CN109610178B - 碳纤维复合材料及制备方法及其制成的传送带连接件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐磨耐高温耐氧化的碳纤维复合材料及至备方法以及由其制成的传送带连接件，制备方法，包括以下步骤：S1：制备纳米晶型SiO2聚合物混合溶液；所述纳米晶型SiO2聚合物混合溶液通过纳米晶型SiO2、嵌段聚醚酰胺共聚物与有机溶剂三者混合而得；S2：将碳纤维浸渍于步骤S1得到的纳米晶型SiO2聚合物混合溶液中，提拉抽出碳纤维。本发明的碳纤维复合材料将嵌段聚醚酰胺共聚物和纳米晶型SiO2结合后，得到了优于两者本身的物理化学性质，产品的粘度、溶解度、分散性和熔沸点等都得到了改善。

Description

碳纤维复合材料及制备方法及其制成的传送带连接件
技术领域
本发明涉及一种新材料，尤其涉及一种耐磨耐高温耐氧化的碳纤维复合材料及至备方法以及由其制成的传送带连接件。
背景技术
随着工业的发展和环保监督力度的加大，工厂产生的有机固体废盐逐年增加，高温焚烧是处理该类有机废盐的有效的途径。高温焚烧炉是现今使用最为频繁的环保设备，可用于处理生活垃圾，医疗废弃物，化工废料等。现有技术中焚烧炉处理有机物废盐产生了许多问题，比如，对于盐含量较高的固废，焚烧过程中盐无法燃烧，导致盐沉积堆积在焚烧炉中。传统焚烧温度在800-1000℃，无法实现充分燃烧，温度下降会产生高致癌的二噁英。因此现在有的工厂将焚烧炉温度提高到1000-1200℃并配有传送带装置可将沉积的盐不断输送出焚烧炉，提高效率。该类传送带装置采用陶瓷片，连接陶瓷片的连接件的金属材料无法耐受极高的温度，因此研发一种耐高温、耐磨型、耐氧化的陶瓷片链接材料是改善工艺过程的关键。
碳纤维类材料的合成及改性是研究的热门课题之一，该类材料在航空，生物，光电，环保等领域应用广泛，拥有巨大的经济价值。碳纤维替代金属材料有许多优势，碳纤维材料是一种具有高强度、高模量纤维的新型纤维材料，其特点是耐疲劳性好，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好。使用碳纤维为陶瓷片链接材料较为理想，但是碳纤维本身还存在几点不足：(1)在高温有氧环境中容易被氧化使强度下降；(2)固体物与碳纤维长期接触容易被磨损。因此需要对碳纤维进行改性，改善其耐高温耐磨损性和耐氧化性。近年来，已经研发出了多种改性的碳纤维材料。SiO2的是一种耐高温，耐氧化廉价易得的无机材料，中国专利文献CN 107663328A公开的一种SiO2纳米球填充的碳纤维材料，具有一定的耐磨损性。中国专利文献CN 104499270B公开的一种SiO2表面改性的碳纤维材料具有耐高温特性。但这类材料均采用了无定型的SiO2材料，其耐磨损性不能进一步提高，且无形的SiO2在高温中长期使用，会使晶型发生改变，影响材料微观结构，使机械性能下降。纳米晶型SiO2是一种纳米尺寸的高结晶度的α-石英材料，其耐磨损性和稳定性比普通无定型SiO2高。但是若以单纯的晶型SiO2修饰碳纤维仍存在许多不足，其物理化学性质不能得到充分的发挥。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种新的碳纤维复合材料和制备方法以及由其制成的传动带连接件，其具有良好的耐磨耐高温耐氧化性能。
实现本发明目的的技术方案是碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：制备纳米晶型SiO2聚合物混合溶液；所述纳米晶型SiO2聚合物混合溶液通过纳米晶型SiO2、嵌段聚醚酰胺共聚物与有机溶剂三者混合而得；
S2：将碳纤维浸渍于步骤S1得到的纳米晶型SiO2聚合物混合溶液中，提拉抽出碳纤维。
