一种碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于碳纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法。

背景技术

21世纪以来，碳纤维(CF)迅速发展为新型增强材料，具有高强度、高模量、大比表面积与长径比、高导电率等特点，通过将碳纤维与聚合物复合，能够进一步提升聚合物的力学性能。但是，纤维中的碳原子平面是沿纤维轴向取向，表面呈化学惰性，与其热塑性树脂集体之间的相容性、亲和力较差，难以形成化学键连接，与树脂基体存在不相容组分，界面粘结力较差，影响复合材料的综合性能。

尼龙46(PA46)是由丁二胺和己二酸缩聚而成的脂肪族聚酰胺，虽然有尼龙66相似的分子结构，但PA46的每个给定长度的链上的酰胺组数更多，链结构更对称；而高度对称的链结构致使其结晶度高(约为70％)，而且结晶速度快，因而熔点更高(295℃)，热变形温度也高，长期使用温度可达163℃。但由于其尺寸稳定性较差、抗静电性不好难易进一步扩大应用。

现有技术中公开可利用CF对尼龙进行改性，以赋予其耐高温、耐腐蚀等特性。但是，改性后由于CF和尼龙基体的相容性较差，导致复合材料的综合性能较差，不利于应用。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种具有高模量、低密度、耐高温、低磨耗和优良导电特性的碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法。

本发明提供了一种碳纤维增强尼龙复合材料，由混合物经混料得到；

所述混合物包括：40～70重量份的尼龙树脂、5～35重量份的经浓酸处理后的碳纤维、3～5重量份的阻燃剂、0.1～1重量份的抗氧剂与10～20重量份的矿物填料。

优选的，所述尼龙树脂为尼龙46树脂。

优选的，所述经浓酸处理后的碳纤维的长度为6～10mm；直径为3～10μm。

优选的，经浓酸处理后的碳纤维按照以下方法制备：

将碳纤维与浓酸混合，加热超声处理，得到经浓酸处理后的碳纤维。

优选的，所述浓酸为浓硫酸与浓硝酸的混合液；所述浓硫酸与浓硝酸的体积比为(2～5)：1；

所述浓硫酸的质量浓度为90％～98％；所述浓硝酸的质量浓度为60％～68％。

优选的，所述加热的温度为40℃～80℃；所述超声处理的功率为0～400W；超声处理的时间为10～40min。

优选的，所述阻燃剂选自硅系阻燃剂与氮系阻燃剂；所述硅系阻燃剂与氮系阻燃剂的质量比为(2～6)：(8～4)。

优选的，所述抗氧剂选自四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯与β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯。

优选的，所述矿物填料选自碳酸钙、滑石粉、硫酸钡与硫酸钙中的一种或多种；所述矿物填料的粒径为5～30μm。

本发明还提供了一种上述碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，包括：

S1)将尼龙树脂、抗氧剂与矿物填料混合，得到混合树脂基料；

S2)将所述混合树脂基料、经浓酸处理后的碳纤维与阻燃剂经熔融共混后，得到碳纤维增强尼龙复合材料。

本发明提供了一种碳纤维增强尼龙复合材料，由混合物经混料得到；所述混合物包括：40～70重量份的尼龙树脂、5～35重量份的经浓酸处理后的碳纤维、3～5重量份的阻燃剂、0.1～1重量份的抗氧剂与10～20重量份的矿物填料。与现有技术相比，本发明采用经浓酸处理的碳纤维增强尼龙树脂，浓酸处理后的碳纤维表面具有较多的极性基团，从而使其和尼龙树脂具有较好的相容性；再通过与阻燃剂、抗氧剂及矿物填料相互作用，从而使碳纤维增强尼龙复合材料具有优异的高耐热性、加工流动性好、高抗冲击、防静电、高强度和导电导热、尺寸稳定性、耐蠕变性、耐候性等优点，可广泛应用于空天及军用领域、工业特种零部件、汽车部件、电子行业等。

附图说明

图1为本发明实施例1中得到的浓酸处理后的碳纤维的红外光谱图；

图2为本发明提供的碳纤维增强尼龙复合材料可制备产品的示意图。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种碳纤维增强尼龙复合材料，由混合物经混料得到；所述混合物包括：40～70重量份的尼龙树脂、5～35重量份的经浓酸处理后的碳纤维、3～5重量份的阻燃剂、0.1～1重量份的抗氧剂与10～20重量份的矿物填料。

