一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，先将表面包覆热固性树脂上浆剂的碳纤维进行低温热处理，然后将低温热处理的碳纤维均匀铺展，再将尼龙膜置于均匀铺展的碳纤维两侧，最后热压粘合制得碳纤维增强尼龙复合材料，其中低温热处理是在温度为250～350℃的条件下保温0.5～15min。本发明专利技术的一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，热处理温度低、能耗小、处理效果好，处理后表面获得富含可与热塑性树脂基体反应的羧基，有利于碳纤维与尼龙树脂基体的化学键合，大幅提升了碳纤维与尼龙基体的界面性能，提高了制得的复合材料的力学性能，极具应用前景。

Preparation of a carbon fiber reinforced nylon composite material

The invention relates to a preparation method of carbon fiber reinforced nylon composites. Firstly, the carbon fiber coated with thermosetting resin sizing agent is heat treated at low temperature, then the carbon fiber treated at low temperature is evenly spread, then the nylon film is placed on both sides of the evenly spread carbon fiber, and finally the carbon fiber reinforced nylon is prepared by hot pressing and bonding. The heat treatment of the composite material is 0.5 ~ 15min under the condition of 250~350 degree temperature. The preparation method of the carbon fiber reinforced nylon composite has the advantages of low heat treatment temperature, low energy consumption and good treatment effect, and the treated surface is rich in carboxyl groups which can react with the thermoplastic resin matrix, which is beneficial to the chemical bonding between the carbon fiber and the nylon resin matrix, and greatly improves the interface between the carbon fiber and the nylon matrix. The mechanical properties of the composites are improved and the application prospect is very promising.

