CN113214641A - 一种轻型碳纤维增强pa材料及其制备方法 - Google Patents

一种轻型碳纤维增强pa材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及尼龙材料的领域，具体公开了一种轻型碳纤维增强PA材料及其制备方法。轻型碳纤维增强PA材料，原料按重量份计，包括尼龙树脂45‑65份、碳纤维粉末20‑35份、乙烯丙烯共聚物5‑12份、树枝状聚酰胺胺0.5‑5份、白炭黑0.05‑0.15份、助剂0.5‑3份；其制备方法为：S1、将尼龙树脂、碳纤维粉末、乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺、白炭黑和助剂混合均匀制得混合料；S2、将混合料熔融挤出制得轻型碳纤维增强PA材料。本申请的轻型碳纤维增强PA材料在高温条件下的拉伸强度较高。

Description

一种轻型碳纤维增强PA材料及其制备方法
技术领域
本申请涉及尼龙材料的领域，更具体地说，它涉及一种轻型碳纤维增强PA材料及其制备方法。
背景技术
碳纤维是碳含量在95％以上的强度高、模量纤维高的新型纤维材料，一般由腈纶、粘胶纤维作为原料，经高温氧化碳化制成。碳纤维的质量较轻、强度较高，并且具有耐腐蚀、模量高的特性，是新一代增强纤维。
尼龙是一种工程塑料，弹性、拉伸性能较优，且具有优良的弯曲性能、压缩强度、化学稳定性及耐磨性。尼龙可用于汽车、化工、建筑、电子电器等行业。但是尼龙具有易脆化、抗冲击性差、耐热性差的缺点，因此往往需要对尼龙材料增强改性以增强尼龙的性能。
例如公开号为CN104559161A的中国专利提出了耐磨碳纤维增强尼龙66树脂组合物，以重量分数计包括尼龙66树脂40-70份、聚苯硫醚树脂1-30份、聚四氟乙烯树脂5-25份、碳纤维10-40份、助剂0.01-5份。
上述尼龙材料虽然通过碳纤维和聚四氟乙烯树脂进行了一定改性，但是尼龙材料的耐高温性能较差，作为轴承、机械泵或汽车发动机等机器零件使用时，长时间运转下温度较高，尼龙材料的拉伸强度较低，影响机器运转。
发明内容
为了提高尼龙材料在高温下的拉伸强度，本申请提供一种轻型碳纤维增强PA材料及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种轻型碳纤维增强PA材料，采用如下的技术方案：
一种轻型碳纤维增强PA材料，原料按重量份计，包括尼龙树脂45-65份、碳纤维粉末20-35份、乙烯丙烯共聚物5-12份、树枝状聚酰胺胺0.5-5份、白炭黑0.05-0.15份、助剂0.5-3份。
通过采用上述技术方案，由于在PA材料中添加了碳纤维对PA材料进行增强改性，并在PA材料中添加了乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺和白炭黑，其中乙烯丙烯共聚物具有较高的热塑性，与树枝状聚酰胺胺相互作用，使乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺能够与尼龙树脂和碳纤维粉末交联缔合形成三维网络结构，且树枝状聚酰胺胺、乙烯丙烯共聚物与白炭黑相互作用，提高了各原料之间的相容性，增强了乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺与尼龙树脂和碳纤维之间的三维网络结构，使PA材料在高温条件下的拉伸强度得到提高。
优选的，所述乙烯丙烯共聚物的熔体流动速度为7.8-20g/10min。
通过采用上述技术方案，本申请通过控制乙烯丙烯共聚物的熔体流动速度提高了乙烯丙烯共聚物与其余原料之间的相容性，增强了树枝状聚酰胺胺、乙烯丙烯共聚物与白炭黑之间的相互作用，增强了乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺与尼龙树脂和碳纤维之间的三维网络结构，使PA材料在高温条件下的拉伸强度得到提高。
优选的，所述树枝状聚酰胺胺的末端基团数为4-16。
通过采用上述技术方案，本申请通过控制树枝状聚酰胺胺的末端集团数，提高了树枝状聚酰胺胺、乙烯丙烯共聚物与白炭黑之间的相互作用，增强了乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺与尼龙树脂和碳纤维之间的三维网络结构，使PA材料在高温条件下的拉伸强度得到提高。
优选的，所述树枝状聚酰胺胺的末端基团为-NH2。
