述步骤S10包括以下步骤：
S11：将直径为18～28K的碳纤维按照2.5～4.0mm的长度进行切割，得到切割后的碳纤维；
S12：在所述切割后的碳纤维上涂覆热塑性聚合物，得到被热塑性聚合物涂覆的碳纤维；
S13：在稀释剂中浸渍所述被热塑性聚合物涂覆的碳纤维，使碳纤维的表面裂解，得到裂解的碳纤维；
S14：将所述裂解的碳纤维进行干燥，直到使得所述稀释剂含量达到4％以下，从而得到所述预处理后的碳纤维。
进一步的，所述步骤S12中，所述切割后的碳纤维和热塑性聚合物的重量比为1:1。
进一步的，所述步骤S13中，所述稀释剂和被热塑性聚合物涂覆的碳纤维的重量比为2:1。
进一步的，所述步骤S14中，所述干燥的温度为80～95℃，时间为3h。
进一步的，所述步骤S20中，所述热塑性聚合物和预处理后的碳纤维的重量比为72:28～95:5。
进一步的，所述热塑性聚合物为烯烃基热塑性弹性体、交联型烯烃基热塑性弹性体、聚氨酯基热塑性弹性体、热塑性共聚酯、热塑性苯乙烯嵌段共聚物、热塑性共聚酰胺及热塑性聚酰亚胺中的一种或几种。
进一步的，所述稀释剂为苯、甲苯、六氢化苯或氯甲烷。
根据本发明所制造的树脂组合物的优点在于，重量轻，并且利用碳纤维屏蔽电磁波的性能优异。此外，本发明的树脂组合物还具有柔韧性好，易于处理，且导热率高，发热低的优点。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为根据本发明的树脂组合物的制造方法的流程图。
图2为根据本发明的树脂组合物的制造方法中的碳纤维预处理步骤的流程图。
图3为根据本发明的树脂组合物的制造方法中的混合步骤的混合过程的构成图。
图4为根据本发明所制造的树脂组合物注塑并制造为颗粒形态的照片。
图5为将根据本发明所制造的树脂组合物包覆于电线的形态的照片。
具体实施方式
本发明涉及一种由碳纤维和热塑性聚合物制成的树脂组合物及其制造方法，所述树脂组合物通过在热塑性聚合物中浸渍碳纤维，并在所述碳纤维上涂覆热塑性聚合物之后，在所述热塑性聚合物不被碳化的温度条件下，对涂覆有热塑性聚合物的碳纤维和热塑性聚合物进行混合而制造。
以下参照附图对本发明的优选实施例进行更为详细的说明。
请参阅图1，其为根据本发明的树脂组合物的制造方法的流程图，包括碳纤维预处理步骤S10和混合步骤S20。
1、碳纤维预处理步骤S10
碳纤维预处理步骤S10是将碳纤维切割，并使其浸渍于热塑性聚合物的步骤，是用于使得碳纤维和热塑性聚合物的混炼性增强的预处理过程。
这样的预处理过程将碳纤维按照适当的大小切割，并通过热塑性聚合物对所述碳纤维进行涂覆后，包括通过稀释剂使得碳纤维的表面裂解的步骤。
请参阅图2，其为根据本发明的树脂组合物的制造方法中的碳纤维预处理步骤的流程图。所述碳纤维预处理步骤S10包括切割步骤S11、搅拌步骤S12、裂解步骤S13和干燥步骤S14。
1-1、切割步骤S11
切割步骤S11是对碳纤维进行切割的步骤。
碳纤维的直径约为3μm,碳纤维束将如此细的缕状的碳纤维多缕汇集。此时，碳纤维束的直径使用K为单位，1K是指汇集碳纤维1000缕。例如，3K是指汇集碳纤维3000缕的束，数字越大则纤维束越粗。
在本发明中，优选使用18K～28K范围的碳纤维，使用比18K细的碳纤维时，可能具有不易切割的缺点，而使用比28K粗的碳纤维时，可能具有在分离束形态的碳纤维时需要较长的时间的缺点。但是在使用易于切割碳纤维的切割装置的情况下，碳纤维束的粗细自然可以使用多种形态。
