CN1210117A

CN1210117A - 定向晶须增强聚合物基复合材料的生产工艺

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Publication number: CN1210117A
Application number: CN 98115763
Authority: CN
Inventors: 陈立富
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 1998-07-09
Filing date: 1998-07-09
Publication date: 1999-03-10
Anticipated expiration: 2018-07-09
Also published as: CN1068352C

Abstract

涉及一种聚合物基复合材料的生产工艺。首先将聚合物和晶须配制成晶须分散高度均匀的纺丝液,然后采用溶液纺丝技术形成纤维毛坯,纤维毛坯再按元件受力状态排列成所需的形状后热压或无压烧结,生产出晶须可控定向的聚合物基复合材料。本发明的生产工艺适用于生产晶须含量0～80%的所有热塑性聚合物基复合材料,其晶须分散均匀,未受损伤,且定向效果好。复合材料的强度、弹性模量和断裂延伸率较晶须无序分布的材料有大幅度的提高。

Description

定向晶须增强聚合物基复合材料的生产工艺

本发明涉及一种聚合物基复合材料的生产工艺。

晶须增强是提高材料强度、弹性模量和韧性的重要手段，在聚合物基复合材料中得到了广泛应用。目前聚合物基复合材料生产主要采用注射成型法，缺点是晶须分散差、晶须损伤严重及晶须随机取向。理论分析和实验表明，晶须的增强效果同其在基体中取向密切相关，只有当晶须取向得到严格控制时，才能使其优异的特性充分发挥出来。

工业增强用晶须尺寸一般为直径0.1～3μm，长度10～200μm，定向非常困难。文献报道的短纤维(包括晶须)定向方法有流延法(T.Yonezawa,Proc.First JapanInter.SAMPESymp.,1989:1131)、挤出法(Y.Goto,J.Amer.Ceram.Soc.,1993,76:1420)和液体流动定向法(A.R.Sanadi,J.Mater.Sci.,1985,20:421；H.Edwards,Proc.ICCM3,1980:1620)。

流延法是将聚合物溶解于溶剂中，然后将晶须和添加剂均匀分散其中制成黏稠的流体，在流延机上使其通过刮刀和基板间的窄缝。形成的厚膜经干燥、叠层和热压后得到复合材料。这种方法只能使晶须达到平面二维定向，复合材料的性能同晶须无序分布的材料相比提高不明显，但成本高，未能在生产上得到广泛应用。

挤出法是将聚合物溶解于溶剂中，然后将晶须和添加剂均匀地分散其中，捏和制成黏弹性坯料，在高压力下挤压通过细长孔道使晶须定向。挤出的纤维干燥并积聚在一起后热压制备复合材料。该法的缺点是由于挤压孔的直径大(＞1 mm)，挤压料的黏度大，晶须转向困难和不完全，尤其纤维芯部定向效果差；坯料捏和过程中晶须受到损伤；制备过程不连续，效率低，不适用于工业生产。

对短切玻璃纤维(长度为1～5mm)增强的聚合物基复合材料，一般采用液体流动定向法使短纤维定向。具体步骤是将短纤维分散于液体中(如甘油)，使其在压力下经过一细长的管道后从喷嘴挤出到基板上。所形成的湿毡经吸滤，冲洗和干燥后得到纤维定向的干燥毡。然后用基体材料制成的溶液进行浸渍处理、干燥和热压后制得复合材料。这种方法纤维定向效果较好，但工艺复杂、费用高，未能在生产上得到应用。

本发明的目的旨在提供一种对晶须实行可控定向、晶须分散均匀、不易受损的定向晶须增强聚合物基复合材料的生产工艺。用该工艺生产的复合材料的弹性模量、强度和断裂延伸率较晶须无序分布的材料有大幅度的提高。

本发明采用溶液纺丝工艺进行晶须定向。复合材料生产的工艺流程如下：将聚合物配制成溶液或悬浮液，在另一容器中，将晶须分散于上述聚合物溶液或悬浮液所使用的同种溶剂中，将这两部分液体混合均匀得到纺丝液；在压力下使纺丝液从喷丝板的微孔挤出，用湿法或干法使液流线固化；得到的纤维经热拉伸和干燥后获得纤维毛坯；将纤维毛坯排列成纤维预制体后热压或烧结获得定向晶须增强的复合材料。

