CN114806127A - 一种碳纤维管材及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维管材及其制造工艺，所述碳纤维管材通过复合碳纤维经拉挤成型制备而成，所述复合碳纤维包含以下质量百分比的组分：氧化改性碳纤维65％～92％、烷基酚聚氧乙烯醚2％～15％、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的POE弹性体0.5％～10％、聚碳酸酯2％～15％。基于本发明的碳纤维管材及其制造工艺，提高了碳纤维管拉伸性能和抗压性能，解决了现有技术中碳纤维管材受力过大会直接断裂以及拉伸时，容易产生裂缝的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于碳纤维管材领域，具体涉及一种碳纤维管材及其制造工艺。
背景技术
碳纤维管又称碳素纤维管，也称碳管，碳纤管，是采用复合碳纤维预浸入苯乙稀基聚脂树脂经加热固化拉挤而成，碳纤维管具有强度高，寿命长、耐腐蚀，质量轻、低密度等优点，广泛应用于风筝、航空模型飞机、灯用支架、PC设备转轴、蚀刻机、医疗器械、体育器材等机械设备，碳纤维是脆性材料，受力过大会直接断裂，在拉伸时，容易产生裂缝，从而影响了其使用寿命，为了保证碳纤维管材韧性的长久性，需要对碳纤维管材的拉伸性能和抗压性能进行改善。
发明内容
本发明解决的技术问题为：提供一种碳纤维管材及其制造工艺，用以提高碳纤维管拉伸性能和抗压性能，解决了现有技术中碳纤维管材受力过大会直接断裂以及拉伸时，容易产生裂缝的问题。
本发明提供的具体解决方案如下：
本发明提供了一种碳纤维管材，所述碳纤维管材由复合碳纤维经拉挤成型制备而成，所述复合碳纤维包含以下质量百分比的组分：氧化改性碳纤维65％～92％、烷基酚聚氧乙烯醚2％～15％、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的POE弹性体0.5％～10％、聚碳酸酯2％～15％。
基于本发明的技术方案，具有如下有益效果：
(1)丙烯酸缩水甘油酯接枝弹性体POE中的丙烯酸缩水甘油酯官能团可与聚碳酸酯以及碳纤维上的极性集团反应，三者紧密连接，在受到外力冲击时，它的POE弹性体结构可以引发增长连续的剪切带和银纹，消耗大量能量，最终导致材料的冲击强度明显增加.
(2)烷基酚聚氧乙烯醚的加入，可以作为连接碳纤维与苯乙稀基聚脂树脂的中间体，以及连接丙烯酸缩水甘油酯接枝弹性体POE与苯乙稀基聚脂树脂的中间体，提高材料间的相容性、提高界面界面粘接强度。
(3)苯乙稀基聚脂树脂的主要作用是把碳纤维粘在一起，分配碳纤维间的载荷，碳纤维管的力学性能与碳纤维和苯乙稀基聚脂树脂的界面粘结强度密切相关，良好的界面结合可以有效地传递载荷，从而提高管体材料的力学性能，丙烯酸缩水甘油酯接枝弹性体POE、碳酸酯以及烷基酚聚氧乙烯醚的加入复合，提高碳纤维与苯乙稀基聚脂树脂的浸润性、相容性和粘接强度，最终提高碳纤维管的综合性能，解决了现有技术中碳纤维管材受力过大会直接断裂以及拉伸时容易产生裂缝的问题。
在上述方案的基础上，本发明还可以进行如下改进：
进一步，所述复合碳纤维包含以下质量百分比的组分：氧化改性碳纤维82％～90％、烷基酚聚氧乙烯醚4％～6％、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的POE弹性体1％～3％、聚碳酸酯4％～10％。
进一步，所述烷基酚聚氧乙烯醚选自壬基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、二壬基酚聚氧乙烯醚中的一种或十二烷基酚聚氧乙烯醚中的一种。
