CN115816927A

CN115816927A - 一种三维结构碳纤维增强热塑性复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN115816927A
Application number: CN202310133474.2A
Authority: CN
Inventors: 刘雪强; 张长琦; 杨涵; 沈灿铎; 王侨; 王杰
Original assignee: Institute of Systems Engineering of PLA Academy of Military Sciences
Current assignee: Institute of Systems Engineering of PLA Academy of Military Sciences
Priority date: 2023-02-20
Filing date: 2023-02-20
Publication date: 2023-03-21
Anticipated expiration: 2043-02-20
Also published as: CN115816927B

Abstract

本发明提供了一种三维结构碳纤维增强热塑性复合材料及其制备方法。包括：将短切碳纤维和热塑性树脂基纤维混合均匀，通过针刺模压得到自制的碳纤维毡材，将所得碳纤维毡材与无纺布结合，得到三维结构碳纤维增强热塑性复合材料。本发明通过自制的碳纤维毡材与无纺布结合制备出三维结构的复合板材具有更强的抗冲击性能，该复合板具有环保性能好、质量轻、刚度强度高、吸音降噪、用途广泛等特点。可广泛应用于汽车行业，建筑行业等领域，具有良好的应用前景。

Description

一种三维结构碳纤维增强热塑性复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种三维结构碳纤维增强热塑性复合材料及其制备方法。

背景技术

随着社会的进步，人们对环保、节能、节材等需求不断提高，对建筑装饰材料、汽车材料的要求也越来越高，市场竞争激烈。环保、低成本、高性能是该系列材料发展的趋势。现在碳纤维复合板材先制备成预制体而后模压成型，层与层间仅靠树脂粘接，致使层间强度低、抗冲击能力弱，容易发生分层破坏，这些限制了碳纤维增强热塑性树脂复合材料的进一步发展和应用。

现有纤维增强热塑性树脂复合材料多是二维结构，存在层间强度低、抗冲击能力弱，容易发生分层破坏的缺陷。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种三维结构碳纤维增强热塑性复合材料及其制备方法，该复合材料有较好的层间强度、抗冲击能力，不容易发生分层破坏、抗静电性、界面相容性好、增强纤维与树脂基体分布均匀等优势。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明所述三维结构碳纤维增强热塑性复合材料通过包括如下步骤的方法制备得到：

将短切碳纤维和热塑性树脂基纤维混合均匀，通过针刺模压得到自制的碳纤维毡材，将所得碳纤维毡材与无纺布结合，得到三维结构碳纤维增强热塑性复合材料。

其中，通过一种悬浮液将所述短切碳纤维和热塑性树脂基纤维混合均匀，所述悬浮液包括改性剂、纳米颗粒和非离子表面活性剂。

所述碳纤维为PAN基碳纤维、沥青基碳纤维、人造丝碳纤维、回收碳纤维中的至少一种；

所述碳纤维的长度可为30-80mm，优选为40mm；

所述热塑性树脂基纤维为尼龙纤维、聚醚醚酮纤维、聚丙烯纤维、聚乳酸纤维、超高分子量聚乙烯纤维的一种或几种；

所述热塑性树脂基纤维具体可为：尼龙纤维、聚醚醚酮纤维、聚丙烯纤维、聚乳酸纤维中的任一种与超高分子量聚乙烯纤维的混合物，两者的质量比可为34-56:4-6;

更具体可为：尼龙纤维与超高分子量聚乙烯纤维的混合物，其中，尼龙66树脂基纤维与超高分子量聚乙烯纤维的质量比为34:6；或聚乳酸树脂与超高分子量聚乙烯纤维的混合物，其中，聚乳酸树脂与超高分子量聚乙烯纤维的质量比为45:5；或聚丙烯树脂基纤维与超高分子量聚乙烯纤维的混合物，其中，聚丙烯树脂基纤维与超高分子量聚乙烯纤维的质量比为56:4。

所述热塑性树脂基纤维的纤度为0.1-0.7dext，优选为0.5dext，长度为30-80mm，优选为50mm；

所述悬浮液中改性剂为KH550，KH560,KH570中的一种或几种的组合；

所述悬浮液中纳米颗粒为碳纳米管、纳米二氧化硅、氧化石墨烯中的一种或几种的组合；

所述悬浮液中非离子表面活性剂为Triton X-100、聚乙二醇、Triton中的一种或多种；

通过将改性剂溶解到乙醇和去离子水配制的混合溶剂中，加入纳米颗粒和非离子表面活性剂，得到悬浮液，将所述短切碳纤维和热塑性树脂基纤维加入所得悬浮液中，通过超声波装置和机械臂搅动混合均匀。