其中，本发明对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售即可。

在本发明中，所述尼龙树脂优选为尼龙46树脂；混合物中，所述尼龙树脂的含量优选为40～60重量份，更优选为45～55重量份，再优选为50重量份。

本发明采用浓酸处理后的碳纤维增强尼龙树脂的力学性能，浓酸处理后的碳纤维表面具有较多的极性基团，从而使其和尼龙树脂具有较好的相容性；所述经浓酸处理后的碳纤维的长度优选为6～10mm；所述经浓酸处理后的碳纤维的直径优选为3～10μm；混合物中经浓酸处理后的碳纤维的含量优选为15～35重量份，更优选为20～35重量份，再优选为25～35重量份，最优选为30重量份。

所述阻燃剂优选为硅系阻燃剂与氮系阻燃剂；所述硅系阻燃剂与氮系阻燃剂的质量比优选为(2～6)：(8～4)，更优选为(3～5)：(7～5)，再优选为4：6；混合物中所述阻燃剂的含量优选为4～5重量份。所述抗氧剂优选为酚类抗氧剂，更优选为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧剂1010)和/或β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯(抗氧剂1076)，再优选为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯与β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯；所述四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯与β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯的质量比优选为(4～6)：(4～6)，更优选为(4.5～5.5)：(4.5～5.5)，再优选为5：5；混合物中抗氧剂的含量优选为0.5～1重量份。

所述矿物填料优选为碳酸钙、滑石粉、硫酸钡与硫酸钙中的一种或多种；所述矿物填料的粒径优选为5～30μm；混合物中矿物填料的含量优选为12～18重量份，更优选为12～16重量份，再优选为14重量份。

本发明采用经浓酸处理的碳纤维增强尼龙树脂，浓酸处理后的碳纤维表面具有较多的极性基团，从而使其和尼龙树脂具有较好的相容性；再通过与阻燃剂、抗氧剂及矿物填料相互作用，从而使碳纤维增强尼龙复合材料具有优异的高耐热性、加工流动性好、高抗冲击、防静电、高强度和导电导热、尺寸稳定性、耐蠕变性、耐候性等优点，可广泛应用于空天及军用领域、工业特种零部件、汽车部件、电子行业等。

本发明还提供了一种上述碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，包括：S1)将尼龙树脂、抗氧剂与矿物填料混合，得到混合树脂基料；S2)将所述混合树脂基料、经浓酸处理后的碳纤维与阻燃剂经熔融共混后，得到碳纤维增强尼龙复合材料。

其中，所述尼龙树脂、抗氧剂、矿物填料、经浓酸处理后的碳纤维与阻燃剂均同上所述，在此不再赘述。

在本发明中，经浓酸处理后的碳纤维优选按照以下方法制备：将碳纤维与浓酸混合，加热超声处理，得到经浓酸处理后的碳纤维。其中，所述碳纤维的长度优选为6～10mm；直径优选为3～10μm；所述浓酸优选为浓硫酸与浓硝酸的混合液；所述浓硫酸的质量浓度优选为90％～98％，更优选为95％～98％；所述浓硝酸的质量浓度优选为60％～68％，更优选为65％～68％；所述浓硫酸与浓硝酸的体积比优选为(2～5)：1，更优选为(3～4)：1，再优选为3：1；所述加热的温度优选为40℃～80℃，更优选为50℃～70℃，再优选为60℃；所述超声处理的功率为0～400W，优选为100～400W；超声处理的时间为10～40min；超声处理后，优选冷却至室温，用去离子水进行洗涤，干燥后，得到经浓酸处理后的碳纤维。

首先，将尼龙树脂、抗氧剂与矿物填料混合，得到混合树脂基料。

然后，将所述混合树脂基料、经浓酸处理后的碳纤维与阻燃剂经熔融共混后，得到碳纤维增强尼龙复合材料；所述熔融共混的温度优选为280℃～310℃；在本发明中，所述熔融共混优选在双螺杆挤出机中进行；螺杆的转速优选为100～200转/min，更优选为120～180转/min，再优选为140～160转/min，最优选为150转/min；在熔融共混时，经浓酸处理后的碳纤维与阻燃剂优选同时加入，其喂料的速度优选为5～20转/min，更优选为10～15转/min；所述混合树脂基料的喂料速度优选为5～20转/min，更优选为10～15转/min。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法进行详细描述。

以下实施例中所用的试剂均为市售；实施例中尼龙46购自荷兰皇家企业DSM(帝斯曼)公司；碳纤维(CF)为日本东丽公司生产的T700，纤维长度为6～10mm，单丝直径为3～10μm；硅氮复合阻燃剂以四川晨光化学公司提供的硅系阻燃剂和河北耐昂阻燃材料公司提供的氮系阻燃剂按照4:6质量比复合使用；复合抗氧化剂以德国BASF公司提供的抗氧剂1010和抗氧剂1076按照5:5质量比复合使用。

