CN110240801A - 一种高性能碳纤增强尼龙复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高性能碳纤增强尼龙复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能碳纤增强尼龙复合材料，其制备原料按质量百分计包括以下组分：尼龙树脂50％～70％、长碳纤维18％～30％、相容剂2％～6％、填充石墨3％～7％、有机海泡石2％～5％、阻燃剂1％～3％和抗静电剂1％～2％。本发明还公开了一种高性能碳纤增强尼龙复合材料的制备方法。本发明的碳纤增强尼龙复合材料具有较优良的力学性能、耐磨性能、阻燃性和抗静电性，满足使用需求，可以广泛应用于对性能要求较高的应用领域。

Description

一种高性能碳纤增强尼龙复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于尼龙工程塑料技术领域，特别涉及一种高性能碳纤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，并成功应用于医疗器械、半导体设备、电子设备、汽车工业等领域。
碳纤维是由含碳量较高的人造化学纤维经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀性等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性，且柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重(约1.8g/cm3)小于铝和玻璃纤维，不到钢的1/4。碳纤维的拉伸强度和模量分别约是玻璃纤维的2倍和3倍，钢的2倍和7倍。因此碳纤维有很高的比强度和比模量。
聚酰胺(PA)俗称尼龙，含有极性的酰胺基团，能够形成氢键。尼龙树脂具有优异的机械性能、耐热性、电绝缘性等，在工业中应用广泛。但同时尼龙也具有尺寸稳定性差、高吸水性等缺点，在某些对机械性能要求很高的应用领域，纯尼龙树脂无法满足其性能要求。
纤维增强尼龙复合材料可以很好的改善尼龙的缺点并提高其力学性能和热变形温度。将碳纤维用于增强尼龙工程塑料，成为近年来尼龙类树脂增强改性技术的重点研发方向。
但是，在某些对性能要求很高的应用领域，现有的碳纤维增强尼龙材料在力学性能、耐磨性能、阻燃性以及抗静电性能等方面仍不能满足使用要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高性能碳纤增强尼龙复合材料及其制备方法，该碳纤增强尼龙复合材料具有较优良的力学性能、耐磨性能、阻燃性和抗静电性，满足使用需求，可以广泛应用于对性能要求较高的应用领域。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：一种高性能碳纤增强尼龙复合材料，其制备原料按质量百分计包括以下组分：尼龙树脂50％～70％、长碳纤维18％～30％、相容剂2％～6％、填充石墨3％～7％、有机海泡石2％～5％、阻燃剂1％～3％和抗静电剂1％～2％。
优选的，所述尼龙树脂为尼龙6、尼龙66中的一种。
优选的，所述长碳纤维为经过表面处理的聚丙烯腈碳纤维，其长度为6～10mm。
优选的，所述相容剂为马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物，接枝率为1.35％，熔融指数为5.0g/10min。
优选的，所述有机海泡石为依次经过酸化改性和有机改性处理的海泡石。
优选的，所述阻燃剂为硼酸锌、氢氧化铝、氢氧化镁中的一种。
优选的，所述抗静电剂为聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸共聚体、聚醚酯酰胺、聚氧化乙烯的一种或两种以上的混合物。
本发明还提供了一种高性能碳纤增强尼龙复合材料的制备方法，该制备方法所使用的加工设备包括高速混合机、双螺杆挤出机与浸渍模具，浸渍模具与双螺杆挤出机对接，该制备方法具体包括以下步骤：
(1)按质量百分比将尼龙树脂、相容剂、填充石墨、有机海泡石、阻燃剂和抗静电剂加入到高速混合机中混合均匀；
(2)将步骤(1)得到的混合物加入到双螺杆挤出机中熔融混练，混练结束后，双螺杆挤出机挤出混合溶体至浸渍模具的腔体内；
(3)混合熔体进入浸渍模具的腔体后，经过表面处理的长碳纤维丝束在张力作用以及导丝辊的引导下通过浸渍模具的腔体，并在混合熔体中充分浸渍，经过熔体浸渍后的纤维丝束从浸渍模具中牵引出，并经冷却后进行切粒，得到长碳纤增强尼龙复合材料。
