CN114921094A - 一种车用碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种车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

本发明公开了一种车用碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法，针对PA6加入CF后流动性变差，加工性能明显弱化的问题，提供了以下技术方案，由下述重量份的原料制成：68～99份PA6，0～30份碳纤维，0～3份流动性改善剂，0～15份无定型聚酰胺，0～1份抗氧剂，0～1份润滑剂，0～1份炭黑。其制备方法包括以下步骤：备料、预混料、初步混炼、二次混炼、造粒。本发明提供的制备方法简便，步骤较少，且制得的PA6复合材料的各项物理机械性能优异，成型流动性良好，使用该复合材料生产的成型件的表面光滑，能够有效解决添加由CF后PA6性能降低的问题。

Description

一种车用碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及汽车复合材料领域，更具体地说，它涉及一种车用碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法。
背景技术
碳纤维(CF)是含碳量高于90％的无机高分子材料，大多由有机纤维经碳化处理制得密度小、比强度和比模量高、导热、导电的材料，由此CF常作为高性能复合材料的增强材料。轻便耐用的通信卫星、大型喷气式飞机等现代航空航天技术以及超级跑车的问世都归功于碳纤维低密度下的高强度和高刚性。
目前碳纤维增强尼龙66复合材料(PA6/CF)的研究应用十分活跃二者复合可充分发挥各自优势，使材料的强度与刚性明显好于纯尼龙，与玻纤增强的复合材料相比，各方面性能也都有大幅度提高。
但是，添加CF后，CF的加入阻碍了PA6分子链流动，使得体系黏度增大，复合材料的流动性降低，从而导致零件的表观不良，会有明显的纤维状。因此，如何解决CF导致的PA6性能弱化，成为了行业内迫切需要解决的一大难题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种车用碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法，具有工艺简便，材料的各项物理机械性能优异，成型流动性良好、成型件的表面光滑的优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种车用碳纤维增强尼龙复合材料，由下述重量份的原料制成：68～99份PA6，0～30份碳纤维，0～3份流动性改善剂，0～15份无定型聚酰胺，0～1份抗氧剂，0～1份润滑剂，0～1份炭黑。
采用上述技术方案，PA6作为基材具有机械强度高的优点，使得由此材料制成的成型件具有较强的韧性及硬度，能够应对较大的冲击；通过加入碳纤维能够进一步增强复合材料的机械强度和刚性，有助于提高PA6材料的综合性能；通过加入流动性改善剂，能够提高添加有碳纤维之后的PA6材料熔融状态下的流动性，改善添加有碳纤维之后的PA6材料流动性降低的问题，有助于降低碳纤维增强尼龙复合材料的加工难度，便于提高成型件的质量及成型件加工的良品率；通过加入无定型聚酰胺，能够改变PA6的成核方式，有助于提高成型件的表面光洁度，从而使所制备的复合材料及其加工的成型件的表观性能更佳；通过加入抗氧剂能够提升复合材料的耐老化性能，减缓该复合材料在自然环境下的老化进程；通过加入润滑剂，能够进一步提升由该复合材料加工的成型件的表面光洁度。
进一步，所述PA6的粘度为2.4，分子量范围为15000～2000。
采用上述技术方案，经过研究测试可得，此参数区间内的PA6的加工性能最好，更易与所选用的添加剂融合，具有最好的相容性。
进一步，所述流动性改善剂为结构不完全规整的超支化高分子聚合物。
采用上述技术方案，
进一步，所述无定型聚酰胺的分子链含多个侧基及芳香族环状结构。
采用上述技术方案，由于无定型聚酰胺的分子链含多个侧基及芳香族环状结构，这些结构能够破坏无定型聚酰胺的分子链规整性，并借此破坏PA分子链间的氢键，能够有效地降低PA6的结晶速率和结晶度，因此能够改变PA6的成核方式，有助于提高所制备的复合材料及由其加工的成型件的表面光洁度，从而使所制备的复合材料及由其加工的成型件的表观性能更佳。
进一步，所述抗氧剂为有机铜盐类热稳定剂。
采用上述技术方案，经过研究发现，有机铜盐类热稳定剂是最契合PA6的抗氧剂，能够有效防止或延缓PA6的热老化，增强PA6复合材料的耐老化性能，且此类抗氧剂还能够增强复合材料内各组分的相容性，有助于使复合材料中各组分的混合及结合更加均匀稳定。
进一步，所述润滑剂选为极性共聚物类润滑剂。
采用上述技术方案，极性共聚物类润滑剂与PA6有着最优的相容性，能够有效降低成型件脱模时的难度，有助于进一步提高成型件的表面光洁度，且能够降低成型加工工艺的难度。