聚合物溶液的配制是将聚合物溶解于该聚合物的良溶剂中，例如聚氯乙烯和聚甲醛用DMF(二甲基甲酰胺)作为溶剂；ABS树脂用丙酮；聚酰胺用甲酸或饱和氯化钙的甲醇溶液；聚砜、聚苯醚和聚碳酸脂用三氯甲烷。聚合物含量占溶液总质量的10％～45％。聚合物悬浮液是针对难溶聚合物而言，如聚四氟乙烯、聚苯硫醚和超高分子量聚乙烯。悬浮液是将聚合物粉末悬浮于另一聚合物携体溶液中配制而成，聚合物携体的含量占聚合物和晶须总质量5％～15％。所说的聚合物携体溶液为15％聚乙烯醇水溶液或15％二醋酸纤维素丙酮溶液。

本发明适用于任何晶须，如钛酸钾、碳化硅、硼酸铝、氧化铝。晶须的直径在0.1～5μm，最佳0.1～1μm；长度10～250μm，最佳15～100μm。晶须在使用前采用偶联剂处理，以增强晶须同聚合物的界面结合力，所说的偶联剂为硅烷偶联剂或钛酸脂偶联剂。处理步骤如下：将偶联剂溶解在异丙醇中，加入晶须并搅拌均匀后在50～100℃挥发除去异丙醇。为了纺丝的顺利进行和获得高性能的复合材料，首先要求制备晶须分散高度均匀的纺丝液。为了达到这个目的，将偶联剂处理后的晶须加入到聚合物溶液或悬浮液所使用的同种溶剂中，机械搅拌使晶须分散均匀，然后在机械搅拌下同上述的聚合物溶液或悬浮液共混均匀，得到纺丝液。晶须的含量占晶须和聚合物总质量的0～80％，最好15％～50％。纺丝压力根据纺丝液的黏度和晶须的含量而不同，一般在2～200 KPa。喷丝板的孔径小于1 mm，最佳在250～400μm。喷丝板的孔数可以为1～200。

从喷丝板挤压出来的液流线可采用湿纺或干纺两种不同的固化方式。湿纺是使它经过装有非溶剂的固化池，由于溶剂和非溶剂的相互扩散使聚合物沉淀出来形成纤维。所说的非溶剂一般为水。干纺是在高于纺丝液溶剂的沸点10～50℃加热将溶剂挥发掉而使聚合物沉淀出来形成纤维。

热拉伸对晶须的定向和纤维毛坯的强度有非常重要的影响，在聚合物T_g(玻璃转化温度)以上20～80℃进行，拉伸比1～10。如果拉伸后的纤维仍旧含有液体，在聚合物的T_g以下加热去除。

将纤维毛坯按元件的受力状态进行排列制成纤维预制体，然后热压或无压烧结。热压或无压烧结的温度高于聚合物的熔点，但低于分解温度，具体温度应根据聚合物及晶须含量来确定，在100～400℃。热压压力在0.1～5 MPa。纤维毛坯的排列可以通过手工或采用纤维缠绕技术，晶须取向是通过控制纤维毛坯的排列方向来实现的。因此同一纤维毛坯内晶须的取向是一致的，但不同纤维毛坯内的晶须可以是单向排列，平面交叉或立体交叉。

本发明的生产工艺具有以下优点：(1)利用现有工业溶液纺丝设备，整个生产过程连续进行；(2)晶须和聚合物的高分子链同时沿纤维毛坯轴高度取向，不仅达到晶须定向效果，而且纤维毛坯强度高，柔韧性好，有利于纤维预制体的生产；(3)晶须在整个纤维毛坯的内部均匀高度取向；(4)纤维毛坯可以任意交叉排列或编织成纤维预制体，生产晶须多向交叉的复合材料，晶须的取向得到严格控制；(5)与注射成型技术相比，晶须分散均匀，无晶须团存在，晶须未受到损伤；(6)复合材料的强度、弹性模量和断裂延伸率大幅度提高。

下面通过实施例对本发明作进一步说明。实施例1：30％钛酸钾晶须(K₂Ti₆O₁₃，简称TK)增强聚氯乙烯(PVC)将5份的三碱式硫酸铅(PVC的热稳定剂)粉末研磨，使之通过325目的筛孔，然后同100份的PVC粉末混合。将混合物加入到465份的DMF中，加热使PVC完全溶解。在另一容器中，将45份TK(平均直径约0.5μm，长度约20μm)同45份异丙醇混合，然后加入0.9份钛酸脂偶联剂(NDZ-101)，机械搅拌30 min后，蒸发除掉异丙醇。所得到的晶须同67.5份的DMF混合，机械搅拌60 min，得到糊状物。将前述的热PVC溶液搅拌加入，继续搅拌60 min获得晶须分散均匀的纺丝液。用200目过滤网滤除纺丝液中可能混入的杂质(注意此时无任何晶须被过滤出来)，随后湿法纺丝。纺丝条件为：喷丝孔直径400μm；固化液成份V(DMF)∶V(H₂O)=1∶1；挤出压力2.5 KPa；热水拉伸温度85℃；拉伸比5；纤维干燥温度110℃(空气)；纤维缠绕速度80 m min^-1。将获得的纤维毛坯单向缠绕成平板状，在温度165℃、压力2MPa热压3 min制取单向晶须增强的PVC复合材料，其沿晶须排列方