所述碳纤维可以按照2.5～4.0mm的长度切割并使用。所述碳纤维的切割长度虽然越短则与热塑性聚合物的混炼性越增强，但是缺点在于，长度越短则切割作业及处理越难，而在切割长度大于4.0mm的情况下，相反地，与热塑性聚合物的混炼性降低。
1-2、搅拌步骤S12
搅拌步骤S12是对所述切割步骤S11中所切割的碳纤维和热塑性聚合物进行混合，从而涂覆并分离碳纤维的步骤。
如前所述，碳纤维形成为使得数千个碳纤维捆绑的束形态，需对汇集的束形态进行分离才能增加与热塑性聚合物的混炼性。
在此，所述热塑性聚合物可从混合物中选择，所述混合物是从热塑性弹性体(TPE)、烯烃基热塑性弹性体(TPE-O或TPO)、交联型烯烃基热塑性弹性体(TPE-V或TPV)、聚氨酯基热塑性弹性体(TPE-U或TPU)、热塑性共聚酯(TPE-E或TPC)、热塑性苯乙烯嵌段共聚物(TPE-S或TPS)、热塑性共聚酰胺(TPE-A或TPA)及热塑性聚酰亚胺(TPI)中所选择的一种或两种以上。
并且，所述聚氨酯基热塑性弹性体(TPE-U或TPU)中的热塑性聚氨酯(TPU)可以通过使得一个以上的聚酯多元醇中间体与一个以上的二异氰酸酯及一个以上的扩链剂进行反应制造而成。
此时，所述二异氰酸酯可以由4，4'-亚甲基二-(苯基异氰酸酯)；六亚甲基二异氰酸酯；3，3'-二甲基联苯-4，4'-二异氰酸酯；间苯二甲基异氰酸酯；亚苯基-1，4-二异氰酸酯；萘-1，5-二异氰酸酯；二苯基甲烷-3，3′-二甲氧基-4，4'-二异氰酸酯；甲苯二异氰酸酯；异佛尔酮二异氰酸酯；1，4-环己基二异氰酸酯；癸烷-1，10-二异氰酸酯；二环己基甲烷-4，4'-二异氰酸酯或它们的组合物来实现。
此外，热塑性聚酰亚胺(TPI)可以通过将聚酰胺酸(polyamic acid)热亚胺化或化学亚胺化制造而成，所述聚酰胺酸是酸酐成分和二元胺成分的缩反应所生成的前驱体状态。
此外，所述扩链剂可以由乙二醇；二甘醇；丙二醇；二丙二醇；1,4-丁二醇；1,6-己二醇；1,3-丁二醇；1，5-戊二醇；1,4-环己烷二甲醇；对苯二酚二(羟乙基)醚；新戊二醇；1,4-双(2-羟乙氧基)苯或它们的组合物实现。
在这样的搅拌步骤S12中，碳纤维和热塑性聚合物的混合比例可以按照1:1的重量比混合，搅拌可以在搅拌机中实现。
1-3、裂解步骤S13
裂解步骤S13是将所述混合步骤S12中被热塑性聚合物涂覆的碳纤维浸渍在稀释剂中，从而使得所述碳纤维的表面裂解的步骤。
碳纤维自身因为较为结实，所以与热塑性聚合物混炼相当困难。此外，碳纤维束为了保持捆绑状态，被聚合物等粘着剂捆束(seizing)，因此有使其分离的必要性。
稀释剂对所述碳纤维的外表面施加裂解，并使得搅拌步骤S12中所涂覆的热塑性聚合物浸渍于碳纤维中，与此同时，使得碳纤维束分离，由此稀释剂可以为苯、甲苯、六氢化苯、氯甲烷或其他能够溶解聚合物的物质。
此时，所述裂解步骤S13可以通过使得涂覆有热塑性聚合物的碳纤维浸渍于稀释剂(苯等)的方式来实现，稀释剂和涂覆有热塑性聚合物的碳纤维的重量比可以为2:1，稀释剂的量也可以是使得涂覆有热塑性聚合物的碳纤维能够充分浸渍即可。
由于在这样的稀释剂中浸渍涂覆有热塑性聚合物的碳纤维，涂敷于碳纤维的热塑性聚合物被稀释剂溶解，并且因稀释剂而在碳纤维的表面出现裂隙，热塑性聚合物向出现的裂隙之间渗透。
1-4、干燥步骤S14