进一步，所述复合碳纤维的制备包括如下步骤：按质量百分比计，将氧化改性碳纤维82％～90％、烷基酚聚氧乙烯醚4％～6％、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的POE弹性体1％～3％以及聚碳酸酯4％～10％混合，将混合好的材料加入双螺杆挤出机加料仓，经双螺杆挤出机熔融挤出熔体，水冷切粒得到所述复合碳纤维，其中，挤出温度为190－230℃。
进一步，所述氧化改性碳纤维由碳纤维经氧化处理得到，具体包括如下步骤：在所述混合之前，将碳纤维浸入到过硫酸钾和硝酸银混合水溶液中，加热至65℃～70℃，然后在65℃～70℃下恒温处理1h～2h；所述混合水溶液中过硫酸钾的浓度为0.05mol/L～1mol/L，所述混合水溶液中硝酸银的浓度为0.0001mol/L～0.5mol/L。
进一步，所述混合水溶液中过硫酸钾的浓度为0.1mol/L～0.2mol/L，所述混合水溶液中硝酸银的浓度为0.0001mol/L～0.05mol/L。
本发明还提供了一种碳纤维管材的制造工艺，包括如下步骤：
S1、将所述复合碳纤维从纱架引出，经过集束板排布，经预热后进入预成型模具中浸渍树脂；
S2、将浸渍树脂后的复合碳纤维在牵引装置的牵引下进入固化成型模具进行固化成型得到成型管材；
S3、拉挤成型管材由牵引装置从固化成型模具中拉出，由切割装置按长度要求切割成碳纤维管材。
进一步，所述固化成型包括升温过程和降温过程，所述升温过程中包括第一保温阶段与第二保温阶段，所述第一保温阶段的目标温度为75－85℃，所述第二保温阶段的目标温度为130～148℃，所述降温过程包括从所述第二保温阶段的目标温度降至室温。
进一步，室温升至所述第一保温阶段的目标温度的时间为30～40min，所述第一保温阶段的保温时间为20～30min；从所述第一保温阶段的目标温度升至所述第二保温阶段的目标温度的时间为20～30min，所述第二保温阶段的保温时间为15～20min；所述降温过程包括第一降温阶段和第二降温阶段，所述第一降温阶段的目标温度为100～115℃，降温时间为10～15min，所述第二降温阶段采用自然降温至室温。
进一步，所述预热温度为75－85℃。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，下面描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
若无特别说明，本发明所用原料和试剂均通过市购得到。
本发明提供了一种碳纤维管材，所述碳纤维管材由复合碳纤维经拉挤成型制备而成，所述复合碳纤维包含以下质量百分比的组分：氧化改性碳纤维65％～92％、烷基酚聚氧乙烯醚2％～15％、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的POE弹性体0.5％～10％、聚碳酸酯2％～15％。
碳纤维极性基团含量极少、比表面积小且呈化学惰性的碳纤维表面与环氧树脂基体的浸润性较差，难以形成有效的粘接，导致界面结合强度较低，使用氧化改性碳纤维(提高纤维表面极性基团的含量)，并通过对其改性、复合提高其与苯乙稀基聚脂树脂的浸润性、相容性和粘接强度，提高粘纤维管的拉伸性能和抗压性能。
基于本发明实施例的碳纤维管材，所述复合碳纤维包含以下质量百分比的组分：氧化改性碳纤维82％～90％、烷基酚聚氧乙烯醚4％～6％、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的POE弹性体1％～3％、聚碳酸酯4％～10％。该比例条件下，碳纤维管抗拉强度和抗压性能较佳。