表1

	PVC	30％TK增强PVC
	PVC	30％TK增强PVC				无定向	定向
三点弯曲强度(MPa)	68.2	115.7	258.0			无定向	定向
三点弯曲强度(MPa)	68.2	115.7	258.0	三点弯曲弹性模量(GPa)	3.1	8.5	13.9
断裂延伸率(％)	35	2.8	3.3	三点弯曲弹性模量(GPa)	3.1	8.5	13.9

向的机械性能列于表1，表1中同时列举了在类似条件下生产的纯PVC和晶须随机分布的30％TK增强PVC。可见晶须定向同晶须无序分布的复合材料相比，强度、弹性模量和断裂延伸率都有大幅度提高。SEM观察及XRD衍射法分析证实复合材料中晶须的排列非常优异，方向高度一致。实施例2：30％硼酸铝晶须(Al₁₈B₄O₃₃，简称AB)增强尼龙6(PA6)将100份PA6溶解于150份88％甲酸中制成均匀的高黏度溶液。在另一容器中，将45份AB(平均直径约0.4 μm，长度约25 μm)同45份异丙醇混合，然后加入0.9份KH550硅烷偶联剂，机械搅拌30 min后，蒸发除掉异丙醇。所得到的晶须同67.5份的88％甲酸混合，机械搅拌60 min，得到糊状物。将前述的PA6溶液搅拌加入，继续搅拌60 min获得晶须分散均匀的纺丝液。用200目过滤网滤除纺丝液中可能混入的杂质，随后干法纺丝。纺丝条件为：喷丝孔直径250μm；挤出压力7.5 KPa；空气拉伸温度180℃；拉伸比4；纤维缠绕速度60m min^-1。将获得的纤维毛坯30°平面交叉缠绕成平板状，在250℃、2 MPa热压3 min制取晶须增强的PA6复合材料，沿晶须主对称轴方向的机械性能列于表2，表2中同时列举了在类似条件下合成的纯PA6和晶须随机分布的30％AB增强PA6。可见晶须定向同晶须无序分布

表2

	PA6	30％AB增强PA6
	PA6	30％AB增强PA6				无定向	定向
三点弯曲强度(MPa)	98.1	250.4	370.6			无定向	定向
三点弯曲强度(MPa)	98.1	250.4	370.6	三点弯曲弹性模量(GPa)	2.5	8.2	14.8
断裂延伸率(％)	138	3.1	4.5	三点弯曲弹性模量(GPa)	2.5	8.2	14.8

的复合材料相比，强度、弹性模量和断裂延伸率都有大幅度提高。SEM观察及XRD衍射法分析证实复合材料中晶须的排列非常优异，方向高度一致。实施例3：重复例1的步骤，但晶须用立方碳化硅(平均直径约0.25μm，长度约35μm)。SEM观察及XRD衍射法分析证实复合材料中晶须的排列非常优异，方向高度一致。实施例4：重复例1的步骤，所不同的是复合材料中晶须的含量为10％，晶须预处理是将12份TK同12份异丙醇混合，然后加入0.24份NDZ-101，机械搅拌30 min后，蒸发除掉异丙醇。所得到的晶须同18份的DMF混合，机械搅拌60min，得到糊状物。此外拉伸比为6。SEM观察及XRD衍射法分析证实复合材料中晶须的排列非常优异，方向高度一致。实施例5：重复例1的步骤，所不同的是复合材料中晶须的含量为50％，晶须预处理是将105份TK同105份异丙醇混合，然后加入2.1份NDZ-101，机械搅拌30 min后，蒸发除掉异丙醇。所得到的晶须同158份的DMF混合，机械搅拌60min，得到糊状物。此外拉伸比为4，热压条件为170℃、2 MPa保持5 min。SEM观察及XRD衍射法分析证实复合材料中晶须的排列非常优异，方向高度一致。实施例6：重复例1的步骤，所不同的是复合材料中晶须的含量为80％，晶须预处理是将420份TK同420份异丙醇混合，然后加入8.4份NDZ-101，机械搅拌30 min后，蒸发除掉异丙醇。所得到的晶须同630份的DMF混合，机械搅拌60 min，得到糊状物。此外拉伸比为2，热压条件为170℃、3MPa保持5min。SEM观察及XRD衍射法分析证实复合材料中晶须的排列非常优异，方向高度一致。实施例7：将100份平均粒度3μm的聚四氟乙烯粉末在机械搅拌下加入到140份15％二醋酸纤维素的丙酮溶液中，混合均匀成为悬浮液。在另一容器中，将45份TK同45份异丙醇混合，然后加入0.9份KH550硅烷偶联剂，机械搅拌30 min后，蒸发除掉异丙醇。所得到的晶须同67.5份的丙酮混合，机械搅拌60 min，得到糊状物。将前述的悬浮液搅拌加入，继续搅拌60 min获得晶须分散均匀的纺丝液。用200目过滤网滤除纺丝液中可能混入的杂质，随后干法纺丝。纺丝条件为：喷丝孔直径250 μm；挤出压力7.5 KPa；空气拉伸温度90℃；拉伸比2.5；纤维缠绕速度30 m min^-1。将获得的纤维毛坯单向排列成平板状，在30 MPa冷压，然后加热到327℃保温20 min，最后升温至380℃保温50 min，制取晶须单向排列的复合材料。SEM观察及XRD衍射法分析证实复合材料中晶须的排列非常优异，方向高度一致。实施例8：重复例7的步骤，但聚四氟乙烯改为聚苯硫醚(平均粒度5.8 μm)，在320℃、2MPa热压3 min。SEM观察及XRD衍射法分析证实复合材料中晶须的排列非常优异，方向高度一致。