其中，乙醇和去离子水以质量比80-95：5-20（具体可为95:5）混合配制混合溶剂；

所得悬浮液中，改性剂的质量浓度为1%-5%，具体可为3%；

纳米颗粒的质量浓度为0.1%-0.4%，具体可为0.2%；

非离子表面活性剂的质量浓度为0.1%-3%；

具体地，Triton X-100的质量浓度范围为0.1%-0.3%，具体可为0.125%，PEG-100000的质量浓度范围为1%-3%，具体可为1.25%；

悬浮液中总的纤维的质量浓度为0.01wt%-5wt%；

短切碳纤维与热塑性树脂基纤维的比例为20%-80%：80%-20%。

所得碳纤维毡材中，碳纤维的含量为20％-80%；

所述碳纤维毡材与无纺布结合的操作为：将无纺布与碳纤维毡材以三维结构铺放，模压，冷却，得到三维结构碳纤维增强热塑性复合材料。

所述碳纤维毡材与无纺布以多层形式结合，如三层、四层、五层等；

所述碳纤维毡材与无纺布以五层形式结合，三维结构的铺放形式为：将无纺布放在下面，碳纤维毡材铺在无纺布上，而后铺一层无纺布再铺一层碳纤维毡材最后再铺一层无纺布，即可；

所述无纺布为热塑性树脂基无纺布；

在模压前，在膜片上铺上脱模布；将模压机预热达到需要温度，而后进行模压，模压时间0.5-10min，具体可为5min；加热温度100-400℃，具体可为200℃。

所得三维结构碳纤维增强热塑性复合材料的厚度可为1-10mm，具体可为2mm。

所述脱模布为锡纸。

本发明通过自制的碳纤维毡材与无纺布结合制备出三维结构的复合板材具有更强的抗冲击性能，该复合板具有环保性能好、质量轻、刚度强度高、吸音降噪、用途广泛等特点。可广泛应用于汽车行业，建筑行业等领域，具有良好的应用前景。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。以下提供的实施例可作为本技术领域普通技术人员进行进一步改进的指南，并不以任何方式构成对本发明的限制。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中热塑性树脂基纤维的纤度为0.5dext，长度为50mm。

实施例1

悬浮液配制：乙醇和去离子水95:5质量比配制混合溶剂，将KH560溶解在混合溶剂中，其浓度为3％，加入0.2％碳纳米管颗粒并加入0.125％Triton X-100和1.25％聚乙二醇。

将60％短切碳纤维、34％尼龙66树脂基纤维和6％超高分子量聚乙烯纤维加入悬浮液中，悬浮液中总的纤维的质量浓度为1wt%，通过超声波装置和机械臂搅动混合均匀，通过针刺模压得到自制的碳纤维毡材，碳纤维含量为60％；

无纺布（为尼龙66树脂）放在下面，碳纤维毡材铺在无纺布上，而后铺一层无纺布再铺一层碳纤维毡材最后再铺一层无纺布，模压（在模压前，在膜片上铺上锡纸，将模压机预热达到需要温度，而后进行模压，模压时间5min；加热温度200℃），冷却，得到五层三维结构碳纤维增强热塑性复合材料（2mm）。

实施例2

将50％短切碳纤维、45％聚乳酸树脂和5％超高分子量聚乙烯纤维加入悬浮液中，悬浮液中总的纤维的质量浓度为1wt%，通过超声波装置和机械臂搅动混合均匀，通过针刺模压得到自制的碳纤维毡材，碳纤维含量为50％。

将无纺布（为聚乳酸树脂）放在下面，碳纤维毡材铺在无纺布上，而后铺一层无纺布再铺一层碳纤维毡材最后再铺一层无纺布，模压（在模压前，在膜片上铺上锡纸，将模压机预热达到需要温度，而后进行模压，模压时间5min；加热温度200℃），冷却，得到五层三维结构的碳纤维复合材料（2mm）。

