CN109575579A - 一种聚氨酯分散剂改性碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种聚氨酯分散剂改性碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于聚氨酯分散剂改性碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法，在不破坏碳纤维表面结构的前提下，通过利用水性聚氨酯分散剂处理碳纤维表面，制得改性碳纤维。以该改性碳纤维为增强体，聚酰胺树脂为基体可通过多种复合材料成型工艺可制得高性能碳纤维增强尼龙复合材料，制得的复合材料浸润不良区少、界面结合力强，力学性能与处理前的复合材料比，其拉伸强度和弯曲强度能够提高30‑50％。

Description

一种聚氨酯分散剂改性碳纤维增强尼龙复合材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种聚氨酯分散剂改性碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法。
背景技术
碳纤维(CF)是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量的新型纤维材料。具有超高的比模量和比强度、密度低、无蠕变、耐高温、耐腐蚀、电磁屏蔽性能好等特性。以碳纤维为增强体的树脂基复合材料，在国防军工和民用方面都得到广泛运用，从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。聚酰胺(尼龙，PA)是一种热塑性工程塑料。具有以下良好的综合性能：力学性能优异、耐热、耐磨、耐化学品、耐老化，且具有一定的阻燃性能，易于加工且使用温度范围宽等特性，故而聚氨酯塑料在工业各领域内得到广泛的应用。
聚酰胺和碳纤维在各自领域皆为性能优异的材料，碳纤维增强聚酰胺复合材料也综合体现了二者的优越性，具有较高的比强度、耐磨、尺寸精度好、阻尼性能良好，高温蠕变小等特点。但是由于热塑性聚酰胺树脂的浸润性较差以及碳纤维与聚酰胺的粘结力较弱的原因，使得碳纤维增强聚氨酯复合材料的力学性能并未完全的展现。另一方面，由于碳纤维表面呈现化学惰性，在制备复合材料后与树脂基体之间的相容性比较差，导致复合材料在服务受力过程中优异的性能不能有效地发挥，因此在制作复合材料之前，通常需要对其表面进行处理。目前常用的方法主要是电化学改性、化学氧化改性、射线辐射改性等方法，一般是利用强氧化性物质对碳纤维表面进行表面改性使其表面产生较多的极性官能团，可提高碳纤维与基体树脂的粘结性，但往往会由于强氧化环境对纤维表面结构产生破坏从而一定程度上降低了碳纤维自身的力学性能，因此，在不破坏碳纤维表面结构的前提下对其表面进行处理，增强碳纤维与树脂基体件的界面结合力会是一种理想的碳纤维表面处理方法。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供一种基于聚氨酯分散剂改性碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法，在不改变碳纤维表面结构的前提下，通过利用聚氨酯分散剂处理碳纤维表面，制得改性碳纤维，然后利用各成型工艺制得碳纤维增强尼龙复合材料。
为解决上述技术问题，本发明提供一种聚氨酯分散剂改性碳纤维增强尼龙复合材料，包含以下按重量百分比的原料：
聚酰胺树脂 40-80％；以及
碳纤维 20-60％；其中，所述碳纤维经过聚氨酯分散剂处理。
可选的，所述聚氨酯分散剂处理的碳纤维为碳纤维表面经过聚氨酯分散剂功能化处理。
可选的，所述聚氨酯分散剂包括水溶性聚氨酯,UW系列。
可选的，经过所述的功能化处理过程后，所述聚氨酯分散剂附着碳纤维表面的质量占碳纤维质量百分比为0.1-0.5％。
可选的，所述碳纤维包括碳纤维纱、织物或毡中的至少一种。
可选的，所述聚氨酯树脂包括PA6、PA66和MXD-6中的至少一种；
可选的，所述聚氨酯树脂包括聚氨酯薄膜、纤维、织物或造粒中的至少一种。
本发明还提供一种聚氨酯分散剂改性碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)根据纤维体积含量计算各组分质量并准备干燥后的各原料；其中：
将需要处理的碳纤维放置于流动清洗浴中，以去除原有碳纤维表面处理剂；取出经过清洗的碳纤维，放置于烘箱内烘干得到洗净碳纤维；取聚氨酯分散剂溶液，与去离子水混合均匀，制得聚氨酯分散剂处理液；将洗净干燥的碳纤维浸泡于聚氨酯分散剂处理液中；取出经过聚氨酯分散剂处理液的碳纤维，放置于烘箱内烘干得到表面处理有聚氨酯分散剂的碳纤维；
(2)以改性处理后的碳纤维为增强体、聚氨酯树脂为基体加工成型，成型条件为在第一温度下加热第一时间后在第二时间内均匀降温至常温，且这一过程保持压强不变。
