CN116640441A - 一种基于碳纤维增强的尼龙复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于碳纤维增强的尼龙复合材料，其特征在于：包括以下重量份原料：尼龙60‑90份和改性碳纤维10‑40份，所述改性碳纤维由表面正电改性的碳纤维浸泡在纳米二氧化硅的水悬浮液中经室温搅拌20‑50min自组装形成。本发明对碳纤维利用了层层自组装技术对其进行了表面改性，实现了在碳纤维表面组装有二氧化硅纳米颗粒，提高了碳纤维的表面粗糙程度，碳纤维表面组装的二氧化硅发挥“铆钉”的作用，可以使得碳纤维嵌合在尼龙基体中，进而提高了碳纤维和尼龙基料之间界面作用，提高了碳纤维对尼龙基体的增强作用的发挥，同时引入的纳米二氧化硅又可发挥颗粒填料的增强作用。
Description
技术领域
本发明属于高分子复合材料技术领域，具体地，涉及一种基于碳纤维增强的尼龙复合材料。
背景技术
尼龙复合材料是指以尼龙为基体材料，通过引入填料获得性能增强的复合材料。其中，尼龙是聚酰胺的俗称，是世界上出现的第一种合成纤维，具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性，且摩擦系数低，因此可以作为众多应用领域(如汽车制造、电子电气、航空航天等领域)的基体材料。碳纤维具有超高的比模量和比强度、密度低、无蠕变、耐高温、耐腐蚀特色，其作为填料广泛用于增强复合材料中。但是由于碳纤维表面呈现化学惰性，在制备复合材料后与树脂基体之间的相容性比较差，影响碳纤维对复合材料性能的增强。
基于此本发明提供了一种基于碳纤维增强的尼龙复合材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于碳纤维增强的尼龙复合材料。
本发明要解决的技术问题：解决现有碳纤维增强尼龙复合材料中碳纤维与尼龙提树脂相容性差的问题。
本发明的一个目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于碳纤维增强的尼龙复合材料，包括以下重量份原料：尼龙60-90份和改性碳纤维10-40份。
进一步地，所述尼龙为尼龙66、尼龙6中一种或两种任意比的混合。
进一步地，所述改性碳纤维由表面正电改性的碳纤维浸泡在纳米二氧化硅的水悬浮液(pH 6-8)中经室温搅拌20-50mi n自组装形成，在该步骤中利用表面正电改性的碳纤维表面的正电与二氧化硅水悬浮液所带的负电之间的静电作用，使得碳纤维表面组装有二氧化硅纳米颗粒，提高了碳纤纤维表面的粗糙程度，提高碳纤维和尼龙基料之间界面作用，同时组装的二氧化硅同样发挥填料增加的作用，进而使得改性碳纤维既可发挥线型填料增强作用，又可以发挥颗粒填料的增强作用。
进一步地，所述表面正电改性的碳纤维、纳米二氧化硅的水悬浮液的固液为1g:10-20mL。
进一步地，所述纳米二氧化硅的水悬浮液中二氧化硅的浓度为0.2-0.8g/mL。
进一步地，所述表面正电改性的碳纤维由除胶碳纤维浸泡在PDDA(聚二烯丙基二甲基氯化铵)水溶液，经室温搅拌25-40mi n包覆形成，在该过程中碳纤维表面包裹有PDDA膜，进而使得碳纤维表面带有正电。
进一步地，所述PDDA水溶液的浓度为1.5-2g/L，所述碳纤维、PDDA水溶液的固液为1g:15-20mL。
进一步地，所述基于碳纤维增强的尼龙复合材还包括3-8重量份加工助剂。
进一步地，所述加工助剂由丙烯酰胺和功能丙烯酰胺在叔丁醇中在温度65-70℃和引发剂作用下经过双键共聚反应形成的聚合物，其中，所述引发剂为偶氮二异丁腈、过氧化二苯甲酰中的一种。
进一步地，所述丙烯酰胺、功能丙烯酰胺、叔丁醇、引发剂的质量比为0.15-0.4:1:1.5-7:0.05-0.08。
进一步地，所述功能丙烯酰胺包括以下步骤制成：
A1、将丙烯酰胺和二氯甲烷混合均匀后，在0-3℃下缓慢滴加氯乙酰化2,4-二羟基二苯甲酮，并不断搅拌，滴加完全后，室温搅拌1.5-3h，停止反应，水洗、分液，有机相旋蒸，得第一反应物，其中，所述丙烯酰胺、氯乙酰化2,4-二羟基二苯甲酮的摩尔比为1:0.9-0.95，所述氯乙酰化2,4-二羟基二苯甲酮利用2,4-二羟基二苯甲酮中的醇羟基氢和氯乙酰氯中的酰氯反应获得，为促进该反应的进行反应体系中加入敷酸剂如三乙胺，该反应为本技术领域的常见反应，在本发明中共不再赘述；
