CN110607055A - 一种石墨烯增润的超高载量碳纤维增强塑料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯增润的超高载量碳纤维增强塑料，按照质量百分比由以下组分组成：40％～60％的改性碳纤维，0.01％～0.5％的改性石墨烯，余量为塑料。本发明所得产品碳纤维含量比现有碳纤增强塑料大幅度提高，塑料的弹性模量相应大幅提高；立体构造石墨烯具有很好的润滑性，加入塑料中可以降低塑料溶体和增强纤维之间的摩擦阻力，提高增强塑料的熔体流动速率，使得增强纤维的填充率可以大幅提高，在本发明方法中碳纤维的添加量最高可达60％，从而大幅提高增强塑料的弹性模量。

Description

一种石墨烯增润的超高载量碳纤维增强塑料

技术领域

本发明涉及一种碳纤维增强塑料，特别涉及一种石墨烯增润的超高载量碳纤维增强塑料。

背景技术

塑料是以单体为原料，通过加聚或缩聚反应聚合而成的高分子化合物，可以自由改变成分及形体样式，由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组成。目前，塑料在机械性能、耐久性、耐腐蚀性、耐热性等方面通过改性能达到更高的要求，而且加工方便并可替代金属材料。塑料被广泛应用于电子电气、汽车、建筑、办公设备、机械、航空航天等行业，以塑代钢、以塑代木已成为国际流行趋势。

弹性模量是指材料在受力状态下应力与应变之比，弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。选用高弹性模量的材料可以减少零件的弹性变形，提高零件服役时稳定性。

塑料的弹性模量与金属相比，差别十分巨大，据调查，普通碳钢的弹性模量为210GPa，延性铁的弹性模量为120GPa，而目前的塑料，大多数弹性模量都在10GPa以下。添加增强剂如滑石粉、碳纤维、玻璃纤维等可增强改性塑料的弹性模量，其中碳纤维增强作用最佳，30％的碳纤维其弹性模量可达20GPa以上。而碳纤维的含量是决定塑料弹性模量的关键因素，通常市面上的碳纤维添加量最高为30％左右，无法进一步提高，这是由于碳纤维与塑料基体之间在共混时存在摩擦，随着碳纤维含量的增大，碳纤维与塑料基体之间的摩擦阻力增大，影响两者之间的混合搅拌的均匀性，导致性能下降。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明针对上述技术问题，发明一种石墨烯增润制备超高载量碳纤维增强塑料的方法，该塑料添加立体构造石墨烯后，碳纤维的添加量能提升到60％，大大提高了塑料的弹性模量。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种石墨烯增润的超高载量碳纤维增强塑料，按照质量百分比由以下组分组成：

改性碳纤维 40％～60％；

改性石墨烯 0.01％～0.5％；

塑料 余量。

作为优选，所述的塑料为液晶高分子。

作为优选，所述的液晶高分子为Vectra。

作为优选，所述的改性石墨烯由以下方法制备而得：

(a)按质量百分比称取以下原料：

立体构造石墨烯 1％～10％；

嫁接修饰剂 0.01％～5％；

分散介质 余量；

(b)然后将分散介质与嫁接修饰剂搅拌混合均匀，再加入立体构造石墨烯，搅拌分散均匀；

(c)除去分散介质，得到用于增强塑料的改性石墨烯。

作为优选，步骤(a)中所述的嫁接修饰剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷中的至少一种。

作为优选，步骤(a)中所述的分散介质为乙醇、异丙醇或水中的至少一种。

作为优选，所述的改性碳纤维由以下方法制备而得：

(d)按质量百分比称取以下原料：

碳纤维 10％～30％；

嫁接修饰剂 0.1％～3％；

分散介质 余量；

(e)将碳纤维进行氧化，分散介质与嫁接修饰剂搅拌混合均匀，使用醋酸调整pH至酸性，然后加入氧化后的碳纤维，搅拌分散均匀；

(f)除去分散介质，得到用于塑料增强的改性碳纤维。

作为优选，步骤(d)中所述的氧化为高温氧化、浓硫酸氧化、浓硝酸氧化中的至少一种，氧化后碳纤维含氧量为0.1％～10％。

作为优选，所述的高温氧化为在350℃氧化1h，即得；所述的浓硫酸氧化为采用浓硫酸在95～110℃下回流8h，即得；所述的浓硝酸氧化为采用浓硝酸在95～110℃下回流8h，即得。其中，当同时采用浓硫酸和浓硝酸氧化时为将浓硝酸和浓硫酸混合后在95～110℃下回流8h，即得。

作为优选，步骤(d)中所述的嫁接修饰剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷或乙烯基三甲氧基硅烷中的至少一种。