具体来说，所述S1中制备纳米晶型SiO2聚合物混合溶液的方法为：
S101：将嵌段聚醚酰胺共聚物、有机溶剂混合溶解，形成溶胶物；
S102：将纳米晶型SiO2分散于有机溶剂中，得到纳米晶型SiO2溶液；
S103：将S102得到的纳米晶型SiO2溶液滴加入S101得到的溶胶物中形成纳米晶型SiO2聚合物混合溶液；
作为优选，所述S101中，采用加热搅拌；
所述S102中，采用加热搅拌；温度控制在80～130℃。
具体来说，所述S2中将碳纤维浸渍于步骤S1得到的纳米晶型SiO2聚合物混合溶液中，浸渍时间15min-3h。提拉抽出碳纤维的方法为：
S201：将聚丙烯腈碳纤维浸渍于步骤S1得到的纳米晶型SiO2聚合物混合溶液中，温度控制在80℃～100℃，提拉抽出碳纤维；
S202：将碳纤维于80℃环境下烘干。
S203：将碳纤维在高纯Ar气氛中高温处理，温度控制在1300-1500℃，时间3～10h。
进一步的，所述S101中，以重量份数计，
其中，混合溶液中各物料以重量份数计，将5～20份的嵌段聚醚酰胺共聚物和20～45份的有机溶剂混合溶解；
所述S102中，以重量份数计，将5～20份的纳米晶型SiO2分散于10～30份的有机溶剂中。
优选的，所述的有机溶剂的选择为乙醇、异丙醇、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜中的至少一种。
优选的，所述的晶型SiO2颗粒为纳米级尺寸，其中粒径分布分别为20～40nm，40～100nm、100～300nm中的至少一种。
优选的，所述的嵌段聚醚酰胺共聚物生产牌号为：Pebax2533、Pebax6333、Pebax7233、Pebax1657、Pebax3533中的至少一种。
S101中，嵌段聚合物溶解在有机溶剂中的温度为50～100℃，溶解时间为5～24h。
S102中，采用磁力搅拌，搅拌转速为500～30000转/分。
S201中，碳纤维与纳米晶型SiO2聚合物混合溶液的比例按重量分数计为10％、20％、30％、50％中的至少一种比例。碳纤维与纳米晶型SiO2聚合物混合溶液的浸渍时间为0.5h～1h。碳纤维从纳米晶型SiO2聚合物混合溶液中提出速率为5～20cm/min。
S203中，碳纤维高温处理温度为1300℃～1500℃，时间为3～10h。
第二方面，本发明还提供一种碳纤维复合材料，由前述的碳纤维复合材料的制备方法制备而得。
第三方面，本发明还提供一种传送带连接件，由前述的碳纤维复合材料制作。
本发明的原理为：聚合物中丁二醚片段具有亲水性，与纳米晶型SiO2表面的含氧基团通过弱相互作用力结合形成，氨基十二酸片段具有亲油性，阻隔了SiO2颗粒。聚合物中两种分子片段与SiO2的协调作用形成了一种溶胶-凝胶体系，使纳米颗粒达到了极高的分散性，防止颗粒的团聚，在磨损中减少了SiO2颗粒的快速流失。聚合物中的酰胺单元为硬片段，具有亲油性可有效的与碳纤维基材结合提高包覆能力。
采用了上述技术方案，本发明具有以下的积极的效果：(1)本发明的碳纤维复合材料将嵌段聚醚酰胺共聚物和纳米晶型SiO2结合后，得到了优于两者本身的物理化学性质，产品的粘度、溶解度、分散性和熔沸点等都得到了改善。
(2)本发明的碳纤维复合材料的制备方法利用晶型纳米SiO2颗粒及嵌段共聚物在溶液中的蒸发过程自组装改性制备碳纤维材料，该材料中聚合物通过氢键与晶型SiO2紧密结合起来，从而改善了碳纤维的耐高温、耐磨损、耐氧化性能。
(3)本发明的碳纤维复合材料的制备方法通过改变嵌段共聚物、有机溶剂、纳米晶型SiO2用量，可以有效地控制碳纤维的耐高温性能。通过调整碳纤维的浸渍时间，高温活化时间，晶型纳米SiO2的颗粒粒径，纳米晶型SiO2的用量，可调控碳纤维的耐磨损性能。通过调整浸渍时间，提出速度调控纳米晶型SiO2在碳纤维表面的厚度来调控其抗氧化性能。