A2、将第一反应物、氢化钠和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)混合均匀后，并在40-55℃下，搅拌活化1.5-2h，然后加入γ-氯丙基三甲氧基硅烷，在75-85℃下搅拌反应8-16h，停止反应，加入乙酸乙酯，依次用去离子水和饱和食盐水洗涤，减压蒸馏，即可，即得，所述第一反应物、氢化钠、γ-氯丙基三甲氧基硅烷的摩尔比为1:1.1-1.3:1-1.3。
本发明的有益效果：
为解决背景技术中提到的问题，本发明对碳纤维利用了层层自组装技术对其进行了表面改性，实现了在碳纤维表面组装有二氧化硅纳米颗粒，提高了碳纤维的表面粗糙程度，碳纤维表面组装的二氧化硅发挥“铆钉”的作用，可以使得碳纤维嵌合在尼龙基体中，进而提高了碳纤维和尼龙基料之间界面作用，提高了碳纤维对尼龙基体的增强作用的发挥，同时引入的纳米二氧化硅又可发挥颗粒填料的增强作用；
显著地是，本发明为进一步提高碳纤维与尼龙基体之间的界面作用，本发明引入了加工助剂，所述加工助剂由丙烯酰胺和功能丙烯酰胺共聚合形成的，其分子体系中含有氨基与尼龙基体(尼龙66和/或尼龙6)中的游离羧基发生化学键连(或与酰胺基发生氢键作用)，而其分子体系中的硅氧烷链则作为偶联剂易与改性碳纤维表面的二氧化硅发生偶联，使得加工助剂发挥大分子“桥梁”作用，进一步提高碳纤维与尼龙基体之间的界面作用，进一步促进改性碳纤维对尼龙复合材料的增强作用的发挥，即进一步提高所得尼龙复合材料的机械性能；所述加工助剂分子结构中还含有羟基二苯甲酮的结构，具有吸收紫外光的作用，能够赋予所得尼龙复合材料优异的耐紫外老化性能。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
改性碳纤维的制备：
B1、将除胶碳纤维浸泡在PDDA水溶液，经室温搅拌25mi n，取出碳纤维，洗涤，干燥，获得表面正电改性的碳纤维，其中，所述PDDA水溶液的浓度为1.5g/L，所述碳纤维、PDDA水溶液的固液为1g:15mL，所述除胶碳纤维依次用碱液浸泡和水洗涤、干燥后获得，为本领域技术人员熟知操作，在此处不再赘述；
B2、将表面正电改性的碳纤维浸泡在纳米二氧化硅的水悬浮液(pH6-8)中经室温搅拌20mi n，取出碳纤维，洗涤，干燥，即得，其中，所述表面正电改性的碳纤维、纳米二氧化硅的水悬浮液的固液为1g:10mL，所述纳米二氧化硅的水悬浮液中二氧化硅的浓度为0.2g/mL。
实施例2
改性碳纤维的制备：
B1、将除胶碳纤维浸泡在PDDA水溶液，经室温搅拌40mi n，取出碳纤维，洗涤，干燥，获得表面正电改性的碳纤维，其中，所述PDDA水溶液的浓度为2g/L，所述碳纤维、PDDA水溶液的固液为1g:20mL；
B2、将表面正电改性的碳纤维浸泡在纳米二氧化硅的水悬浮液(pH6-8)中经室温搅拌50mi n，取出碳纤维，洗涤，干燥，即得，其中，所述表面正电改性的碳纤维、纳米二氧化硅的水悬浮液的固液为1g:20mL，所述纳米二氧化硅的水悬浮液中二氧化硅的浓度为0.8g/mL。
实施例3
功能丙烯酰胺的制备：
A1、将0.1mo l丙烯酰胺和80mL二氯甲烷混合均匀后，在0-3℃下缓慢滴加0.09mol氯乙酰化2,4-二羟基二苯甲酮，并不断搅拌，滴加完全后，室温搅拌1.5h，停止反应，水洗、分液，有机相旋蒸，得第一反应物；
A2、将步骤A1获得的第一反应物、0.1mo l氢化钠和100mL DMF混合均匀后，并在40℃下，搅拌活化2h，然后加入0.1mo lγ-氯丙基三甲氧基硅烷，在75℃下搅拌反应16h，停止反应，加入乙酸乙酯，依次用去离子水和饱和食盐水洗涤，减压蒸馏，即可。
实施例4
功能丙烯酰胺的制备：
A1、将0.1mo l丙烯酰胺和80mL二氯甲烷混合均匀后，在0-3℃下缓慢滴加00.095mo l氯乙酰化2,4-二羟基二苯甲酮，并不断搅拌，滴加完全后，室温搅拌3h，停止反应，水洗、分液，有机相旋蒸，得第一反应物；