作为优选，步骤(d)中所述的分散介质为乙醇、异丙醇或水中的至少一种。

如上所述石墨烯增润的超高载量碳纤维增强塑料制备方法，包含以下操作步骤：

(1)按照质量百分比称取以下原料：

改性碳纤维 40％～60％；

改性石墨烯 0.01％～0.5％；

塑料 余量；

(2)然后将改性碳纤维、改性石墨烯和塑料在挤出机中混合，挤出成型或注塑成型，得到超高载量碳纤维增强高模量塑料。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明所得产品碳纤维含量比现有碳纤增强塑料大幅度提高，塑料的弹性模量相应大幅提高；立体构造石墨烯具有很好的润滑性，加入塑料中可以降低塑料溶体和增强纤维之间的摩擦阻力，提高增强塑料的熔体流动速率，使得增强纤维的填充率可以大幅提高，在本发明方法中碳纤维的添加量最高可达60％，从而大幅提高增强塑料的弹性模量。

具体实施方式

下面结合具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

下列实施例中采用的立体构造石墨烯根据《一种立体构造石墨烯粉体材料及优化生产方法》(专利号：CN201810410572.5)进行制备所得，其余涉及的试剂或者原料若未另外说明，均为市售所得。

实施例1

改性石墨烯的制备：

(a)按质量百分比称取以下原料：

立体构造石墨烯 2％；

嫁接修饰剂：γ-氨丙基三乙氧基硅烷 0.4％；

分散介质：异丙醇 97.6；

(b)然后将分散介质与嫁接修饰剂搅拌5min混合均匀，再加入立体构造石墨烯，高速搅拌1h；

(c)将步骤(b)所得物质在鼓风干燥箱中95℃烘干2h除去分散介质，得到用于增强塑料的改性石墨烯，备用；

改性碳纤维的制备：

(d)按质量百分比称取以下原料：

碳纤维 20％；

嫁接修饰剂：γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷 0.2％；

分散介质：乙醇和水 79.8％；

(e)将碳纤维用浓硝酸浸泡氧化，在95℃下回流8h，将碳纤维氧化，过滤后用去离子水进行洗涤，旋转烘干后待用；将乙醇和水按体积比9：1的比例混合，使用醋酸调整pH至4，得到分散介质，然后分散介质与嫁接修饰剂搅拌混合均匀，然后加入上述氧化后待用的碳纤维(氧化后碳纤维含氧量为0.1％～10％)反应2h，搅拌分散均匀；

(f)烘干除去分散介质，得到用于塑料增强的改性碳纤维，备用。

一种石墨烯增润的超高载量碳纤维增强塑料的制备方法，操作步骤如下：

(1)按质量百分比称取以下原料：

上述备用的改性碳纤维 50％；

上述备用的改性石墨烯 0.1％；

液晶高分子Vectra 49.9％；

(2)然后将改性碳纤维、改性石墨烯和液晶高分子Vectra在挤出机中混合，挤出成型，得到超高载量碳纤维增强高模量塑料。

实施例2

改性石墨烯的制备：

(a)按质量百分比称取以下原料：

立体构造石墨烯 5％；

嫁接修饰剂：γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷 0.3％；

分散介质：乙醇 94.7％；

(b)然后将分散介质与嫁接修饰剂搅拌15min混合均匀，再加入立体构造石墨烯，高速搅拌1h；

(c)将步骤(b)所得物质在鼓风干燥箱中90℃烘干2h除去分散介质，得到用于增强塑料的改性石墨烯，备用；

改性碳纤维的制备：

(d)按质量百分比称取以下原料：

碳纤维 10％；

嫁接修饰剂：乙烯基三甲氧基硅烷 0.1％；

分散介质：乙醇 89.9％；

(e)将碳纤维用1:1浓硫酸和浓硝酸浸泡氧化，在110℃下回流8h，将碳纤维氧化，过滤后用去离子水进行洗涤，旋转烘干后待用，分散介质使用醋酸调整pH值至4之后与嫁接修饰剂搅拌混合均匀，然后加入上述氧化后待用的碳纤维(氧化后碳纤维含氧量为0.1％～10％)反应2h，搅拌分散均匀；