进一步，所述炭黑的粒径范围为5～10mm。
采用上述技术方案，在此粒径范围内的炭黑与PA6基材具有最好的相容度，能够均匀地对PA6的颜色进行改善，颜色改善效果极佳，能够有效降低复合材料成型件的表面颗粒感，有助于提升成型件的表观性能。
一种车用碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、备料：按照配方重量份称取各原料备用；
S2、预混料：将S1中原料逐一加入高速混合机中搅拌，得到混合料；
S3、初步混炼：将S2中得到的混合料加入双螺杆挤出机的主喂料口，熔融共炼，得到初步熔融共混物；
S4、二次混炼：碳纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，与S3中得到的初步熔融共混物继续熔融共炼，得到熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料；
S5、造粒：将S4中的熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料挤出造粒，得到固态颗粒状的车用碳纤维增强尼龙复合材料。
进一步，所述S3中熔炼温度范围为230～260℃。
进一步，所述S4中熔炼温度范围为230～260℃。
采用上述技术方案，通过初步混炼能够得到流动性良好的初步熔融共混物，便于更好地向复合材料中添加碳纤维，二次混炼的目的是向流动性良好的初步熔融共混物中添加用于改性的碳纤维，能够从工艺层面提高碳纤维的混合均匀度，进一步解决碳纤维导致的PA6性能弱化的问题。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.本发明使用结构不完全规整的超支化高分子聚合物作为流动性改善剂，用于改性碳纤维增强尼龙复合材料，使得该复合材料流动性能大大提高，使该复合材料的加工难度降低，使成型件的表面光洁度提高；
2.本发明选用无定型聚酰胺作为改性剂，能够破坏PA6分子链间的氢键，以降低PA6的结晶速率、结晶度，并且在某种程度上改变了PA6的成核方式，从而所制备的复合材料及其加工获得的成型件的表观性能更佳。
3.本发明提供的制备方法步骤较少，工艺难度低，且所选取的原料价格较低，综合效益高。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进行详细描述。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，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，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例1
一种车用碳纤维增强尼龙复合材料，由下述重量份的原料制成：
77.5份PA6，30份碳纤维，0.5份流动性改善剂，0.5份抗氧剂，0.5份润滑剂，1份炭黑。
其制备方法如下：
S1、备料：按照配方重量份逐一称取各原料备用；
S2、预混料：将PA6、流动性改善剂、抗氧剂、润滑剂、炭黑加入高速混合机中搅拌10min，得到混合料；
S3、初步混炼：将S2中得到的混合料加入双螺杆挤出机的主喂料口，先预加热5分钟，使螺杆各区的温度达到230℃，在此温度下以450转/分的螺杆转速熔融共炼，得到初步熔融共混物；
S4、二次混炼：碳纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，使螺杆各区的温度达到240℃，在此温度下以480转/分的螺杆转速，与S3中得到的初步熔融共混物继续熔融共炼，得到熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料；
S5、造粒：将S4中的熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料挤出造粒，得到固态颗粒状的车用碳纤维增强尼龙复合材料。
实施例2
一种车用碳纤维增强尼龙复合材料，由下述重量份的原料制成：
77份PA6，30份碳纤维，1份流动性改善剂，0.5份抗氧剂，0.5份润滑剂，1份炭黑。
其制备方法如下：
S1、备料：按照配方重量份逐一称取各原料备用；
S2、预混料：将PA6、流动性改善剂、抗氧剂、润滑剂、炭黑加入高速混合机中搅拌10min，得到混合料；
S3、初步混炼：将S2中得到的混合料加入双螺杆挤出机的主喂料口，先预加热5分钟，使螺杆各区的温度达到230℃，在此温度下以450转/分的螺杆转速熔融共炼，得到初步熔融共混物；
S4、二次混炼：碳纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，使螺杆各区的温度达到240℃，在此温度下以480转/分的螺杆转速，与S3中得到的初步熔融共混物继续熔融共炼，得到熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料；