A2、将步骤A1获得的第一反应物、1.1mo l氢化钠和100mL DMF混合均匀后，并在55℃下，搅拌活化1.5h，然后加入1.1mo lγ-氯丙基三甲氧基硅烷，在85℃下搅拌反应8h，停止反应，加入乙酸乙酯，依次用去离子水和饱和食盐水洗涤，减压蒸馏，即可。
实施例5
加工助剂的制备：
将15g丙烯酰胺、100g实施例3制备的功能丙烯酰胺和150g叔丁醇混合均匀后，加热至65℃，然后加入5g引发剂，其中，所述引发剂为偶氮二异丁腈。
实施例6
加工助剂的制备：
将40g丙烯酰胺、100g实施例4制备的功能丙烯酰胺和700g叔丁醇混合均匀后，加热至70℃，然后加入8g引发剂，其中，所述引发剂为过氧化苯甲酰。
实施例7
基于碳纤维增强的尼龙复合材料的制备：
第一步、取以下重量份原料：尼龙60份和实施例1制备的改性碳纤维40份；
第二步、造粒：尼龙加入挤出机中，通过侧口加入改性碳纤维，经挤出、造粒，即得。
实施例8
基于碳纤维增强的尼龙复合材料的制备：
第一步、取以下重量份原料：尼龙80份和实施例2制备的改性碳纤维20份；
第二步、造粒：尼龙加入挤出机中，通过侧口加入改性碳纤维，经挤出、造粒，即得。
实施例9
基于碳纤维增强的尼龙复合材料的制备：
第一步、取以下重量份原料：尼龙90份和实施例1制备的改性碳纤维10份；
第二步、造粒：尼龙加入挤出机中，通过侧口加入改性碳纤维，经挤出、造粒，即得。
实施例10
基于碳纤维增强的尼龙复合材料的制备：
第一步、取以下重量份原料：尼龙60份、实施例1制备的改性碳纤维40份和实施例5制备的加工助剂8份；
第二步、造粒：尼龙和加工助剂混合均匀后加入挤出机中，通过侧口加入改性碳纤维，经挤出、造粒，即得。
实施例11
基于碳纤维增强的尼龙复合材料的制备：
第一步、取以下重量份原料：尼龙80份、实施例2制备的改性碳纤维20份和和实施例6制备的加工助剂5份；
第二步、造粒：尼龙和加工助剂混合均匀后加入挤出机中，通过侧口加入改性碳纤维，经挤出、造粒，即得。
实施例12
基于碳纤维增强的尼龙复合材料的制备：
第一步、取以下重量份原料：尼龙90份、实施例1制备的改性碳纤维10份和和实施例5制备的加工助剂3份；
第二步、造粒：尼龙和加工助剂混合均匀后加入挤出机中，通过侧口加入改性碳纤维，经挤出、造粒，即得。
对比例1
尼龙复合材料的制备：
与实施例7相比，将原料中的改性碳纤维等量份替换成碳纤维，其余相同。
对比例2
尼龙复合材料的制备：
与实施例8相比，将原料中的改性碳纤维等量份替换成碳纤维，其余相同。
实施例13
对实施例7-12和对比例1-2获得的尼龙复合材料的粒料经过成型工艺制成板材进行物性测试，所述的测试结果如表1所示。
表1
| 拉伸强度 | 断裂伸长率 | 缺口冲击强度 | 耐紫外老化(168h) | |
| 测试标准 | ISO 527 | ISO 527 | ISO 180 | GB/T 16422.3 |
| 单位 | Mpa | ％ | KJ/m2 | ％(拉伸强度下降率) |
| 实施例7 | 56 | 116 | 27 | 14.5 |
| 实施例8 | 51 | 120 | 25 | 15.1 |
| 实施例9 | 46 | 134 | 24 | 14.8 |
| 实施例10 | 72 | 168 | 35 | 1.3 |
| 实施例11 | 68 | 160 | 33 | 1.4 |
| 实施例12 | 63 | 153 | 30 | 1.6 |
| 对比例1 | 30 | 82 | 15 | 15.4 |
| 对比例2 | 41 | 166 | 20 | 1.3 |
从表1中的数据可知，实施例7-10和实施例10-12对比可知，加工助剂的添加不但提高了尼龙复合材料的拉伸强度、冲击口强度和耐紫外老化性能，且尼龙复合材料的断裂伸长率并未出现降低现象，这说明加工助剂的添加不但促进了改性碳纤维对复合尼龙材料增强作用的发挥，以及提高尼龙复合材料的耐紫外老化性能，且因加工助剂的引入而增加了复合体系的氢键作用，进而尼龙复合材料的断裂伸长率并未出现大幅降低的现象；