通过采用上述技术方案，末端基团为-NH2的树枝状聚酰胺胺与尼龙树脂、碳纤维之间的相容性较高，提高了树枝状聚酰胺胺、乙烯丙烯共聚物与白炭黑之间的相互作用，增强了乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺与尼龙树脂和碳纤维之间的三维网络结构，使PA材料在高温条件下的拉伸强度得到提高。
优选的，所述白炭黑为疏水型白炭黑。
通过采用上述技术方案，疏水型白炭黑与乙烯丙烯共聚物之间的相容性较高，与树枝状聚酰胺胺、乙烯丙烯共聚物之间的相互作用较强，增强了乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺与尼龙树脂和碳纤维之间的三维网络结构，使PA材料在高温条件下的拉伸强度得到提高。
优选的，所述碳纤维粉末的粒径为500-1500目。
通过采用上述技术方案，本申请通过控制碳纤维粉末的粒径，提高了碳纤维与树枝状聚酰胺胺、乙烯丙烯共聚物之间的相互作用，增强了乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺与尼龙树脂和碳纤维之间的三维网络结构，使PA材料在高温条件下的拉伸强度得到提高。
优选的，所述尼龙树脂为PA1010和PA612的混合物。
通过采用上述技术方案，本申请通过使用PA1010尼龙树脂和PA612尼龙树脂复配，提高了尼龙树脂与其余原料的相容性，提高了树枝状聚酰胺胺、乙烯丙烯共聚物与白炭黑之间的相互作用，增强了乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺与尼龙树脂和碳纤维之间的三维网络结构，使PA材料在高温条件下的拉伸强度得到提高。
第二方面，本申请提供一种轻型碳纤维增强PA材料的制备方法，采用如下的技术方案：
一种轻型碳纤维增强PA材料的制备方法，包括以下制备步骤：
S1、将尼龙树脂、碳纤维粉末、乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺、白炭黑和助剂混合均匀制得混合料；
S2、将混合料熔融挤出制得轻型碳纤维增强PA材料。
通过采用上述技术方案，本申请在PA材料中添加了碳纤维对PA材料进行增强改性，并在PA材料中添加了乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺和白炭黑，提高了PA材料在高温条件下的拉伸强度，且制备方法简单，便于操作。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请采用碳纤维对PA材料进行增强改性，并通过乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺和白炭黑之间的相互作用，提高了PA材料在高温条件下的拉伸强度；
2、本申请中优选采用疏水型白炭黑，疏水型白炭黑与乙烯丙烯共聚物之间的相容性较高，与树枝状聚酰胺胺、乙烯丙烯共聚物之间的相互作用较强，增强了乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺与尼龙树脂和碳纤维之间的三维网络结构，使PA材料在高温条件下的拉伸强度得到提高；
3、本申请的方法，制备过程简单方便，便于操作。
具体实施方式
以下结合制备例和实施例对本申请作进一步详细说明，本申请所用原料来源见表1。
表1.本申请所用原料来源
Figure BDA0003019572440000031
Figure BDA0003019572440000041
实施例
实施例1
一种轻型碳纤维增强PA材料，包括以下制备步骤：
S1、将5.5kg尼龙树脂、3kg碳纤维粉末、0.9kg乙烯丙烯共聚物、0.3kg树枝状聚酰胺胺、0.01kg白炭黑和0.2kg助剂混合均匀制得混合料；
S2、使用双螺杆挤出机(MICRO 27型，产自德国LEISTRITZ公司)将混合料在280℃下熔融挤出制得轻型碳纤维增强PA材料；
所用尼龙树脂为PA1010；所用碳纤维粉末的粒径为300目；所用乙烯丙烯共聚物为5980型乙烯丙烯共聚物；所用树枝状聚酰胺胺的型号为CYD-130C；所用白炭黑为亲水白炭黑；所用助剂为抗氧剂3114。
实施例2-9
实施例2-9均以实施例1为基础，与实施例1的区别仅在于：各原料用量不同，具体见表2。
表2.实施例1-9各原料用量
Figure BDA0003019572440000042
实施例10
实施例10以实施例1为基础，与实施例1的区别仅在于：以等质量的尼龙树脂PA612代替尼龙树脂PA1010。
实施例11-13
实施例11-13均以实施例1为基础，与实施例1的区别仅在于：所用乙烯丙烯共聚物的熔体流动速度不同，具体见表3。
表3.实施例11-13乙烯丙烯共聚物的熔体流动速度