优选的，所述双螺杆挤出机分为12区，各区的温度控制在250～300℃。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的碳纤增强尼龙材料结合了碳纤维和尼龙的特点，具有重量轻、比强度以及比模量高、耐化学性好等优点，对多种酸、碱呈惰性，适用范围广，整个制备工艺过程中无有害挥发性物质释放，生产中的废料和最终制品可回收；
(2)长碳纤维代替金属涂覆的短碳纤维应用于尼龙增强材料，使得增强材料内部很容易形成网状导电通路，网状导电通路大大提高材料的屏蔽效率，可以使尼龙复合材料的电磁屏蔽能力从40-50dB提高到50-70dB，可以用于汽车电子设备及航空电子设备等领域；同时，长碳纤维与抗静电剂产生协同作用，有效提高了整个复合材料的抗静电性能；
(3)长碳纤维与尼龙树脂结合，可以提高整个材料的强度、刚性和硬度，填充石墨与长碳纤维复合，可以发挥协同减磨作用，提高了整个复合材料的耐磨性能；
(4)有机海泡石的加入可以增大尼龙树脂的结晶度和微晶尺寸，提高整个复合材料的热稳定性和力学性能；同时，有机海泡石由于具有独特的多孔结构和良好的物化性能，有利于海泡石在燃烧时吸引含高能的自由基，阻止燃烧的继续进行，且可以产生阻止燃烧进行的水蒸气，与阻燃剂配合使用，可以达到比较好的协效阻燃效果，无需较大用量的阻燃剂，就可以满足阻燃要求；
(5)相容剂为马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物，可以改善长碳纤维、填充石墨与尼龙树脂之间的相容性；
(6)本发明通过双螺杆挤出机的熔融挤出方法制备该碳纤维增强尼龙复合材料，其制备工艺简单，生产成本低，生产效率高，适于产业化生产。
具体实施方式
下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例1
一种高性能碳纤增强尼龙复合材料，其制备原料按质量百分计包括以下组分：尼龙6 50％、长碳纤维30％、相容剂6％、填充石墨7％、有机海泡石5％、阻燃剂1％和抗静电剂1％。其中，长碳纤维为经过表面处理的聚丙烯腈碳纤维，其长度为10mm；相容剂为马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物，接枝率为1.35％，熔融指数为5.0g/10min；有机海泡石为依次经过酸化改性和有机改性处理的海泡石；阻燃剂选用硼酸锌；抗静电剂为聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸共聚体。
上述高性能碳纤增强尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按质量百分比将尼龙树脂、相容剂、填充石墨、有机海泡石、阻燃剂和抗静电剂加入到高速混合机中混合均匀；
(2)将步骤(1)得到的混合物加入到双螺杆挤出机中熔融混练，混练结束后，双螺杆挤出机挤出混合溶体至浸渍模具的腔体内；
(3)混合熔体进入浸渍模具的腔体后，经过表面处理的长碳纤维丝束在张力作用以及导丝辊的引导下通过浸渍模具的腔体，并在混合熔体中充分浸渍，经过熔体浸渍后的纤维丝束从浸渍模具中牵引出，并经冷却后进行切粒，得到长碳纤增强尼龙复合材料；其中，双螺杆挤出机分为12区，各区的温度控制为：一区250℃、二区260℃，三区270℃，四区280℃、五区290℃，六区295℃，七区285℃，八区275℃，九区265℃，十区260℃，十一区255℃，机头区250℃。
实施例2
一种高性能碳纤增强尼龙复合材料，其制备原料按质量百分计包括以下组分：尼龙66 70％、长碳纤维18％、相容剂2％、填充石墨3％、有机海泡石2％、阻燃剂3％和抗静电剂2％。其中，长碳纤维为经过表面处理的聚丙烯腈碳纤维，其长度为10mm；相容剂为马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物，接枝率为1.35％，熔融指数为5.0g/10min；有机海泡石为依次经过酸化改性和有机改性处理的海泡石；阻燃剂选用氢氧化铝；抗静电剂为聚醚酯酰胺。
上述高性能碳纤增强尼龙复合材料的制备方法同实施例1。
实施例3
一种高性能碳纤增强尼龙复合材料，其制备原料按质量百分计包括以下组分：尼龙6 60％、长碳纤维23.5％、相容剂5％、填充石墨5％、有机海泡石3％、阻燃剂2％和抗静电剂1.5％。其中，长碳纤维为经过表面处理的聚丙烯腈碳纤维，其长度为10mm；相容剂为马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物，接枝率为1.35％，熔融指数为5.0g/10min；有机海泡石为依次经过酸化改性和有机改性处理的海泡石；阻燃剂选用氢氧化镁；抗静电剂为聚氧化乙烯。