实施例1

1.1碳纤维酸化处理：将CF置于玻璃容器内，加入98wt％浓硫酸和68wt％浓硝酸(体积比3：1)混合液使CF浸没于混合液中，60℃超声波(100W)处理20min；接着将反应液自然冷却至室温，用去离子水多次冲洗CF，干燥得到酸化CF。

1.2将70％的尼龙46、1％的复合抗氧化剂和14％的碳酸钙混合均匀，得到混合树脂基料。

1.3将10％的酸化CF、5％的阻燃剂和步骤1.2中的混合树脂基料加入双螺杆挤出机，经双螺杆挤出机在280～310℃温度下熔融共混、挤出造粒，即得到碳纤维增强尼龙复合材料颗粒。挤出过程中，螺杆转速为150转/min、喂料速度为10转/min、碳纤维喂料转速为10转/min。

实施例2

2.1碳纤维酸化处理：将CF置于玻璃容器内，加入98wt％浓硫酸和68wt％浓硝酸(体积比3：1)混合液使CF浸没于混合液中，60℃超声波(100W)处理20min；接着将反应液自然冷却至室温，用去离子水多次冲洗CF，干燥得到酸化CF。

2.2将60％的尼龙46、1％的复合抗氧化剂和14％的碳酸钙混合均匀，得到混合树脂基料。

2.3将20％的酸化理后的改性碳纤维、5％的阻燃剂和步骤2.2中的混合树脂基料加入双螺杆挤出机，经双螺杆挤出机在280～310℃温度下熔融共混、挤出造粒，即得到碳纤维增强尼龙复合材料颗粒。挤出过程中，螺杆转速为150转/min、喂料速度为10转/min、碳纤维喂料转速为10转/min。

实施例3

3.1碳纤维酸化处理：将CF置于玻璃容器内，加入98wt％浓硫酸和68wt％浓硝酸(体积比3：1)混合液使CF浸没于混合液中，60℃超声波(100W)处理20min；接着将反应液自然冷却至室温，用去离子水多次冲洗CF，干燥得到酸化CF。

3.2将50％的尼龙46、1％的复合抗氧化剂和14％的碳酸钙混合均匀，得到混合树脂基料。

3.3将30％的酸化理后的改性碳纤维、5％的阻燃剂和步骤3.2中的混合树脂基料加入双螺杆挤出机，经双螺杆挤出机在280～310℃温度下熔融共混、挤出造粒，即得到碳纤维增强尼龙复合材料颗粒。挤出过程中，螺杆转速为150转/min、喂料速度为10转/min、碳纤维喂料转速为10转/min。

对比例1

1.1将50％的尼龙46、1％的复合抗氧化剂和14％的碳酸钙混合均匀，得到混合树脂基料。

1.3将30％的碳纤维、5％的阻燃剂和步骤1.1中的混合树脂基料加入双螺杆挤出机，经双螺杆挤出机在280～310℃温度下熔融共混、挤出造粒，即得到碳纤维增强尼龙复合材料颗粒。挤出过程中，螺杆转速为150转/min、喂料速度为10转/min、碳纤维喂料转速为10转/min。

对实施例1～3及对比例1中得到的碳纤维增强尼龙复合材料的样品进行性能测试，结果参见表1。

表1高耐热碳纤维增强尼龙复合材料的性能测试结果

由上表可知，实施例1～3中制备得到的复合材料的综合性能明显优于对比例1制备得到的复合材料，尤其是热变形温度这一性能明显更优。由表可知，本发明制备得到的碳纤维增强尼龙46复合材料的热变形温度高达300℃，长期使用温度可达180℃，热性能优异。同时也具有较为优异的力学性能等优点。

利用红外光谱对实施例1中经浓酸处理后的碳纤维进行分析测试，得到其红外光谱图如图1所示。由图1可知，3400cm

图2为本发明提供的碳纤维增强尼龙复合材料可制备产品的示意图。本发明提供的碳纤维增强尼龙复合材料可广泛应用于空天及军用领域、工业特种零部件、汽车部件、电子行业等；如燃油、传动及发动机系统，芯片组和插座、杯体焊接支座、片状电容器、开关及微型喇叭、制作高密度的印刷电路板连接器、控制器、传感器、马达及其它关键电子部件，更可用于导电、耐热、耐磨要求较高的场合，例如无润滑轴承、密封、轴承隔离环和往复开压缩机零件等。