S5、造粒：将S4中的熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料挤出造粒，得到固态颗粒状的车用碳纤维增强尼龙复合材料。
实施例3
一种车用碳纤维增强尼龙复合材料，由下述重量份的原料制成：
76份PA6，30份碳纤维，2份流动性改善剂、0.5份抗氧剂，0.5份润滑剂，1份炭黑。
其制备方法如下：
S1、备料：按照配方重量份逐一称取各原料备用；
S2、预混料：将PA6、流动性改善剂、抗氧剂、润滑剂、炭黑加入高速混合机中搅拌10min，得到混合料；
S3、初步混炼：将S2中得到的混合料加入双螺杆挤出机的主喂料口，先预加热5分钟，使螺杆各区的温度达到230℃，在此温度下以450转/分的螺杆转速熔融共炼，得到初步熔融共混物；
S4、二次混炼：碳纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，使螺杆各区的温度达到240℃，在此温度下以480转/分的螺杆转速，与S3中得到的初步熔融共混物继续熔融共炼，得到熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料；
S5、造粒：将S4中的熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料挤出造粒，得到固态颗粒状的车用碳纤维增强尼龙复合材料。
实施例4
一种车用碳纤维增强尼龙复合材料，由下述重量份的原料制成：
75份PA6，30份碳纤维，3份流动性改善剂，0.5份抗氧剂，0.5份润滑剂，1份炭黑。
其制备方法如下：
S1、备料：按照配方重量份逐一称取各原料备用；
S2、预混料：将PA6、流动性改善剂、抗氧剂、润滑剂、炭黑加入高速混合机中搅拌10min，得到混合料；
S3、初步混炼：将S2中得到的混合料加入双螺杆挤出机的主喂料口，先预加热5分钟，使螺杆各区的温度达到230℃，在此温度下以450转/分的螺杆转速熔融共炼，得到初步熔融共混物；
S4、二次混炼：碳纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，使螺杆各区的温度达到240℃，在此温度下以480转/分的螺杆转速，与S3中得到的初步熔融共混物继续熔融共炼，得到熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料；
S5、造粒：将S4中的熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料挤出造粒，得到固态颗粒状的车用碳纤维增强尼龙复合材料。
实施例5
一种车用碳纤维增强尼龙复合材料，由下述重量份的原料制成：
71份PA6，30份碳纤维，5份无定型聚酰胺，2份流动性改善剂，0.5份抗氧剂，0.5份润滑剂，1份炭黑。
其制备方法如下：
S1、备料：按照配方重量份逐一称取各原料备用；
S2、预混料：将PA6、无定型聚酰胺加入高速混合机中搅拌10min，而后再加入流动性改善剂、抗氧剂、润滑剂、炭黑继续搅拌10min，得到混合料；
S3、初步混炼：将S2中得到的混合料加入双螺杆挤出机的主喂料口，先预加热5分钟，使螺杆各区的温度达到230℃，在此温度下以450转/分的螺杆转速熔融共炼，得到初步熔融共混物；
S4、二次混炼：碳纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，使螺杆各区的温度达到240℃，在此温度下以480转/分的螺杆转速，与S3中得到的初步熔融共混物继续熔融共炼，得到熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料；
S5、造粒：将S4中的熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料挤出造粒，得到固态颗粒状的车用碳纤维增强尼龙复合材料。
实施例6
一种车用碳纤维增强尼龙复合材料，由下述重量份的原料制成：
68份PA6，30份碳纤维，8份无定型聚酰胺，2份流动性改善剂，0.5份抗氧剂，0.5份润滑剂，1份炭黑。
其制备方法如下：
S1、备料：按照配方重量份逐一称取各原料备用；
S2、预混料：将PA6、无定型聚酰胺加入高速混合机中搅拌10min，而后再加入流动性改善剂、抗氧剂、润滑剂、炭黑继续搅拌10min，得到混合料；
S3、初步混炼：将S2中得到的混合料加入双螺杆挤出机的主喂料口，先预加热5分钟，使螺杆各区的温度达到230℃，在此温度下以450转/分的螺杆转速熔融共炼，得到初步熔融共混物；
S4、二次混炼：碳纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，使螺杆各区的温度达到240℃，在此温度下以480转/分的螺杆转速，与S3中得到的初步熔融共混物继续熔融共炼，得到熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料；