基于本发明实施例的碳纤维管材，所述复合碳纤维的制备包括如下步骤：按质量百分比计，将氧化改性碳纤维82％～90％、烷基酚聚氧乙烯醚4％～6％、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的POE弹性体1％～3％以及聚碳酸酯4％～10％混合，将混合好的材料加入双螺杆挤出机加料仓，经双螺杆挤出机熔融挤出熔体，水冷切粒得到所述复合碳纤维，其中，挤出温度为190－230℃。丙烯酸缩水甘油酯接枝弹性体POE中分的丙烯酸缩水甘油酯官能团可与聚碳酸酯(PC)以及碳纤维上的极性集团反应，三者紧密连接，在受到外力冲击时，它的POE弹性体结构可以引发增长连续的剪切带和银纹，消耗大量能量，最终导致材料的冲击强度明显增加；苯乙稀基聚脂树脂的主要作用是把碳纤维粘在一起，分配碳纤维间的载荷，碳纤维管的力学性能与碳纤维和苯乙稀基聚脂树脂基体的界面粘结强度密切相关，良好的界面结合可以有效地传递载荷，从而提高管体材料的力学性能，丙烯酸缩水甘油酯接枝弹性体POE与碳酸酯的加入复合，提高碳纤维与苯乙稀基聚脂树脂的浸润性、相容性和粘接强度。
基于本发明实施例的碳纤维管材，所述氧化改性碳纤维由碳纤维经氧化处理得到，具体包括如下步骤：在所述混合之前，将碳纤维浸入到过硫酸钾和硝酸银混合水溶液中，加热至65℃～70℃，然后在65℃～70℃下恒温处理1h～2h；所述混合水溶液中过硫酸钾的浓度为0.05mol/L～1mol/L，所述混合水溶液中硝酸银的浓度为0.0001mol/L～0.5mol/L。
优选地，基于本发明实施例的碳纤维管材，所述混合水溶液中过硫酸钾的浓度为0.1mol/L～0.2mol/L，所述混合水溶液中硝酸银的浓度为0.0001mol/L～0.05mol/L。未经处理的碳纤维表面惰性大，与树脂基体的界面结合较弱，从而影响了复合碳纤维优异性能的充分发挥。通过对碳纤维进行上述表面氧化处理，可改善碳纤维表面极性基团的含量以及粗糙度，提高表面活性、界面粘结质量，便于后续与烷基酚聚氧乙烯醚、聚碳酸酯以丙烯酸缩水甘油酯接枝POE弹性体充分作用，以改善碳纤维管制备中碳纤维与树脂的浸润性、相容性、粘结强度。
优选地，将市购碳纤维经过氧化处理后，先后经乙醇、水洗和干燥处理后用作碳纤维制备原料。
本发明提供一种碳纤维管材的制造工艺，包括如下步骤：
S1、将所述复合碳纤维从纱架引出，经过集束板排布，经预热后进入预成型模具中浸渍树脂；
S2、将浸渍树脂后的复合碳纤维在牵引装置的牵引下进入固化成型模具进行固化成型得到成型管材；
S3、拉挤成型管材由牵引装置从固化成型模具中拉出，由切割装置按长度要求切割成碳纤维管材。
本发明以复合碳纤维为原料，经拉挤工艺和固化工艺得到高性能碳纤维管材。基于本发明的碳纤维管材，碳纤维在苯乙稀基聚脂树脂、聚碳酸酯以及甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的POE弹性体的作用下紧密粘结粘在一起，使得碳纤维之间的载荷实现均匀、有效分配，提高管体材料的力学性能。
基于本发明实施例的碳纤维管材的制造工艺，所述固化成型包括升温过程和降温过程，所述升温过程中包括第一保温阶段与第二保温阶段，所述第一保温阶段的目标温度为75－85℃，所述第二保温阶段的目标温度为130～148℃，所述降温过程包括从所述第二保温阶段的目标温度降至室温。
优选地，基于本发明实施例的碳纤维管材的制造工艺，室温升至所述第一保温阶段的目标温度的时间为30～40min，所述第一保温阶段的保温时间为20～30min；从所述第一保温阶段的目标温度升至所述第二保温阶段的目标温度的时间为20～30min，所述第二保温阶段的保温时间为15～20min；所述降温过程包括第一降温阶段和第二降温阶段，所述第一降温阶段的目标温度为100～115℃，降温时间为10～15min，所述第二降温阶段采用自然降温至室温。材料的固化过程，是一个热效应、化学性能和力学性能急剧变化的过程，热效应和化学反应效应会导致残余应力和变形产生，严重影响碳纤维的产品质量，未获得高性能碳纤维，控制其固化相当重要。基于本发明的方法，将缠绕成型的碳纤维管在上述压力和加热条件下进行固化成型(通过在固化的过程中首先升温至较低的温度75－85℃进行保温，然后再升温至较高温度固化130～148℃，再通过程序降温将固化炉降温至室温)，最大程度降低热效应带来的残余应力、变形，最大程度减少碳纤维缺陷，降低开裂风险；且各组分在上述条件下，可达到充分浸润、相容，提高粘结效果，最终获得形状规整，密度、硬度和机械强度的碳纤维管材。