可选的，所述加工成型过程包括热压成型、缠绕成型、注塑/注射成型、拉挤成型、挤出成型中的至少一种热塑性复合材料成型工艺。
本发明的优点至少在于：本发明通过非常简便的清洗工序和聚氨酯分散剂表面处理工序处理碳纤维，经过处理后的碳纤维能够和聚酰胺树脂形成良好的粘结性能，不仅能够改善树脂在成型过程中的浸润性，也提高了聚酰胺树脂与处理后碳纤维之间的界面剪切强度，所制得的碳纤维增强聚酰胺复合材料的力学性能得到全面的提升。由于处理工艺的简单性和效果的优异性，特别适合批量化处理和工业化生产。
具体实施方式
下面将对本发明的一种基于聚氨酯分散剂改性碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
实施例1
本发明涉及一种基于聚氨酯分散剂改性碳纤维增强聚酰胺(即尼龙)复合材料及其制备方法。
本方法包括：
(1)根据纤维体积含量计算各组分质量并准备干燥后的各原料；其中：
将需要处理的碳纤维放置于流动清洗浴中，以去除原有碳纤维表面处理剂；取出经过清洗的碳纤维，放置于烘箱内烘干得到洗净碳纤维；取聚氨酯分散剂溶液，与去离子水混合均匀，制得聚氨酯分散剂处理液；将洗净干燥的碳纤维浸泡于聚氨酯分散剂处理液中；取出经过聚氨酯分散剂处理液的碳纤维，放置于烘箱内烘干得到表面处理有聚氨酯分散剂的碳纤维；
(2)以改性处理后的碳纤维为增强体、聚氨酯树脂为基体加工成型，成型条件为在第一温度下加热第一时间后在第二时间内均匀降温至常温，且这一过程保持压强不变。本发明先将碳纤维进行表面清洗，组成表面清洗浴的为极性溶剂。
其中，具体的，所述清洗浴为极性溶剂，可为水、丙酮、乙醇、甲醇中的一种或者几种。所述碳纤维包括碳纤维纱、织物或毡中的至少一种，例如可以为聚丙烯腈基的碳纤维。
其中，清洗过程中，清洗浴须为流动态。
所述碳纤维表面处理主要包括以下步骤：
去除原有碳纤维表面处理剂，具体地，将需要处理的碳纤维放置于30-40℃的流动清洗水浴中，放置时间为1-5分钟。
取出经过清洗的碳纤维，放置于58～62℃，例如是60℃的烘箱内干燥1-2小时得到洗净碳纤维/织物。
取聚氨酯分散剂溶液，以1:80～1:150，例如是1:100的质量比与去离子水混合均匀，制得聚氨酯分散剂处理液；将洗净干燥的碳纤维浸泡于聚氨酯分散剂处理液中1～3分钟，例如约2分钟。
在一个实施例中，所述聚氨酯分散剂包括水溶性聚氨酯,UW系列。
取出经过聚氨酯分散剂处理液的碳纤维，放置于58～62℃，例如是60℃的烘箱内烘干1-2小时得到表面处理有聚氨酯分散剂的碳纤维。
根据纤维体积含量计算各组分质量并准备干燥后的各原料；
处理后的碳纤维可以依所需，根据不同增强形式选择各种复合材料成型方式进行碳纤维增强聚酰胺复合材料制作加工；所述的各种复合材料加工成型过程包括但不仅限于热压成型、缠绕成型、注塑/注射成型、拉挤成型、挤出成型等热塑性复合材料成型工艺。
以热压成型为例，如上述碳纤维织物增强聚酰胺复合材料的制备方法：包括以下步骤：
将碳纤维织物和聚酰胺薄膜按照质量比1:1至1:4进行间隔铺层。
优选的，利用热压工艺对间隔铺层的碳纤维织物和聚氨酯薄膜进行加热加压，加热条件为275℃加热40分钟后以12.5℃/分钟的速度降低20分钟至常温25℃，这一过程保持压强4MPa。
其中，上述方法还包括：根据使用需求，可以对碳纤维织物进行铺层设计。
上述方法可以获得一种聚氨酯分散剂改性碳纤维增强尼龙复合材料，包含以下按重量百分比的原料：
聚酰胺树脂 40-80％；以及
碳纤维 20-60％；其中，所述碳纤维经过聚氨酯分散剂处理。
具体的，所述聚氨酯分散剂处理的碳纤维为碳纤维表面经过聚氨酯分散剂功能化处理。在经过所述的功能化处理过程后，所述聚氨酯分散剂附着碳纤维表面的质量占碳纤维质量百分比为0.1-0.5％。
在一个实施例中，所述聚氨酯树脂包括PA6、PA66和MXD-6中的至少一种；
在一个实施例中，所述聚氨酯树脂包括聚氨酯薄膜、纤维、织物或造粒等形式中中的至少一种。
本发明的优点是：本发明通过非常简便的清洗工序和聚氨酯分散剂表面处理工序处理碳纤维，经过处理后的碳纤维能够和聚酰胺树脂形成良好的粘结性能，不仅能够改善树脂在成型过程中的浸润性，也提高了聚酰胺树脂与处理后碳纤维之间的界面剪切强度，所制得的碳纤维增强聚酰胺复合材料的力学性能得到全面的提升。由于处理工艺的简单性和效果的优异性，特别适合批量化处理和工业化生产。
实施例2