S5、造粒：将S4中的熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料挤出造粒，得到固态颗粒状的车用碳纤维增强尼龙复合材料。
实施例7
一种车用碳纤维增强尼龙复合材料，由下述重量份的原料制成：
66份PA6，30份碳纤维，10份无定型聚酰胺，2份流动性改善剂，0.5份抗氧剂，0.5份润滑剂，1份炭黑。
其制备方法如下：
S1、备料：按照配方重量份逐一称取各原料备用；
S2、预混料：将PA6、无定型聚酰胺加入高速混合机中搅拌10min，而后再加入流动性改善剂、抗氧剂、润滑剂、炭黑继续搅拌10min，得到混合料；
S3、初步混炼：将S2中得到的混合料加入双螺杆挤出机的主喂料口，先预加热5分钟，使螺杆各区的温度达到230℃，在此温度下以450转/分的螺杆转速熔融共炼，得到初步熔融共混物；
S4、二次混炼：碳纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，使螺杆各区的温度达到240℃，在此温度下以480转/分的螺杆转速，与S3中得到的初步熔融共混物继续熔融共炼，得到熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料；
S5、造粒：将S4中的熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料挤出造粒，得到固态颗粒状的车用碳纤维增强尼龙复合材料。
实施例8
一种车用碳纤维增强尼龙复合材料，由下述重量份的原料制成：
64份PA6，30份碳纤维，12份无定型聚酰胺，2份流动性改善剂，0.5份抗氧剂，0.5份润滑剂，1份炭黑。
其制备方法如下：
S1、备料：按照配方重量份逐一称取各原料备用；
S2、预混料：将PA6、无定型聚酰胺加入高速混合机中搅拌10min，而后再加入流动性改善剂、抗氧剂、润滑剂、炭黑继续搅拌10min，得到混合料；
S3、初步混炼：将S2中得到的混合料加入双螺杆挤出机的主喂料口，先预加热5分钟，使螺杆各区的温度达到230℃，在此温度下以450转/分的螺杆转速熔融共炼，得到初步熔融共混物；
S4、二次混炼：碳纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，使螺杆各区的温度达到240℃，在此温度下以480转/分的螺杆转速，与S3中得到的初步熔融共混物继续熔融共炼，得到熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料；
S5、造粒：将S4中的熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料挤出造粒，得到固态颗粒状的车用碳纤维增强尼龙复合材料。
实施例9
一种车用碳纤维增强尼龙复合材料，由下述重量份的原料制成：
61份PA6，30份碳纤维，15份无定型聚酰胺，2份流动性改善剂，0.5份抗氧剂，0.5份润滑剂，1份炭黑。
其制备方法如下：
S1、备料：按照配方重量份逐一称取各原料备用；
S2、预混料：将PA6、无定型聚酰胺加入高速混合机中搅拌10min，而后再加入流动性改善剂、抗氧剂、润滑剂、炭黑继续搅拌10min，得到混合料；
S3、初步混炼：将S2中得到的混合料加入双螺杆挤出机的主喂料口，先预加热5分钟，使螺杆各区的温度达到230℃，在此温度下以450转/分的螺杆转速熔融共炼，得到初步熔融共混物；
S4、二次混炼：碳纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，使螺杆各区的温度达到240℃，在此温度下以480转/分的螺杆转速，与S3中得到的初步熔融共混物继续熔融共炼，得到熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料；
S5、造粒：将S4中的熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料挤出造粒，得到固态颗粒状的车用碳纤维增强尼龙复合材料。
对比例
根据以下重量份称取原料，制备对比材料1
78份PA6，30份碳纤维，0.5份抗氧剂，0.5份润滑剂，1份炭黑。
其制备方法如下：
S1、备料：按照配方重量份逐一称取各原料备用；
S2、预混料：将PA6、抗氧剂、润滑剂、炭黑加入高速混合机中搅拌10min，得到混合料；
S3、初步混炼：将S2中得到的混合料加入双螺杆挤出机的主喂料口，先预加热5分钟，使螺杆各区的温度达到230℃，在此温度下以450转/分的螺杆转速熔融共炼，得到初步熔融共混物；
S4、二次混炼：碳纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，使螺杆各区的温度达到240℃，在此温度下以480转/分的螺杆转速，与S3中得到的初步熔融共混物继续熔融共炼，得到熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料；