(4)采用本发明的碳纤维复合材料来制作陶瓷传送带的连接件，能够耐受1200℃以上的高温，能有效的将有机固体废盐焚烧过程中的盐输送出焚烧炉。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为实施例1掺入20～40nm纳米晶型SiO2改性后的碳纤维TEM图。
图2为实施例2掺入40～100nm纳米晶型SiO2的碳纤维高倍TEM图。
图3为实施例3掺入100～300nm纳米晶型SiO2的碳纤维高倍TEM图。
图4为实施例3掺入100～300nm纳米晶型SiO2的碳纤维的XRD图。
图5是各种碳纤维在O2气氛中的热重分析图。
具体实施方式
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
本发明所要解决的技术问题是现有焚烧炉设备中传送带装置中的陶瓷片链接材料不能耐更高的焚烧温度，且抗氧化性能差，不耐磨损等问题，本发明提供了一种碳纤维复合材料的制备方法，用于解决现有技术中，为了解决上述问题，本发明的总体思路如下：
碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：制备纳米晶型SiO2聚合物混合溶液；所述纳米晶型SiO2聚合物混合溶液通过纳米晶型SiO2、嵌段聚醚酰胺共聚物与有机溶剂三者混合而得；
S2：将碳纤维浸渍于步骤S1得到的纳米晶型SiO2聚合物混合溶液中，提拉抽出碳纤维。
本发明以聚合物和纳米晶型SiO2结合的体系，互相改善了本身的物理化学性质，以此为碳纤维包覆层，得到了高性能的改性碳纤维，由该高性能的改性碳纤维制作传送带的连接件，解决了上述关键技术问题，该方法制备出的碳纤维可有效的链接陶瓷片，并且耐高温，耐氧化，耐磨损。
下面通过具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
(实施例1)
将5份嵌段聚醚酰胺共聚物(牌号选择Pebax2533)溶于40份异丙醇中，加热搅拌，温度控制在80℃，加热时间5h，配成溶胶液。称取纳米晶型SiO2(粒径范围20～40nm)固体5份，溶于10份异丙醇中，搅拌混合均匀，滴加入混合溶胶中，搅拌30min，得到纳米晶型SiO2聚合物混合溶液。将30份聚丙烯腈碳纤维浸渍该纳米晶型SiO2聚合物混合溶液，浸渍时间15min，后抽拉提出，提出速率为5cm/min。将改性后的碳纤维于80℃条件下干燥12h。然后在Ar气氛中1300℃高温处理3h。本实施例得到的碳纤维的TEM图如图1所示。
(实施例2)
将20份聚醚酰胺共聚物(牌号选择Pebax3533)溶于20份异丙醇中，加热搅拌，温度控制在80℃，加热时间12h，配成溶胶液。称取纳米晶型SiO2(粒径范围40～100nm)20份，溶于10份异丙醇中，搅拌混合均匀，滴加入混合溶胶中，搅拌30min，得到纳米晶型SiO2聚合物混合溶液。将10份聚丙烯腈碳纤维浸渍该纳米晶型SiO2聚合物混合溶液，浸渍时间30min，后抽拉提出，提出速率为20cm/min。将改性后的碳纤维80℃干燥12h。然后后在Ar气氛中1500℃高温处理10h。本实施例得到的碳纤维的TEM图如图2所示。
(实施例3)
将5份聚醚酰胺共聚物(牌号选择Pebax7233)溶于40g四氢呋喃中，加热搅拌，温度控制在80℃，加热时间5h，配成溶胶液。称取纳米晶型SiO2(粒径范围100～300nm)5份，溶于20份四氢呋喃中，搅拌混合均匀，滴加入混合溶胶中，搅拌30min，得到纳米晶型SiO2聚合物混合溶液。将50份聚丙烯腈碳纤维浸渍该纳米晶型SiO2聚合物混合溶液，浸渍时间3h，后抽拉提出，提出速率为5cm/min。将改性后的碳纤维80℃干燥12h。然后在Ar气氛中1300℃高温处理10h。本实施例得到的碳纤维的TEM图如图3所示，XRD图如图4所示。