基于本发明实施例的碳纤维管材的制造工艺，所述预热温度为75－85℃，预热便于该复合碳纤维快速、充分浸渍树脂。
实施例1
(1)制备氧化改性碳纤维：将市购碳纤维浸入到过硫酸钾和硝酸银混合水溶液中，加热至68℃，然后在68℃下恒温处理1h得到氧化改性碳纤维，其中，混合水溶液中过硫酸钾的浓度为0.15mol/L，混合水溶液中硝酸银的浓度为0.02mol/L。
(2)复合碳纤维制备：将氧化改性碳纤维先后经乙醇和水洗多次清洗后进行干燥处理，然后将干燥后的氧化改性碳纤维、壬基酚聚氧乙烯醚OP－10、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的POE弹性体以及聚碳酸酯混合，将混合好的材料加入双螺杆挤出机加料仓，经双螺杆挤出机熔融挤出熔体，水冷切粒得到所述复合碳纤维，其中，挤出温度温度为220℃，氧化改性碳纤维、壬基酚聚氧乙烯醚OP－10、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的POE弹性体以及聚碳酸酯的质量百分比分别为85％、5％、2％以及6％。
(3)将所述复合碳纤维从纱架引出，经过集束板排布，经80℃预热后进入预成型模具中浸渍树脂。
(4)将浸渍树脂后的复合碳纤维在牵引装置的牵引下进入固化成型模具进行固化成型得到成型管材，具体的，固化成型升温和降温过程为：先从室温升温至第一保温阶段的温度80℃，升温时间为35min，保温时间为25min；然后从所述第一保温温度升温至第二保温阶段140℃，升温时间为25min，第二保温阶段的保温时间为18min，然后降至110℃，降温时间为12min，然后自然降温至室温。
(5)拉挤成型管材由牵引装置从固化成型模具中拉出，由切割装置按长度要求切割成碳纤维管材。
实施例2
(1)制备氧化改性碳纤维：将市购碳纤维浸入到过硫酸钾和硝酸银混合水溶液中，加热至65℃，然后在68℃下恒温处理2h得到氧化改性碳纤维，其中，混合水溶液中过硫酸钾的浓度为0.1mol/L，混合水溶液中硝酸银的浓度为0.0001mol/L。
(2)复合碳纤维制备：将氧化改性碳纤维先后经乙醇和水洗多次清洗后进行干燥处理，将干燥后的氧化改性碳纤维、壬基酚聚氧乙烯醚OP－10、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的POE弹性体以及聚碳酸酯混合，将混合好的材料加入双螺杆挤出机加料仓，经双螺杆挤出机熔融挤出熔体，水冷切粒得到所述复合碳纤维，其中，挤出温度温度为220℃，氧化改性碳纤维、壬基酚聚氧乙烯醚OP－10、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的POE弹性体以及聚碳酸酯的质量百分比分别为85％、5％、2％以及6％。
(3)将所述复合碳纤维从纱架引出，经过集束板排布，经75℃预热后进入预成型模具中浸渍树脂。
(4)将浸渍树脂后的复合碳纤维在牵引装置的牵引下进入固化成型模具进行固化成型得到成型管材，具体的，固化成型升温和降温过程为：先从室温升温至第一保温阶段的温度75℃，升温时间为30min，保温时间为20min；然后从所述第一保温温度升温至第二保温阶段130℃，升温时间为20min，第二保温阶段的保温时间为15min，然后降至100℃，降温时间为10min，然后自然降温至室温。