S5、造粒：将S4中的熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料挤出造粒，得到固态颗粒状的车用碳纤维增强尼龙复合材料。
实验例
将实施例1-9，对比例所制得的材料取样分别进行材料性能测试，测试结果如下表所示。
表1实施例1-9，对比例的样品材料性能测试结果汇总表
Figure BDA0003673016610000101
Figure BDA0003673016610000111
注：表面光洁度数据越高，说明表面越粗糙，越不光洁。
参见表1，对比实施例1和对比例可知，添加有流动性改善剂后，复合材料的成型流动性明显提升，且成型件的表面光洁度也得到了提升，但机械强度有所下降，说明流动性改善剂会对复合材料的机械强度造成一定的负面影响；对比实施例1-4，进一步证实了流动性改善剂虽然能够提高复合材料的成型流动性及其成型件的表面光洁度，但对复合材料的机械强度存在一定的降低；对比实施例3、5可知，进一步添加无定型聚酰胺后，复合材料的成型流动性得到了进一步的提升，且复合材料的机械强度也得到了提升，说明流动性改善剂与无定型聚酰胺存在协同作用，能够在保证复合材料机械强度的基础上提升复合材料的成型流动性；对比实施例5-9，进一步证实了流动性改善剂与无定型聚酰胺存在协同作用，能够在保证复合材料机械强度的基础上提升复合材料的成型流动性。
综上所述，流动性改善剂(结构不完全规整的超支化高分子聚合物)与无定型聚酰胺同时添加后，碳纤维改性尼龙复合材料的各项物理机械性能优异，且成型流动性良好，成型件的表面光滑。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种车用碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于，由下述重量份的原料制成：68～99份PA6，0～30份碳纤维，0～3份流动性改善剂，0～15份无定型聚酰胺，0～1份抗氧剂，0～1份润滑剂，0～1份炭黑。
2.根据权利要求1所述的一种车用碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于：所述PA6的粘度为2.4，分子量范围为15000～2000。
3.根据权利要求1所述的一种车用碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于：所述流动性改善剂为结构不完全规整的超支化高分子聚合物。
4.根据权利要求1所述的一种车用碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于：所述无定型聚酰胺的分子链含多个侧基及芳香族环状结构。
5.根据权利要求1所述的一种车用碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于：所述抗氧剂为有机铜盐类热稳定剂。
6.根据权利要求1所述的一种车用碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于：所述润滑剂选为极性共聚物类润滑剂。
7.根据权利要求1所述的一种车用碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于：所述炭黑的粒径范围为5～10mm。
8.一种制备权利要求1-7任一所述的一种车用碳纤维增强尼龙复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、备料：按照配方重量份称取各原料备用；
S2、预混料：将S2中原料逐一加入高速混合机中搅拌，得到混合料；
S3、初步混炼：将S3中得到的混合料加入双螺杆挤出机的主喂料口，熔融共炼，得到初步熔融共混物；
S4、二次混炼：碳纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，与S3中得到的初步熔融共混物继续熔融共炼，得到熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料；
S5、造粒：将S4中的熔融态车用碳纤维增强尼龙复合材料挤出造粒，得到固态颗粒状的车用碳纤维增强尼龙复合材料。
9.根据权利要求8所述的一种车用碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于：所述S3中熔炼温度范围为230～260℃。
10.根据权利要求8所述的一种车用碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于：所述S4中熔炼温度范围为230～260℃。
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