CN110016225A - 一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法，涉及尼龙材料技术领域。一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料，按重量份计包括以下组分：尼龙35‑45份、PAR塑料10‑15份、活性碳纤维15~25份、MBS增韧剂5~10份、纳米氧化铝3~5份、石墨粉4‑6份、偶联剂0.6‑1份、助剂3.6‑7.5份，其中，所述活性碳纤维的制备方法为：将碳纤维、高锰酸钾放入浓硫酸中氧化，得到液相氧化的活性碳纤维。本发明通过强酸氧化碳纤维，增强碳纤维的分散性，使其能够分散均匀，增强碳纤维的浸润性，增强碳纤维与尼龙的接触表面能和粘结强度；纳米氧化铝、石墨复合作为增强材料，提高复合材料的耐磨性、刚性；制备出的复合材料质量轻、拉伸强度、耐磨性大、摩檫系数小。

Description

一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及尼龙材料技术领域，具体涉及一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法。
背景技术
随着能耗和制造成本的要求越来越高，传统机械零部件所采用的金属材料
越来越难以适应要求。工程塑料作为构造和机械零部件用的高性能塑料，具有
质量轻、制造成本低、容易润滑、噪声低、耐腐蚀、化学性质稳定、减震、制
造工艺简单、可设计性强等优点，因此被广泛关注，并成功应用于手动工具、
医疗器械、半导体设备、电子电器、汽车工业等领域，己成为当今世界发展最
为迅速的工程结构和机械零部件材料。常规工程塑料零部件因强度和模量低、
摩擦学性能不足等而难以实现广泛应用，而且不同应用场合对零部件材料的性
能要求不同。
碳纤维作为一种高比强度和高比模量的高性能纤维，除具有优异的力学性能外，还兼具密度低、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、导电及热传导性高、热膨胀系数低、光穿透性高、电磁屏蔽性等诸多优良特性，将碳纤维用于增强工程塑料，可获得力学和摩擦学性能优异的新型复合材料。
拉杆箱脚轮系统材料(含支架及脚轮)国内外都以增强尼龙来生产。尼龙主要通过纤维改性，可明显地改善尼龙的耐酸碱性及物理机械性能。增强尼龙包括玻璃纤维增强类/碳纤维增强类/玄武岩纤维增强类及芳纶纤维增强类。其中以玻璃纤维和碳纤维增强类为主，玻璃纤维增强尼龙是以聚合物为基体，以玻璃纤维为增强材料而制成复合材料，综合了聚合物和玻璃纤维的性能，具有强 度高、耐腐蚀、隔热、成型收缩小等优点。随着应用市场的飞跃发展，对玻璃纤维增强尼龙提出更高的要求。
拉杆箱是我们日常出行常用的物品，拉杆箱脚轮支架的结构稳定性和耐磨性是保证拉杆箱质量的一个重要因素，在长途中，人们常常因为疲惫而不爱护拉杆箱，在使用的时候很粗鲁，对拉杆箱整体性能的要求很高。现有技术中拉杆箱脚轮支架所使用的是玻璃纤维增强，基体中玻纤含量、玻纤尺寸、玻纤的分散性、玻纤与尼龙基料的粘结程度、各种助剂的正确使用决定了材料的性能，但是也存在很多问题，玻璃纤维增强的玻纤在整个机体中的分散性差，会造成材料局部机械性能差，整体的机械强度下降；另外玻璃纤维熔体粘度大，不易加工，还会增加拉杆箱的自重；玻璃纤维的耐磨性、拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量低。
现有技术中也有使用碳纤维与尼龙复合的材料，但是因为碳纤维表面活性差，在制备的过程中碳纤维的分散性差，而且材料的强度低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法，能够提高碳纤维在机体中的分散性，制备出的产品质量轻、耐磨性好、拉伸强度好。