对比例
一种碳纤增强尼龙复合材料，其制备原料按质量百分计包括以下组分：尼龙660％、短碳纤维28.5％、相容剂5％、阻燃剂5％和抗静电剂1.5％。其中，短碳纤维为经过表面处理的聚丙烯腈碳纤维，其长度为4mm；相容剂为马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物，接枝率为1.35％，熔融指数为5.0g/10min；阻燃剂选用氢氧化镁；抗静电剂为聚氧化乙烯。
上述碳纤增强尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按质量百分比将尼龙树脂、相容剂、阻燃剂和抗静电剂加入到高速混合机中混合均匀；
(2)将步骤(1)得到的混合物加入到双螺杆挤出机中熔融混练，混练结束后，双螺杆挤出机挤出混合溶体至浸渍模具的腔体内；
(3)混合熔体进入浸渍模具的腔体后，经过表面处理的短碳纤维丝束在张力作用以及导丝辊的引导下通过浸渍模具的腔体，并在混合熔体中充分浸渍，经过熔体浸渍后的纤维丝束从浸渍模具中牵引出，并经冷却后进行切粒，得到长碳纤增强尼龙复合材料；其中，双螺杆挤出机分为12区，各区的温度控制为：一区250℃、二区260℃，三区270℃，四区280℃、五区290℃，六区295℃，七区285℃，八区275℃，九区265℃，十区260℃，十一区255℃，机头区250℃。
性能测试
将实施例1～3和对比例所制备的碳纤增强尼龙复合材料进行注塑成型，得到标准测试样条，然后分别按照标准进行测试，性能测试结果见表1。
表1碳纤增强尼龙复合材料的性能测试结果
由表1可知，与对比例的碳纤增强尼龙复合材料相比，本发明实施例的碳纤增强尼龙复合材料具有较优良的力学性能、耐磨性能、阻燃性和抗静电性，满足使用需求，可以广泛应用于对性能要求较高的应用领域。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种高性能碳纤增强尼龙复合材料，其特征在于，其制备原料按质量百分计包括以下组分：尼龙树脂50％～70％、长碳纤维18％～30％、相容剂2％～6％、填充石墨3％～7％、有机海泡石2％～5％、阻燃剂1％～3％和抗静电剂1％～2％。
2.根据权利要求1所述的一种高性能碳纤增强尼龙复合材料，其特征在于，所述尼龙树脂为尼龙6、尼龙66中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种高性能碳纤增强尼龙复合材料，其特征在于，所述长碳纤维为经过表面处理的聚丙烯腈碳纤维，其长度为6～10mm。
4.根据权利要求1所述的一种高性能碳纤增强尼龙复合材料，其特征在于，所述相容剂为马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物，接枝率为1.35％，熔融指数为5.0g/10min。
5.根据权利要求1所述的一种高性能碳纤增强尼龙复合材料，其特征在于，所述有机海泡石为依次经过酸化改性和有机改性处理的海泡石。
6.根据权利要求1所述的一种高性能碳纤增强尼龙复合材料，其特征在于，所述阻燃剂为硼酸锌、氢氧化铝、氢氧化镁中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种高性能碳纤增强尼龙复合材料，其特征在于，所述抗静电剂为聚乙烯乙二醇甲基丙烯酸共聚体、聚醚酯酰胺、聚氧化乙烯的一种或两种以上的混合物。
8.如权利要求1至7任一项所述的一种高性能碳纤增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于,该制备方法所使用的加工设备包括高速混合机、双螺杆挤出机与浸渍模具，浸渍模具与双螺杆挤出机对接，该制备方法具体包括以下步骤：
(1)按质量百分比将尼龙树脂、相容剂、填充石墨、有机海泡石、阻燃剂和抗静电剂加入到高速混合机中混合均匀；
(2)将步骤(1)得到的混合物加入到双螺杆挤出机中熔融混练，混练结束后，双螺杆挤出机挤出混合溶体至浸渍模具的腔体内；
(3)混合熔体进入浸渍模具的腔体后，经过表面处理的长碳纤维丝束在张力作用以及导丝辊的引导下通过浸渍模具的腔体，并在混合熔体中充分浸渍，经过熔体浸渍后的纤维丝束从浸渍模具中牵引出，并经冷却后进行切粒，得到长碳纤增强尼龙复合材料。
9.根据权利要求8所述的一种高性能碳纤增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，所述双螺杆挤出机分为12区，各区的温度控制在250～300℃。
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