Figure BDA0003019572440000043
Figure BDA0003019572440000051
实施例14-16
实施例14-16均以实施例13为基础，与实施例13的区别仅在于：所用树枝状聚酰胺胺的末端基团数不同，具体见表4。
表4.实施例14-16的末端基团数
实施例 实施例14 实施例15 实施例16
树枝状聚酰胺胺型号 CYD-100C CYD-120C CYD-110C
末端集团数 4 16 8
实施例17
实施例17以实施例16为基础，与实施例16的区别仅在于：所用树枝状聚酰胺胺的型号为CYD-110A，末端基团为-NH2。
实施例18
实施例18以实施例17为基础，与实施例17的区别仅在于：以等质量的疏水白炭黑代替亲水白炭黑。
实施例19-21
实施例19-21均以实施例18为基础，与实施例18的区别仅在于：所用碳纤维粉末的粒径不同，具体见表5。
表5.实施例20-22碳纤维粉末的粒径
Figure BDA0003019572440000052
实施例22
实施例22以实施例21为基础，与实施例21的区别仅在于：所用尼龙树脂为PA1010和PA612的混合物，PA1010和PA612的重量比为1:3。
对比例
对比例1
对比例1以实施例10为基础，与实施例10的区别仅在于：以等质量尼龙树脂代替乙烯丙烯共聚物。
对比例2
对比例2以实施例10为基础，与实施例10的区别仅在于：以等质量的尼龙树脂代替树枝状聚酰胺胺。
对比例3
对比例3以实施例10为基础，与实施例10的区别仅在于：以等质量的尼龙树脂代替白炭黑。
对比例4
一种轻型碳纤维增强PA材料，包括以下制备步骤：
S1、将3.5kg尼龙树脂、1g碳纤维粉末、0.9kg乙烯丙烯共聚物、0.3kg树枝状聚酰胺胺、0.01kg白炭黑和0.2kg助剂混合均匀制得混合料；
S2、使用双螺杆挤出机(MICRO 27型，产自德国LEISTRITZ公司)将混合料在280℃下熔融挤出制得轻型碳纤维增强PA材料；
所用尼龙树脂为PA1010；所用碳纤维粉末的粒径为300目；所用乙烯丙烯共聚物为5980型乙烯丙烯共聚物；所用树枝状聚酰胺胺的型号为CYD-130C；所用白炭黑为亲水白炭黑；所用助剂为抗氧剂3114。
性能检测试验
分别对实施例1-22、对比例1-4制得的轻型碳纤维增强PA材料进行如下性能测试。
拉伸强度测试：将制得的轻型碳纤维增强PA材料在鼓风烘箱中干燥8h，干燥温度为90℃，后用55M型注塑机(产自德国BOY公司)在280℃下注塑得到符合GB1040规定尺寸的标准测试样条，将标准测试样条注塑完成后立即放入玻璃干燥器中，接着将试样条在100℃环境下放置24h，后按照GB/T 1040.1-2006的规定对标准是样条的拉伸强度进行测试，测试结果见表6。
表6.实施例1-22、对比例1-4测试结果
样品 拉伸强度(MPa) 样品 拉伸强度(MPa)
实施例1 260.9 实施例14 272.3
实施例2 260.8 实施例15 273.1
实施例3 260.7 实施例16 273.9
实施例4 260.8 实施例17 281.5
实施例5 260.9 实施例18 289.4
实施例6 260.7 实施例19 295.7
实施例7 260.7 实施例20 295.8
实施例8 260.6 实施例21 297.2
实施例9 260.7 实施例22 305.7
实施例10 260.6 对比例1 239.2
实施例11 265.9 对比例2 241.3
实施例12 266.3 对比例3 247.7
实施例13 266.1 对比例4 238.5
分析上述数据可知：
本申请制得的轻型碳纤维增强PA材料的拉伸轻度均不低于260MPa，且制备方法简单，便于操作，对比实施例1-10的数据可知，实施例1为实施例1-10的最佳实施例。
对比实施例1、实施例10的数据与对比1-4的数据可知，本申请在PA材料中添加了碳纤维对PA材料进行增强改性，并在PA材料中添加了乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺和白炭黑，其中乙烯丙烯共聚物具有较高的热塑性，与树枝状聚酰胺胺相互作用，使乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺能够与尼龙树脂和碳纤维粉末交联缔合形成三维网络结构，且树枝状聚酰胺胺、乙烯丙烯共聚物与白炭黑相互作用，提高了各原料之间的相容性，增强了乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺与尼龙树脂和碳纤维之间的三维网络结构，使PA材料在高温条件下的拉伸强度得到提高。