本发明为一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料，按重量份计包括以下组分：尼龙35-45份、PAR塑料10-15份、活性碳纤维15~25份、MBS增韧剂5~10份、纳米氧化铝3~5份、石墨粉4-6份、偶联剂0.6-1份、助剂3.6-7.5份，其中，所述活性碳纤维的制备方法为：将碳纤维、高锰酸钾放入浓硫酸中，2~3小时后，冲洗至pH为中性，再用乙醇淋洗，得到液相氧化的活性碳纤维。
作为优选的方案，按重量份计包括以下组分：尼龙40份、PAR塑料12份、活性碳纤维18份、MBS增韧剂7份、纳米氧化铝4份、石墨粉5份、偶联剂0.8份、助剂3.6份，
所述助剂按重量份计包括抗氧化剂1.2-2.5份、热稳定剂1.2-2.0份、润滑剂1.2-3份，另外，偶联剂为硅烷偶联剂TTS。所述尼龙为尼龙6、尼龙66中的一种或两种混合物。
一种基于前文所述的一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将活性碳纤维在溶剂中超声分散，得到第一溶液；
（2）将偶联剂、纳米氧化铝、石墨粉在溶剂中分散，得到第二溶液；
（3）将第一溶液、第二溶液混合，75~85℃加热8~12小时，得到增强填充剂；
（4）将尼龙、PAR塑料、增强填充剂、MBS增韧剂、助剂在密炼机中混合，然后通过双螺杆挤出机挤出造粒，得到拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料。
可以通过注塑成型将碳纤维增强尼龙复合材料制成拉杆箱脚轮支架。
将活性碳纤维先在溶剂中分散，溶剂可以为常见的乙醇，首先将活性碳纤维配置成均匀的分散液，利于提高分散性；步骤（4）中一定要最后加助剂。
PAR塑料是一种透明无定形热塑性工程塑料，具有优良的耐热性、阻燃性和无毒性、机械强度高，PAR塑料的主要作用是提高材料的刚性，辅助材料韧性的改善；增强填充剂，主要提高材料的刚性、耐磨性；MBS增韧剂，主要提高材料的韧性。
尼龙和碳纤维都具有优异的性能，碳纤维具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、导热等特点，与玻璃纤维相比，模量高3-5倍，碳纤维替代玻璃纤维与尼龙复合制备的材料能够具有更好的强度和刚性。碳纤维的表面呈惰性，这导致了碳纤维与尼龙中的尼龙基体之间很难有较好的界面结
合，本发明中使用的活性碳纤维，是被强酸氧化，在氧化以后能够提高碳纤维的分散性，尼龙基体、碳纤维能够均匀混合利于提高二者的结合性。另外，碳纤维被氧化以后，碳纤维表面会富含含氧官能团，活性官能团的引入提高了碳纤维与尼龙基体之间的相互作用力；表面薄弱外层的去除；碳纤维表面被刻蚀，提高了表面粗糙度，从而提高了碳纤维与尼龙间的机械作用力，不会使纤维产生过多的起坑和裂解。
将活性碳纤维先在溶剂中分散，然后再与含有偶联剂、纳米氧化铝、石墨粉的溶液混合，碳纤维与偶联剂结合能够使纤维和尼龙之间化学结合，持久粘结，能够起到连接碳纤维和尼龙的作用，提高复合材料的界面性能。另外加入含有偶联剂的溶液还能够起到以下作用：碳纤维的断裂伸长比较低，是脆性材料，在生产过程中经过磨擦、拉伸很容易出现毛丝、断头等现象。毛丝漂浮在空气中不但容易使仪器设备短路，而毛丝和断头则对碳纤维增强复合材料的性能有较大影响，严重影响使用，偶联剂良好的粘性和润湿性能够使毛丝、断头现象减弱或消失；碳纤维在表面处理之后，引入了很多极性活性基团，这些基团有利于纤维与尼龙的复合。偶联剂很好的润湿性，容易在纤维表面铺展成连续的膜，避免因碳纤维的表面能的增加而吸附空气中的灰尘和水分。
纳米氧化铝、石墨粉作为填充物，纳米氧化铝的耐磨性很高，能够提高拉杆箱脚轮支架的耐磨性，另外纳米氧化铝的表面能大，与基材的结合很紧密。石墨粉的填充一定程度改善了复合材料的力学性能，复合材料在磨损过程中受剪切减少，此外，具有自润滑特性的石墨填料促进复合材料黏着转移，从而进一步减少切削磨损程度，并一定程度缓解纤维剥离和破裂。纳米氧化铝、石墨粉作为填充剂，能够减小材料磨损时受到的剪切力，纳米氧化铝的颗粒小，能够均匀的分散在体系中，能够辅佐石墨的层状结构的稳定性，同时增强机体的刚性和耐磨性。