(5)拉挤成型管材由牵引装置从固化成型模具中拉出，由切割装置按长度要求切割成碳纤维管材。
实施例3
(1)制备氧化改性碳纤维：将市购碳纤维浸入到过硫酸钾和硝酸银混合水溶液中，加热至70℃，然后在68℃下恒温处理1h得到氧化改性碳纤维，其中，混合水溶液中过硫酸钾的浓度为0.2mol/L，混合水溶液中硝酸银的浓度为0.05mol/L。
(2)复合碳纤维制备：将氧化改性碳纤维先后经乙醇和水洗多次清洗后进行干燥处理，将干燥后的氧化改性碳纤维、壬基酚聚氧乙烯醚OP－10、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的POE弹性体以及聚碳酸酯混合，将混合好的材料加入双螺杆挤出机加料仓，经双螺杆挤出机熔融挤出熔体，水冷切粒得到所述复合碳纤维，其中，挤出温度温度为220℃，氧化改性碳纤维、壬基酚聚氧乙烯醚OP－10、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的POE弹性体以及聚碳酸酯的质量百分比分别为85％、5％、2％以及6％。
(3)将所述复合碳纤维从纱架引出，经过集束板排布，经85℃预热后进入预成型模具中浸渍树脂。
(4)将浸渍树脂后的复合碳纤维在牵引装置的牵引下进入固化成型模具进行固化成型得到成型管材，具体的，固化成型升温和降温过程为：先从室温升温至第一保温阶段的温度85℃，升温时间为40min，保温时间为30min；然后从所述第一保温温度升温至第二保温阶段148℃，升温时间为30min，第二保温阶段的保温时间为20min，然后降至115℃，降温时间为15min，然后自然降温至室温。
(5)拉挤成型管材由牵引装置从固化成型模具中拉出，由切割装置按长度要求切割成碳纤维管材。
对比例1
同实施例1，不同之处仅在于，不加壬基酚聚氧乙烯醚OP－10。
对比例2
同实施例1，不同之处仅在于，不加聚碳酸酯。
对比例3
同实施例1，不同之处仅在于，不加甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的POE弹性体。
对比例4
(1)制备氧化改性碳纤维：将市购碳纤维浸入到过硫酸钾和硝酸银混合水溶液中，加热至70℃，然后在68℃下恒温处理1h得到氧化改性碳纤维，其中，混合水溶液中过硫酸钾的浓度为0.2mol/L，混合水溶液中硝酸银的浓度为0.05mol/L。
(3)将所述复合碳纤维从纱架引出，经过集束板排布，经80℃预热后进入预成型模具中浸渍树脂。
(4)将浸渍树脂后的复合碳纤维在牵引装置的牵引下进入固化成型模具进行固化成型得到成型管材，具体的，固化成型升温和降温过程为：从室温升温至第一保温阶段的目标温度85℃，升温时间为40min，保温时间为30min；然后从所述第一保温阶段的目标温度升温至第二保温阶段的目标温度148℃，升温时间为30min，第二保温阶段的保温时间为20min，然后降至115℃，降温时间为15min，最后自然降温至室温。
(5)拉挤成型管材由牵引装置从固化成型模具中拉出，由切割装置按长度要求切割成碳纤维管材。
碳纤维管性能测试：对实施例1～3以及对比例1－4制备得到的碳纤维管分别进行拉伸弹性模量试验、抗压强度试验、纵向延伸率试验，结果如下表1所示。
表1碳纤维管的性能测试表
由上表可以看出，基于本发明的方法制备的碳纤维管材拉伸弹性模量、抗压强度高，并且纵向延伸率小，丙烯酸缩水甘油酯接枝弹性体POE、碳酸酯以及烷基酚聚氧乙烯醚的加入复合，显著提高了碳纤维管的综合性能。
尽管上面已经详细描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种碳纤维管材，其特征在于，所述碳纤维管材由复合碳纤维经拉挤成型制备而成，所述复合碳纤维包含以下质量百分比的组分：氧化改性碳纤维65％～92％、烷基酚聚氧乙烯醚2％～15％、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的POE弹性体0.5％～10％、聚碳酸酯2％～15％。