对比实施例11-13与实施例1的数据可知，本申请通过控制乙烯丙烯共聚物的熔体流动速度提高了乙烯丙烯共聚物与其余原料之间的相容性，增强了树枝状聚酰胺胺、乙烯丙烯共聚物与白炭黑之间的相互作用，增强了乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺与尼龙树脂和碳纤维之间的三维网络结构，使PA材料在高温条件下的拉伸强度得到提高。其中当乙烯丙烯共聚物的熔体流动速度为11g/10min时，PA材料在高温条件下的拉伸强度较高。
对比实施例14-16与实施例13的数据可知，本申请通过控制树枝状聚酰胺胺的末端集团数，提高了树枝状聚酰胺胺、乙烯丙烯共聚物与白炭黑之间的相互作用，增强了乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺与尼龙树脂和碳纤维之间的三维网络结构，使PA材料在高温条件下的拉伸强度得到提高。其中当树枝状聚酰胺胺的末端基团数为8时，树枝状聚酰胺胺与乙烯丙烯共聚物与白炭黑之间的相互作用较强，PA材料在高温条件下的拉伸强度较高。
对比实施例17与实施例16的数据可知，型号为CYD-110A的树枝状聚酰胺胺的末端基团为-NH2，其与尼龙树脂、碳纤维之间的相容性较高，提高了树枝状聚酰胺胺、乙烯丙烯共聚物与白炭黑之间的相互作用，增强了乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺与尼龙树脂和碳纤维之间的三维网络结构，使PA材料在高温条件下的拉伸强度得到提高。
对比实施例18与实施例17的数据可知，疏水白炭黑与乙烯丙烯共聚物之间的相容性较高，与树枝状聚酰胺胺、乙烯丙烯共聚物之间的相互作用较强，增强了乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺与尼龙树脂和碳纤维之间的三维网络结构，使PA材料在高温条件下的拉伸强度得到提高。
对比实施例19-21与实施例18之间的数据可知，本申请通过控制碳纤维粉末的粒径，提高了碳纤维与树枝状聚酰胺胺、乙烯丙烯共聚物之间的相互作用，增强了乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺与尼龙树脂和碳纤维之间的三维网络结构，使PA材料在高温条件下的拉伸强度得到提高。其中当碳纤维粉末的粒径为1500目时，碳纤维与树枝状聚酰胺胺、乙烯丙烯共聚物之间的相互作用较强，PA材料在高温条件下的拉伸强度较高。
对比实施例22与实施例21的数据可知，本申请通过使用PA1010尼龙树脂和PA612尼龙树脂复配，提高了尼龙树脂与其余原料的相容性，提高了树枝状聚酰胺胺、乙烯丙烯共聚物与白炭黑之间的相互作用，增强了乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺与尼龙树脂和碳纤维之间的三维网络结构，使PA材料在高温条件下的拉伸强度得到提高。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种轻型碳纤维增强PA材料，其特征在于，原料按重量份计，包括尼龙树脂45-65份、碳纤维粉末20-35份、乙烯丙烯共聚物5-12份、树枝状聚酰胺胺0.5-5份、白炭黑0.05-0.15份、助剂0.5-3份。
2.根据权利要求1所述的一种轻型碳纤维增强PA材料，其特征在于：所述乙烯丙烯共聚物的熔体流动速度为7.8-20g/10min。
3.根据权利要求1所述的一种轻型碳纤维增强PA材料，其特征在于：所述树枝状聚酰胺胺的末端基团数为4-16。
4.根据权利要求3所述的一种轻型碳纤维增强PA材料，其特征在于：所述树枝状聚酰胺胺的末端基团为-NH2。
5.根据权利要求1所述的一种轻型碳纤维增强PA材料，其特征在于：所述白炭黑为疏水型白炭黑。
6.根据权利要求1所述的一种轻型碳纤维增强PA材料，其特征在于：所述碳纤维粉末的粒径为500-1500目。
7.根据权利要求1所述的一种轻型碳纤维增强PA材料，其特征在于：所述尼龙树脂为PA1010和PA612的混合物。
8.权利要求1-7任一项所述的一种轻型碳纤维增强PA材料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
S1、将尼龙树脂、碳纤维粉末、乙烯丙烯共聚物、树枝状聚酰胺胺、白炭黑和助剂混合均匀制得混合料；
S2、将混合料熔融挤出制得轻型碳纤维增强PA材料。
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