(f)烘干除去分散介质，得到用于塑料增强的改性碳纤维，备用。

一种石墨烯增润的超高载量碳纤维增强塑料的制备方法，操作步骤如下：

(1)按质量百分比称取以下原料：

上述备用的改性碳纤维 40％；

上述备用的改性石墨烯 0.01％；

液晶高分子Vectra 59.99％；

(2)然后将改性碳纤维、改性石墨烯和液晶高分子Vectra在挤出机中混合，注塑成型，得到超高载量碳纤维增强高模量塑料。

实施例3

改性石墨烯的制备：

(a)按质量百分比称取以下原料：

立体构造石墨烯 8％；

嫁接修饰剂：γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷 1％；

分散介质：水 91％；

(b)然后将分散介质与嫁接修饰剂搅拌10min混合均匀，再加入立体构造石墨烯，高速搅拌2h；

(c)将步骤(b)所得物质在鼓风干燥箱中105℃烘干2h除去分散介质，得到用于增强塑料的改性石墨烯，备用；

改性碳纤维的制备：

(d)按质量百分比称取以下原料：

碳纤维 30％；

嫁接修饰剂：γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷 0.6％；

分散介质：水 69.4％；

(e)将碳纤维用高温炉在350℃氧化1h，待用；将分散介质使用醋酸调整pH值至4之后与嫁接修饰剂搅拌混合均匀，然后加入上述氧化后待用的碳纤维(氧化后碳纤维含氧量为0.1％～10％)反应1h，搅拌分散均匀；

(f)烘干除去分散介质，得到用于塑料增强的改性碳纤维，备用。

一种石墨烯增润的超高载量碳纤维增强塑料的制备方法，操作步骤如下：

(1)按质量百分比称取以下原料：

上述备用的改性碳纤维 60％；

上述备用的改性石墨烯 0.5％；

液晶高分子Vectra 39.5％；

(2)然后将改性碳纤维、改性石墨烯和塑料在挤出机中混合，挤出成型，得到超高载量碳纤维增强高模量塑料。

性能对比结果如下表所示：

指标	对比样	实施例1	实施例2	实施例3
					弯曲弹性模量/GPa	23	33	28	34

对比样为30％碳纤维增强Vectra塑料，即使用市售的Vectra B230粒料注塑成样条并测试。由表中的结果可以看出，添加立体构造石墨烯后，含40％～60％碳纤维的Vectra塑料可以均匀混合并注塑，且碳纤维含量越高，塑料的弹性模量越高，能够充分体现出碳纤维的高模量性能。相对于市售的30％碳纤维增强Vectra塑料，弯曲模量大幅提高，可应用于弹性模量要求更高的场合。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。

本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种石墨烯增润的超高载量碳纤维增强塑料，其特征在于，按照质量百分比由以下组分组成：40％～60％的改性碳纤维，0.01％～0.5％的改性石墨烯，余量为塑料。

2.根据权利要求1所述的超高载量碳纤维增强塑料，其特征在于：所述的塑料为液晶高分子。

3.根据权利要求2所述的超高载量碳纤维增强塑料，其特征在于：所述的液晶高分子为Vectra。

4.根据权利要求1所述的超高载量碳纤维增强塑料，其特征在于，所述的改性石墨烯由以下方法制备而得：

(a)按质量百分比称取以下原料：1％～10％的立体构造石墨烯，0.01％～5％的嫁接修饰剂，余量为分散介质；

(b)然后将分散介质与嫁接修饰剂搅拌混合，再加入立体构造石墨烯，搅拌分散均匀；

(c)除去分散介质，得到改性石墨烯。

5.根据权利要求1所述的超高载量碳纤维增强塑料，其特征在于，所述的改性碳纤维由以下方法制备而得：

(d)按质量百分比称取以下原料：10％～30％的碳纤维，0.1％～3％的嫁接修饰剂，余量为分散介质；

(e)将碳纤维进行氧化，分散介质与嫁接修饰剂搅拌混合，调整pH至酸性，然后加入氧化后的碳纤维，搅拌分散；

(f)除去分散介质，得到改性碳纤维。

6.根据权利要求5所述的超高载量碳纤维增强塑料，其特征在于：步骤(e)中所述的氧化为高温氧化、浓硫酸氧化、浓硝酸氧化中的至少一种；其中，氧化后碳纤维含氧量为0.1％～10％。

7.根据权利要求6所述的超高载量碳纤维增强塑料，其特征在于：所述的高温氧化为在350℃氧化1h，即得；所述的浓硫酸氧化为采用浓硫酸在95～110℃下回流8h，即得；所述的浓硝酸氧化为采用浓硝酸在95～110℃下回流8h，即得。

8.根据权利要求4或5所述的超高载量碳纤维增强塑料，其特征在于：所述的分散介质为乙醇、异丙醇或水中的至少一种。

9.根据权利要求4或5所述的超高载量碳纤维增强塑料，其特征在于：所述的嫁接修饰剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷或乙烯基三甲氧基硅烷中的至少一种。

10.一种如权利要求1所述的超高载量碳纤维增强塑料制备方法，其特征在于，包含以下操作步骤：

(1)按照质量百分比称取以下原料：40％～60％的改性碳纤维，0.01％～0.5％的改性石墨烯，余量为塑料；

(2)然后将改性碳纤维、改性石墨烯和塑料混合，挤出成型或注塑成型，得到超高载量碳纤维增强高模量塑料。