干燥步骤S14是使得所述裂解步骤S13中所裂解的所述碳纤维干燥的步骤，是去除所述裂解步骤S13中所使用的稀释剂的步骤。
干燥可以在热风干燥室内实现，热干燥在80～95℃范围内执行3小时，可以进行至稀释剂含有量小于4％时为止。
由此，通过所述碳纤维预处理步骤S10，碳纤维束被分离，热塑性聚合物向其表面出现的裂隙之间渗透，从而保持易于碳纤维和热塑性聚合物的混炼的状态。
2、混合步骤S20
混合步骤S20是对所述碳纤维预处理步骤S10中预处理的所述碳纤维和热塑性聚合物进行混合，并在保持150～165℃的汽缸中进行混合的步骤，是利用热对热塑性聚合物和碳纤维进行混炼的过程。
请参阅图3，其为根据本发明的树脂组合物的制造方法中的混合步骤的混合过程的构成图。所述混合步骤S20连续设置三个汽缸，在第一汽缸10中加入热塑性聚合物和所述碳纤维预处理步骤S10中所制造的碳纤维，并使其混合，在第二汽缸20中加入添加剂并混合，在第三汽缸30中通过混炼以面团形态排出。
此时，所述第一至第三汽缸的内部温度可保持在150～165℃范围内，150～165℃温度范围是热塑性聚合物熔融的温度。此外，碳在180℃以上碳化，因此使得汽缸内部温度保持在150～165℃，从而防止碳纤维碳化的同时使得热塑性聚合物熔融并与碳纤维混炼。
此外，热塑性聚合物和碳纤维混合的重量比可以为72:28～95:5。碳纤维的重量比小于5％时，无法期待通过碳纤维屏蔽电磁波的性能，碳纤维的重量比超过28％时，碳纤维的柔韧性降低，存在因弯折而使得树脂组合物折断或断裂的问题。
在所述构成中，混合于第二汽缸20的添加剂中可以根据用途添加如下：硫酸钡、滑石、碳酸钙、玻璃粉、石英粉及硅石等无机填充剂；丙烯珠、聚氨酯珠及硅粉等有机填充剂；纤维强化材料；氧化钛、氧化锌、炭黑、铁黑、有机颜料及有机染料等着色剂；受阻酚类化合物、磷基化合物及受阻胺类化合物等防氧化剂；基于苯并三唑的化合物及基于二苯甲酮的化合物等紫外线吸收剂。此外，还可添加黏度调整剂、触变剂、阻燃剂、抗菌剂、防霉剂、抗静电剂、塑化剂、润滑剂、发泡剂、防沫剂及涂料调平剂等。
此外，为了进一步提升电磁波屏蔽性能，可以添加化合物，所述化合物是从由氮化铝、氮化硼、矾土、氧化铝、氢氧化铝、氧化镁、二氧化硅、硅锆及硅酸盐化合物所组成的群中选择的一种或两种以上。
请参阅图4-5，图4是根据本发明所制造的树脂组合物注塑并制造为颗粒形态的照片，图5是将根据本发明所制造的树脂组合物包覆于电线的形态的照片。
接下来，对根据本发明所制造的树脂组合物的抗拉强度及弹性率进行试验。
作为实验组的本发明的树脂组合物通过在热塑性树脂(TPE 5068L-1209)中含有15％碳纤维(CF)制造而成，对照组使用热塑性树脂(TPE 5068L-1209)，按照不同项目测定的结果示出于表1。
表1
项目 对照组(TPE 5068L-1209) 试验组(TPE 5068L-1209+CF 15％)
抗拉强度 6.7Mpa 14.23Mpa
弹性率 340％ 720％
由表1可知，根据本发明所制造的树脂组合物与用作对照组的热塑性树脂相比，抗拉强度及弹性率大幅增加。
此外，对根据本发明的树脂组合物的电磁波屏蔽试验示出于表2。
表2
由表2可知，第4-3部(试验及测定技术-辐射射频电场的磁场电阻试验)、第4-2部(试验及测定技术-静电放电电阻试验)及第4-6部(试验及测定技术-电磁场导电试验)全部通过。