表1为碳纤维使用不同的纳米晶性SiO2颗粒改性前后的力学性能测试对比，不同阶段的碳纤维单丝纳米拉伸测试数据。由表中数据可知，经过表面改性过后的碳纤维，其力学性能得到了增强。表面包裹结晶度较高的SiO2层使得碳纤维的模量和韧性觉得到了提高。
表1
Figure BDA0001868958970000051
Figure BDA0001868958970000061
图5是各种碳纤维在O2气氛中的热重分析数据，纯碳纤维(线条A)的质量损失达到37.6％，纯晶型SiO2修饰碳纤维(线条B)的质量损失达到26.4％，实施例1的样品(线条C)的质量损失为15.6％，实施例2的样品(线条D)的质量损失为7.6％。从图可以看出，未经SiO2包裹的碳纤维在高温下逐渐被氧化。当温度达到1200℃时，质量损失了37.6％。有SiO2包裹的碳纤维材料较为稳定，300℃时，开始有质量损失，可能为易分解物和水分，400℃以后趋于稳定，说明在高温下其稳定性较高。而采用本发明的方法的实施例1和实施例2得到的碳纤维的质量损失则大幅度降低。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：制备纳米晶型SiO2聚合物混合溶液；所述纳米晶型SiO2聚合物混合溶液通过纳米晶型SiO2、嵌段聚醚酰胺共聚物与有机溶剂三者混合而得；
S2：将碳纤维浸渍于步骤S1得到的纳米晶型SiO2聚合物混合溶液中，提拉抽出碳纤维；
所述S1中制备纳米晶型SiO2聚合物混合溶液的方法为：
S101：将嵌段聚醚酰胺共聚物、有机溶剂混合溶解，形成溶胶物；
S102：将纳米晶型SiO2分散于有机溶剂中，得到纳米晶型SiO2溶液；
S103：将S102得到的纳米晶型SiO2溶液滴加入S101得到的溶胶物中形成纳米晶型SiO2聚合物混合溶液；
所述S101中，采用加热搅拌；
所述S102中，采用加热搅拌；温度控制在80～130℃；所述S2中将碳纤维浸渍于步骤S1得到的纳米晶型SiO2聚合物混合溶液中，提拉抽出碳纤维的方法为：
S201：将聚丙烯腈碳纤维浸渍于步骤S1得到的纳米晶型SiO2聚合物混合溶液中，温度控制在80℃～100℃，提拉抽出碳纤维；
S202：将碳纤维于80℃环境下烘干；
S203：将碳纤维在高纯Ar气氛中高温处理，温度控制在1300-1500℃，时间3～10h；
所述的晶型SiO2颗粒为纳米级尺寸，其中粒径分布分别为20～40nm，40～100nm、100～300nm中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于：
所述S101中，以重量份数计，
其中，混合溶液中各物料以重量份数计，将5～20份的嵌段聚醚酰胺共聚物和20～45份的有机溶剂混合溶解；
所述S102中，以重量份数计，将5～20份的纳米晶型SiO2分散于10～30份的有机溶剂中。
3.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于：
所述的有机溶剂的选择为乙醇、异丙醇、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜中的至少一种。
4.碳纤维复合材料，其特征在于：由权利要求1至3之一所述的碳纤维复合材料的制备方法制备而得。
5.传送带连接件，其特征在于：由权利要求4所述的碳纤维复合材料制作。
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