实施例3

将40％短切碳纤维、56％聚丙烯树脂基纤维和4％超高分子量聚乙烯纤维加入悬浮液中，悬浮液中总的纤维的质量浓度为1wt%，通过超声波装置和机械臂搅动混合均匀，通过针刺模压得到自制的碳纤维毡材，碳纤维含量为40％；

将无纺布（为聚丙烯树脂）放在下面，碳纤维毡材铺在无纺布上，而后铺一层无纺布再铺一层碳纤维毡材最后再铺一层无纺布，模压（在模压前，在膜片上铺上锡纸，将模压机预热达到需要温度，而后进行模压，模压时间5min；加热温度200℃），冷却，得到五层三维结构碳纤维增强热塑性复合材料（2mm）。

表1实施例1-3制备的碳纤维增强树脂复合材料性能测试数据

实施例	复合板	毡材的碳纤维比例	拉伸强度（MPa）	弯曲强度（MPa）	冲击强度（KJ/m<sup>2</sup>）
						实施例1	碳纤维+PA66+UHMWPE(2mm)	60％	239	315	125
实施例2	碳纤维+PLA+UHMWPE(2mm)	50％	134	203	79
						实施例3	碳纤维+pp+UHMWPE(2mm)	40％	158	254	92

本发明以自制的碳纤维毡材和无纺布（热塑性树脂）结合为三维结构，由其较高的抗冲击性能和弯曲性能可知，通过此方法可以得到性能优异的碳纤维增强热塑性复合材料。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种制备三维结构碳纤维增强热塑性复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：将短切碳纤维和热塑性树脂基纤维混合均匀，通过针刺模压得到自制的碳纤维毡材，将所得碳纤维毡材与无纺布结合，得到三维结构碳纤维增强热塑性复合材料，

其中，通过一种悬浮液将所述短切碳纤维和热塑性树脂基纤维混合均匀，所述悬浮液包括改性剂，纳米颗粒和非离子表面活性剂。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述悬浮液中改性剂为KH550，KH560,KH570中的一种或几种；

所述纳米颗粒为碳纳米管、纳米二氧化硅、氧化石墨烯中的一种或几种；

所述非离子表面活性剂为Triton X-100、聚乙二醇、Triton中的一种或多种；

通过将改性剂溶解到乙醇和去离子水配制的混合溶剂中，加入纳米颗粒和非离子表面活性剂，得到悬浮液，将所述短切碳纤维和热塑性树脂基纤维加入所得悬浮液中，通过超声波装置和机械臂搅动混合均匀，即可。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：乙醇和去离子水以质量比80-95：5-20混合配制混合溶剂；

所得悬浮液中，改性剂的质量浓度为1%-5%；

纳米颗粒的质量浓度为0.1%-0.4%；

非离子表面活性剂的质量浓度为0.1%-3%；

悬浮液中总的纤维的质量浓度为0.01wt%-5wt%

短切碳纤维与热塑性树脂基纤维的比例为20%-80%：80%-20%。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述碳纤维为PAN基碳纤维、沥青基碳纤维、人造丝碳纤维、回收碳纤维中的至少一种；

所述碳纤维的长度为30-80mm；

所述热塑性树脂基纤维的纤度为0.1-0.7dext，长度为30-80mm；

所得碳纤维毡材中，碳纤维的含量为20％-80%。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述碳纤维毡材与无纺布结合的操作为：将无纺布与碳纤维毡材以三维结构铺放，模压，冷却，得到三维结构碳纤维增强热塑性复合材料。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述碳纤维毡材与无纺布以多层形式结合，具体为三层、四层或五层。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述碳纤维毡材与无纺布以五层形式结合，三维结构铺放的形式为：将无纺布放在下面，碳纤维毡材铺在无纺布上，而后铺一层无纺布再铺一层碳纤维毡材最后再铺一层无纺布，即可。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述无纺布为热塑性树脂基无纺布；在模压前，在膜片上铺上脱模布；将模压机预热达到需要温度，而后进行模压，模压时间0.5-10min；加热温度100-400℃。

9.由权利要求1-8中任一项所述方法制备得到的三维结构碳纤维增强热塑性复合材料。

10.根据权利要求9所述的三维结构碳纤维增强热塑性复合材料，其特征在于：所述三维结构碳纤维增强热塑性复合材料的厚度为1-10mm。