本发明通过强酸氧化碳纤维，增强碳纤维的分散性，使其能够分散均匀，增强碳纤维的浸润性，增强碳纤维与尼龙的接触表面能和粘结强度；纳米氧化铝、石墨复合作为增强材料，提高复合材料的耐磨性、刚性；制备出的复合材料质量轻、拉伸强度、耐磨性大、摩檫系数小。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述。
实施例一
本发明为一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料，按重量份计包括以下组分：尼龙6 35份、PAR塑料10份、活性碳纤维15份、MBS增韧剂5份、纳米氧化铝3份、石墨粉4份、硅烷偶联剂TTS 0.6份、氧化剂1.2份、热稳定剂1.2份、润滑剂1.2份，其中，所述活性碳纤维的制备方法为：将碳纤维、高锰酸钾放入浓硫酸中，2小时后，冲洗至pH为中性，再用乙醇淋洗，得到液相氧化的活性碳纤维。
一种基于前文所述的一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将活性碳纤维在溶剂中超声分散，得到第一溶液；
（2）将偶联剂、纳米氧化铝、石墨粉在溶剂中分散，得到第二溶液；
（3）将第一溶液、第二溶液混合，75℃加热8小时，得到增强填充剂；
（4）将尼龙、PAR塑料、增强填充剂、MBS增韧剂、助剂在密炼机中混合，然后通过双螺杆挤出机挤出造粒，得到拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料。
实施例二
本发明为一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料，按重量份计包括以下组分：尼龙66 40份、PAR塑料12份、活性碳纤维18份、MBS增韧剂7份、纳米氧化铝4份、石墨粉5份、硅烷偶联剂TTS 0.8份、氧化剂1.2份、热稳定剂1.2份、润滑剂1.2份，其中，所述活性碳纤维的制备方法为：将碳纤维、高锰酸钾放入浓硫酸中，2.5小时后，冲洗至pH为中性，再用乙醇淋洗，得到液相氧化的活性碳纤维。
一种基于前文所述的一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将活性碳纤维在溶剂中超声分散，得到第一溶液；
（2）将偶联剂、纳米氧化铝、石墨粉在溶剂中分散，得到第二溶液；
（3）将第一溶液、第二溶液混合，80℃加热10小时，得到增强填充剂；
（4）将尼龙、PAR塑料、增强填充剂、MBS增韧剂、助剂在密炼机中混合，然后通过双螺杆挤出机挤出造粒，得到拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料。
实施例三
本发明为一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料，按重量份计包括以下组分：尼龙66 45份、PAR塑料15份、活性碳纤维25份、MBS增韧剂10份、纳米氧化铝5份、石墨粉6份、硅烷偶联剂TTS 1份、氧化剂2.5份、热稳定剂2.0份、润滑剂3份，其中，所述活性碳纤维的制备方法为：将碳纤维、高锰酸钾放入浓硫酸中，3小时后，冲洗至pH为中性，再用乙醇淋洗，得到液相氧化的活性碳纤维。
一种基于前文所述的一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将活性碳纤维在溶剂中超声分散，得到第一溶液；
（2）将偶联剂、纳米氧化铝、石墨粉在溶剂中分散，得到第二溶液；
（3）将第一溶液、第二溶液混合，85℃加热12小时，得到增强填充剂；
（4）将尼龙、PAR塑料、增强填充剂、MBS增韧剂、助剂在密炼机中混合，然后通过双螺杆挤出机挤出造粒，得到拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料。
实施例四