根据本发明所制造的树脂组合物的优点在于，实现轻量化的同时，因碳纤维而电磁波屏蔽性能优秀，柔韧性也优秀，从而易于处理，且导热率高，发热低。
以上虽然对本发明的优选实施例进行了说明，但是应当理解，本发明的权利要求范围并非受此限制，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.由碳纤维和热塑性聚合物制成的树脂组合物，其特征在于，通过在150～165℃下混合热塑性聚合物和碳纤维而制得，所述热塑性聚合物和碳纤维的重量比为72:28～95:5；所述碳纤维的直径为18～28K，并进行如下预处理：按照长度为2.5～4.0mm进行切割，涂覆热塑性聚合物后浸渍于稀释剂，之后进行干燥，直到稀释剂含量达到4％以下。
2.根据权利要求1所述的由碳纤维和热塑性聚合物制成的树脂组合物，其特征在于，所述热塑性聚合物为烯烃基热塑性弹性体、交联型烯烃基热塑性弹性体、聚氨酯基热塑性弹性体、热塑性共聚酯、热塑性苯乙烯嵌段共聚物、热塑性共聚酰胺及热塑性聚酰亚胺中的一种或几种。
3.根据权利要求1或2所述的由碳纤维和热塑性聚合物制成的树脂组合物，其特征在于，所述稀释剂为苯、甲苯、六氢化苯或氯甲烷。
4.由碳纤维和热塑性聚合物制成的树脂组合物的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10：对碳纤维进行预处理，得到预处理后的碳纤维；
S20：在150～165℃下，混合所述预处理后的碳纤维和热塑性聚合物，得到树脂组合物；
所述步骤S10包括以下步骤：
S11：将直径为18～28K的碳纤维按照2.5～4.0mm的长度进行切割，得到切割后的碳纤维；
S12：在所述切割后的碳纤维上涂覆热塑性聚合物，得到被热塑性聚合物涂覆的碳纤维；
S13：在稀释剂中浸渍所述被热塑性聚合物涂覆的碳纤维，使碳纤维的表面裂解，得到裂解的碳纤维；
S14：将所述裂解的碳纤维进行干燥，直到使得所述稀释剂含量达到4％以下，从而得到所述预处理后的碳纤维。
5.根据权利要求4所述的由碳纤维和热塑性聚合物制成的树脂组合物的制造方法，其特征在于，所述步骤S12中，所述切割后的碳纤维和热塑性聚合物的重量比为1:1。
6.根据权利要求4所述的由碳纤维和热塑性聚合物制成的树脂组合物的制造方法，其特征在于，所述步骤S13中，所述稀释剂和被热塑性聚合物涂覆的碳纤维的重量比为2:1。
7.根据权利要求4所述的由碳纤维和热塑性聚合物制成的树脂组合物的制造方法，其特征在于，所述步骤S14中，所述干燥的温度为80～95℃，时间为3h。
8.根据权利要求4所述的由碳纤维和热塑性聚合物制成的树脂组合物的制造方法，其特征在于，所述步骤S20中，所述热塑性聚合物和预处理后的碳纤维的重量比为72:28～95:5。
9.根据权利要求4～8中的任一权利要求所述的由碳纤维和热塑性聚合物制成的树脂组合物的制造方法，其特征在于，所述热塑性聚合物为烯烃基热塑性弹性体、交联型烯烃基热塑性弹性体、聚氨酯基热塑性弹性体、热塑性共聚酯、热塑性苯乙烯嵌段共聚物、热塑性共聚酰胺及热塑性聚酰亚胺中的一种或几种。
10.根据权利要求4～8中的任一权利要求所述的由碳纤维和热塑性聚合物制成的树脂组合物的制造方法，其特征在于，所述稀释剂为苯、甲苯、六氢化苯或氯甲烷。
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