实施例7和对比例1的对比可知，改性碳纤维的引入要强于碳纤维引入的增强效果；
实施例8和对比例2的对比可知，在加工助剂的存在下，改性碳纤维的引入要强于碳纤维引入的增强效果。
在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于碳纤维增强的尼龙复合材料，其特征在于：包括以下重量份原料：尼龙60-90份和改性碳纤维10-40份；
所述改性碳纤维由表面正电改性的碳纤维浸泡在纳米二氧化硅的水悬浮液中经室温搅拌20-50min自组装形成。
2.根据权利要求1所述的一种基于碳纤维增强的尼龙复合材料，其特征在于：所述表面正电改性的碳纤维、纳米二氧化硅的的水悬浮液的固液比为1g:10-20mL。
3.根据权利要求1所述的一种基于碳纤维增强的尼龙复合材料，其特征在于：所述纳米二氧化硅的水悬浮液中二氧化硅的浓度为0.2-0.8g/mL。
4.根据权利要求1所述的一种基于碳纤维增强的尼龙复合材料，其特征在于：所述表面正电改性的碳纤维由除胶碳纤维浸泡在PDDA水溶液，经室温搅拌25-40min包覆形成。
5.根据权利要求4所述的一种基于碳纤维增强的尼龙复合材料，其特征在于：所述PDDA水溶液的浓度为1.5-2g/L，所述碳纤维、PDDA水溶液的固液为1g:15-20mL。
6.根据权利要求1所述的一种基于碳纤维增强的尼龙复合材料，其特征在于：还包括3-8重量份加工助剂；
所述加工助剂由丙烯酰胺和功能丙烯酰胺在叔丁醇中在温度65-70℃和引发剂作用下经过双键共聚反应形成的聚合物。
7.根据权利要求6所述的一种基于碳纤维增强的尼龙复合材料，其特征在于：所述丙烯酰胺、功能丙烯酰胺、叔丁醇、引发剂的质量比为0.15-0.4:1:1.5-7:0.05-0.08。
8.根据权利要求6所述的一种基于碳纤维增强的尼龙复合材料，其特征在于：所述功能丙烯酰胺包括以下步骤制成：
A1、将丙烯酰胺和二氯甲烷混合均匀后，在0-3℃下缓慢滴加氯乙酰化2,4-二羟基二苯甲酮，并不断搅拌，滴加完全后，室温搅拌1.5-3h，停止反应，经后处理，得第一反应物；
A2、将第一反应物、氢化钠和DMF混合均匀后，并在40-55℃下，搅拌活化1.5-2h，然后加入γ-氯丙基三甲氧基硅烷，在75-85℃下搅拌反应8-16h，停止反应，经后处理，即得。
9.根据权利要求8所述的一种基于碳纤维增强的尼龙复合材料，其特征在于：所述丙烯酰胺、氯乙酰化2,4-二羟基二苯甲酮的摩尔比为1:0.9-0.95。
10.根据权利要求8所述的一种基于碳纤维增强的尼龙复合材料，其特征在于：所述第一反应物、氢化钠、γ-氯丙基三甲氧基硅烷的摩尔比为1:1.1-1.3:1-1.3。
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|---|---|---|---|---|
| KR20110076281A (ko) * | 2009-12-29 | 2011-07-06 | 인하대학교 산학협력단 | 기계적 계면 강도가 강화된 탄소섬유강화 복합재 제조방법 |
| CN106433107A (zh) * | 2016-08-30 | 2017-02-22 | 华东交通大学 | 一种高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒及制备方法 |
| CN112522956A (zh) * | 2019-09-19 | 2021-03-19 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 二氧化硅微球改性多尺度杂化碳纤维及其制备方法和应用 |
| CN114277578A (zh) * | 2021-12-13 | 2022-04-05 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种可热解回收利用的多层复合碳纤维及其制备方法 |
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