本发明为一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料，按重量份计包括以下组分：尼龙6 38份、PAR塑料14份、活性碳纤维16份、MBS增韧剂9份、纳米氧化铝5份、石墨粉6份、硅烷偶联剂TTS 1份、氧化剂2.0份、热稳定剂1.5份、润滑剂2份，其中，所述活性碳纤维的制备方法为：将碳纤维、高锰酸钾放入浓硫酸中，3小时后，冲洗至pH为中性，再用乙醇淋洗，得到液相氧化的活性碳纤维。
一种基于前文所述的一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将活性碳纤维在溶剂中超声分散，得到第一溶液；
（2）将偶联剂、纳米氧化铝、石墨粉在溶剂中分散，得到第二溶液；
（3）将第一溶液、第二溶液混合，82℃加热10小时，得到增强填充剂；
（4）将尼龙、PAR塑料、增强填充剂、MBS增韧剂、助剂在密炼机中混合，然后通过双螺杆挤出机挤出造粒，得到拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料。
对实施例一至实施例四中的方法制备的拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料进行检测，检测结果如下表：
从表中的数据可以看出本发明制备的碳纤维增强尼龙复合材料性能优良，抗拉伸强度大，弯曲模量大，耐磨性好。
本发明通过强酸氧化碳纤维，增强碳纤维的分散性，使其能够分散均匀，增强碳纤维的浸润性，增强碳纤维与尼龙的接触表面能和粘结强度；纳米氧化铝、石墨复合作为增强材料，提高复合材料的耐磨性、刚性；制备出的复合材料质量轻、拉伸强度、耐磨性大、摩檫系数小。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于，按重量份计包括以下组分：尼龙35-45份、PAR塑料10-15份、活性碳纤维15~25份、MBS增韧剂5~10份、纳米氧化铝3~5份、石墨粉4-6份、偶联剂0.6-1份、助剂3.6-7.5份，其中，所述活性碳纤维的制备方法为：将碳纤维、高锰酸钾放入浓硫酸中，2~3小时后，冲洗至pH为中性，再用乙醇淋洗，得到液相氧化的活性碳纤维。
2.根据权利要求1所述的一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于，按重量份计包括以下组分：尼龙40份、PAR塑料12份、活性碳纤维18份、MBS增韧剂7份、纳米氧化铝4份、石墨粉5份、偶联剂0.8份、助剂3.6份。
3.根据权利要求1所述的一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于，所述助剂按重量份计包括抗氧化剂1.2-2.5份、热稳定剂1.2-2.0份、润滑剂1.2-3份。
4.根据权利要求1所述的一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂TTS。
5.根据权利要求1所述的一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于，所述尼龙为尼龙6、尼龙66中的一种或两种混合物。
6.一种基于权利要求1至5任意一项所述的一种拉杆箱脚轮支架用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）将活性碳纤维在溶剂中分散，得到第一溶液；
（2）将偶联剂、纳米氧化铝、碳粉在溶剂中分散，得到第二溶液；
（3）将第一溶液、第二溶液混合，加热8~12小时，得到增强填充剂；
（4）将尼龙、PAR塑料、增强填充剂、MBS增韧剂、助剂在密炼机中混合，然后通过双螺杆挤出机挤出造粒， 得到拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料。
7.根据权利要求6所述的一种基于权利要求1至5任意一项所述的一种拉杆箱脚轮支架用碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，所述加热温度为75~85℃。
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