碳纤维平纹织物放置于30-40℃的流动清洗水浴中，放置时间为5分钟以部分去除碳纤维表面的原始浆料；清洗后的碳纤维织物放入60℃的烘箱烘干1小时；放入所述聚氨酯分散剂:去离子水的质量比为1:100的处理液中浸泡5分钟使聚氨酯分散剂均匀附着于碳纤维表面；处理后的碳纤维平纹织物再一次放置于60℃的烘箱内烘干2小时得到最终处理后的碳纤维平纹织物；处理后的平纹织物作为增强体与聚酰胺树脂通过热压成型方式制成碳纤维增强聚氨酯复合材料板件。将碳纤维织物和聚酰胺薄膜按照质量比1:1进行间隔铺层，利用热压工艺对间隔铺层的碳纤维织物和聚氨酯薄膜进行加热加压，加热条件为275℃加热40分钟后以12.5℃/分钟的速度降低20分钟至常温25℃，这一过程保持压强4MPa。
本实施例中复合材料板件的纤维体积含量为49％，板厚度为2厘米。
比较例
不经过任何处理的平纹织物作为增强体与聚酰胺树脂通过热压成型方式制成碳纤维增强聚氨酯复合材料板件。将碳纤维织物和聚酰胺薄膜按照质量比1:1进行间隔铺层，利用热压工艺对间隔铺层的碳纤维织物和聚氨酯薄膜进行加热加压，加热条件为275℃加热40分钟后以12.5℃/分钟的速度降低20分钟至常温25℃，这一过程保持压强4MPa。本比较例中复合材料板件的纤维体积含量为49％，板厚度为2厘米。
表1性能测试结果
从实施例和比较例对比可以看出，碳纤维表面经过聚氨酯分散剂处理后增强聚酰胺树脂复合材料的力学性能提升超过30％，尤其是弯曲强度和层间剪切强度提高超过50％。这表明本方法通过非常简便的清洗工序和聚氨酯分散剂表面处理工序处理碳纤维，经过处理后的碳纤维能够和聚酰胺树脂形成良好的粘结性能，不仅能够改善树脂在成型过程中的浸润性，也提高了聚酰胺树脂与处理后碳纤维之间的粘结强度，所制得的碳纤维增强聚酰胺复合材料的力学性能得到全面的提升。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种聚氨酯分散剂改性碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于，包含以下按重量百分比的原料：
聚酰胺树脂 40-80％；以及
碳纤维 20-60％；其中，所述碳纤维经过聚氨酯分散剂处理。
2.根据权利要求1所述的一种聚氨酯分散剂改性碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于，所述聚氨酯分散剂处理的碳纤维为碳纤维表面经过聚氨酯分散剂功能化处理。
3.根据权利要求2所述的一种聚氨酯分散剂改性碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于，所述聚氨酯分散剂包括水溶性聚氨酯,UW系列。
4.根据权利要求2所述的一种聚氨酯分散剂改性碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于，经过所述的功能化处理过程后，所述聚氨酯分散剂附着碳纤维表面的质量占碳纤维质量百分比为0.1-0.5％。
5.根据权利要求1所述的一种聚氨酯分散剂改性碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于，所述碳纤维包括碳纤维纱、织物或毡中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种聚氨酯分散剂改性碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于，所述聚氨酯树脂包括PA6、PA66和MXD-6中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种聚氨酯分散剂改性碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于，所述聚氨酯树脂包括聚氨酯薄膜、纤维、织物或造粒中的至少一种。
8.根据权利要求1-7任意之一所述的一种聚氨酯分散剂改性碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据纤维体积含量计算各组分质量并准备干燥后的各原料；其中：
将需要处理的碳纤维放置于流动清洗浴中，以去除原有碳纤维表面处理剂；取出经过清洗的碳纤维，放置于烘箱内烘干得到洗净碳纤维；取聚氨酯分散剂溶液，与去离子水混合均匀，制得聚氨酯分散剂处理液；将洗净干燥的碳纤维浸泡于聚氨酯分散剂处理液中；取出经过聚氨酯分散剂处理液的碳纤维，放置于烘箱内烘干得到表面处理有聚氨酯分散剂的碳纤维；
(2)以改性处理后的碳纤维为增强体、聚氨酯树脂为基体加工成型，成型条件为在第一温度下加热第一时间后在第二时间内均匀降温至常温，且这一过程保持压强不变。
9.根据权利要求8所述的一种聚氨酯分散剂改性碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，所述加工成型过程包括热压成型、缠绕成型、注塑/注射成型、拉挤成型、挤出成型中的至少一种热塑性复合材料成型工艺。
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