2.根据权利要求1所述的碳纤维管材，其特征在于，所述复合碳纤维包含以下质量百分比的组分：氧化改性碳纤维82％～90％、烷基酚聚氧乙烯醚4％～6％、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的POE弹性体1％～3％、聚碳酸酯4％～10％。
3.根据权利要求2所述的碳纤维管材，其特征在于，所述烷基酚聚氧乙烯醚选自壬基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、二壬基酚聚氧乙烯醚中的一种或十二烷基酚聚氧乙烯醚中的一种。
4.根据权利要求1－3任一项所述的碳纤维管材，其特征在于，所述复合碳纤维的制备包括如下步骤：按质量百分比计，将氧化改性碳纤维82％～90％、烷基酚聚氧乙烯醚4％～6％、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的POE弹性体1％～3％以及聚碳酸酯4％～10％混合，将混合好的材料加入双螺杆挤出机加料仓，经双螺杆挤出机熔融挤出熔体，水冷切粒得到所述复合碳纤维，其中，挤出温度为190－230℃。
5.根据权利要求4所述的碳纤维管材，其特征在于，所述氧化改性碳纤维由碳纤维经氧化处理得到，具体包括如下步骤：在所述混合之前，将碳纤维浸入到过硫酸钾和硝酸银混合水溶液中，加热至65℃～70℃，然后在65℃～70℃下恒温处理1h～2h；所述混合水溶液中过硫酸钾的浓度为0.05mol/L～1mol/L，所述混合水溶液中硝酸银的浓度为0.0001mol/L～0.5mol/L。
6.根据权利要求5所述的碳纤维管材，其特征在于，所述混合水溶液中过硫酸钾的浓度为0.1mol/L～0.2mol/L，所述混合水溶液中硝酸银的浓度为0.0001mol/L～0.05mol/L。
7.一种碳纤维管材的制造工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将所述复合碳纤维从纱架引出，经过集束板排布，经预热后进入预成型模具中浸渍树脂；
S2、将浸渍树脂后的复合碳纤维在牵引装置的牵引下进入固化成型模具进行固化成型得到成型管材；
S3、拉挤成型管材由牵引装置从固化成型模具中拉出，由切割装置按长度要求切割成碳纤维管材。
8.根据权利要求7所述的碳纤维管材的制造工艺，其特征在于，所述固化成型包括升温过程和降温过程，所述升温过程中包括第一保温阶段与第二保温阶段，所述第一保温阶段的目标温度为75－85℃，所述第二保温阶段的目标温度为130～148℃，所述降温过程包括从所述第二保温阶段的目标温度降至室温。
9.根据权利要求8所述的碳纤维管材的制造工艺，其特征在于，室温升至所述第一保温阶段的目标温度的时间为30～40min，所述第一保温阶段的保温时间为20～30min；从所述第一保温阶段的目标温度升至所述第二保温阶段的目标温度的时间为20～30min，所述第二保温阶段的保温时间为15～20min；所述降温过程包括第一降温阶段和第二降温阶段，所述第一降温阶段的目标温度为100～115℃，降温时间为10～15min，所述第二降温阶段采用自然降温至室温。
10.根据权利要求7－9任一项所述的碳纤维管材的制造工艺，其特征在于，所述预热温度为75－85℃。
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| GR01 | Patent grant | ||
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