Claims

1、定向晶须增强聚合物基复合材料的生产工艺，其特征在于工艺流程如下：

(1)配制聚合物溶液或聚合物悬浮液：将聚合物溶解于溶剂中，聚合物的含量占溶液总质量的10％～45％，或将聚合物粉末悬浮于另一聚合物携体溶液中，聚合物携体的含量占聚合物和晶须总质量的5％～15％；

(2)配制晶须悬浮液：将晶须加入到聚合物溶液或悬浮液使用的同种溶剂中，搅拌均匀；

(3)将晶须悬浮液和聚合物溶液或聚合物悬浮液混合，搅拌均匀得到纺丝液，晶须含量占晶须和聚合物总质量的0～80％；

(4)湿法纺丝或干法纺丝：纺丝压力2～200 KPa，喷丝板孔径小于1 mm，喷丝板孔数1～200；

(5)热拉伸：拉伸温度为高于聚合物玻璃转化温度20～80℃，拉伸比1～10；

(6)将纤维毛坯排列制成纤维预制体，然后热压或无压烧结，热压或无压烧结温度为100～400℃，热压压力为0.1～5 MPa。

2、如权利要求1所述的定向晶须增强聚合物基复合材料的生产工艺，其特征在于所说的溶剂为二甲基甲酰胺、丙酮、甲酸、饱和氯化钙的甲醇溶液、三氯甲烷；所说的聚合物携体溶液为15％聚乙烯醇水溶液或15％二醋酸纤维素丙酮溶液。

3、如权利要求1所述的定向晶须增强聚合物基复合材料的生产工艺，其特征在于配制晶须悬浮液前晶须采用偶联剂处理，即将偶联剂溶解在异丙醇中，加入晶须并搅拌均匀后于50～100℃挥发除去异丙醇，所说的偶联剂为硅烷偶联剂或钛酸脂偶联剂。

4、如权利要求1所述的定向晶须增强聚合物基复合材料的生产工艺，其特征在于所用晶须为钛酸钾、碳化硅、硼酸铝、氧化铝，晶须直径0.1～5μm，长度10～250μm。

5、如权利要求1和4所述的定向晶须增强聚合物基复合材料的生产工艺，其特征在于晶须直径0.1～1μm，长度15～100μm。

6、如权利要求1所述的定向晶须增强聚合物基复合材料的生产工艺，其特征在于晶须含量为15％～50％。

7、如权利要求1所述的定向晶须增强聚合物基复合材料的生产工艺，其特征在于所说的湿法纺丝是将从喷丝板挤压出来的液流线经过装有非溶剂的固化池。

8、如权利要求1所述的定向晶须增强聚合物基复合材料的生产工艺，其特征在于所说的干法纺丝是将从喷丝板挤压出来的液流线在高于纺丝液溶剂的沸点10～50℃加热。

9、如权利要求1所述的定向晶须增强聚合物基复合材料的生产工艺，其特征在于喷丝板的孔径为250～400μm。

10、如权利要求1所述的定向晶须增强聚合物基复合材料的生产工艺，其特征在于纤维毛坯的排列为手工或纤维缠绕，纤维毛坯的排列方向可以是单向排列、平面交叉或立体交叉。