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法
本专利技术属于碳纤维复合材料制备领域，涉及一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法。
技术介绍
相比于碳纤维增强热固性树脂基复合材料，碳纤维增强热塑性树脂(CFRTP)基复合材料具有独特的优点，如成型快、易修复、可回收、成本低、耐极限疲劳性能优异和预浸料存放条件简单的优点，其在航空航天、体育休闲和汽车等领域得到了广泛应用。但是，碳纤维增强热塑性树脂(CFRTP)基复合材料由于本身的特有属性和高加工成型温度，使其与传统碳纤维的界面结合差，从而导致复合材料的整体力学性低，这些正在制约其在一些领域的应用和推广。尼龙作为一种工程塑料，其不仅具有很好的弹性以及优异的拉伸性能、弯曲性能和压缩强度等力学性能，还具有低温性能优良、化学性能稳定、电绝缘性能优越、易加工成型、能自熄和耐磨性好等特点，广泛的应用于汽车、电子电器、化工、机械仪器仪表和建筑等行业。但是，尼龙在使用过程中易脆化，抗冲击性较差，耐热性和强度也稍低，为了改善尼龙的这些性能，目前常用的方法是采用玻璃纤维来增强尼龙，提高尼龙材料的性能。而玻璃纤维密度较大，增强改性尼龙后得到复合材料密度也随之增大，这会导致产品的市场竞争力下降。同时，受玻璃纤维本身性能限制，采用玻璃纤维改性的尼龙强度提高也有限，在一些性能要求较高的应用领域将受到限制。为了进一步提高改性尼龙复合材料的性能，并使改性材料密度低，使其满足对性能较高领域的应用，可采用碳纤维增强尼龙复合材料来制备。目前市面上商业化碳纤维大多表面包覆环氧树脂上浆剂，其是针对热固性环氧树脂基体复合材料开发的。但表面包覆热固性树脂的碳纤维与尼龙树脂相容性差或不相容，导致其复合材料性能不佳。这是因为环氧树脂上浆剂不与热塑性聚合物发生化学反应，导致其复合材料层间剪切强度低；此外，热固性环氧树脂上浆剂的成型温度低于250℃，超过250℃环氧树脂上浆剂会降解生成气体，在复合材料表面形成细小微孔，导致复合材料成型失败。目前对碳纤维进行尼龙树脂增强可行的办法是对涂覆有热固性树脂的碳纤维脱浆。脱浆的方法有溶剂法和烧蚀法，前者需要大量溶剂，后者会产生大量焦油，不仅污染环境，而且去浆后碳纤维会产生大量的毛丝和断丝，导致容易碳纤维的品质的降低。此外，退浆的高温过程会使碳纤维上通过阳极氧化手段获得的含氧官能团脱除，不利于碳纤维与尼龙树脂基体的浸润和界面结合。解决热塑性尼龙树脂用碳纤维的根本出路是改变碳纤维上浆剂的相容性，使其与热塑性尼龙树脂相容。文章《Composites:PartA》(2016,87,212-219)提出采用改性的热塑性酚氧基树脂作为上浆剂，在商业化碳纤维上进行二次上浆，处理后的碳纤维增强尼龙6复合材料层间剪切强度提高了20.4％，指出上浆剂中含有的酯基与热塑性基体发生了酯交换，形成了新的化学键合作用，从而提高了碳纤维与热塑性树脂的界面性能。但是该方法对碳纤维进行两次上浆，上浆量高达5.2～7.5％，大大增加了碳纤维丝束间的集束性，不利于与热塑性树脂基体间的浸润性；其次热塑性上浆剂本身的可反应基团活性低，与碳纤维间的界面结合力弱，导致了该热塑性上浆剂对碳纤维增强热塑性树脂界面性能提高较小。因此，开发一种对表面包覆热固性环氧树脂上浆剂的碳纤维进行表面改性以提高其与尼龙树脂相容性的方法极具现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提供一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，具体是对表面包覆热固性树脂上浆剂的碳纤维的表面改性即对表面包覆热固性树脂上浆剂的碳纤维进行低温氧化处理，使其表面富含羧基，提高碳纤维与表面包覆的热固性树脂上浆剂间的界面结合力，提高碳纤维与尼龙基体的相容性。处理后的碳纤维表面富含羧基，再与尼龙基体复合，羧基与尼龙基体存在化学键合作用，能有效改善碳纤维与尼龙树脂的界面结合力，提高复合材料的力学性能。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，先将表面包覆热固性树脂上浆剂的碳纤维进行低温热处理，然后将低温热处理的碳纤维均匀铺展，再将尼龙膜置于均匀铺展的碳纤维两侧，最后热压粘合制得碳纤维增强尼龙复合材料；所述低温热处理是指在250～350℃保温0.5～15min。作为优选的技术方案：如上所述的一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、石油沥青基碳纤维、煤沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维、细菌纤维素基碳纤维、纤维素基碳纤维和木质素基碳纤维中的一种以上。如上所述的一种碳纤维增强聚酯复合材料的制备方法，所述热固性树脂上浆剂的成分为环氧树脂及其衍生物、不饱和聚酯树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、呋喃树脂、聚丁二烯树脂和有机硅树脂中的一种以上。本专利技术的保护范围并不仅限于此，其它的性质类似的上浆剂也可适用于本专利技术。如上所述的一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，所述低温热处理是在氧化性气氛中进行。如上所述的一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，所述氧化性气氛为氧化性气体环境或氧化性气体与惰性气体的混合气体环境，混合气体环境中氧化性气体的体积比大于等于5％。如上所述的一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，所述氧化性气体为二氧化氮、氯气、二氧化硫、三氧化硫、空气和氧气中的一种以上；所述惰性气体为氮气、氩气、氦气、氖气、氪气、氙气或氡气。本专利技术的惰性气体并不仅限于此，其它性质类似的气体也可适用于本专利技术。如上所述的一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，所述均匀铺展的面密度为60～400g/m2；所述尼龙膜与碳纤维的体积比为8:2～3:7。使用12k的碳纤维束(一捆12000根的集束丝，其纤维直径为5～7μm)可被铺展至约5～50mm的宽度；使用24k碳纤维束(一捆24000根的集束丝，其纤维直径为5～7μm)可被铺展至约5～70mm的宽度；以及使用48k碳纤维束(一捆48000根的集束丝，其纤维直径为5～7μm)可被铺展至约5～100mm的宽度。如上所述的一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，所述尼龙膜的厚度为10～100μm，其材质为尼龙6、尼龙66、尼龙12或尼龙1010。如上所述的一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，所述热压粘合的温度为200～300℃，压力为4～7MPa。如上所述的一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，所述碳纤维增强尼龙复合材料的层间剪切强度为55～75MPa。专利技术机理：与单一热固性树脂在空气中的热老化不同，本专利技术对表面包覆环氧树脂(热固性树脂)的碳纤维热处理温度为250～350℃。该表面包覆环氧树脂的碳纤维的热氧化具有以下特点：(1)要满足提高增强尼龙树脂界面性能的要求，碳纤维表面需要富集足够的羧基基团以增强其与尼龙聚酯的结合能力，对表面包覆环氧树脂的碳纤维进行热氧化处理，一方面会因促使环氧树脂不稳定基团如亚甲基和羟基等被氧化成羧基，另一方面会促进碳纤维上原有的含氧官能团与热固性上浆剂的缩水脱合或氧化脱氢作用，从而消耗掉该碳纤维因热氧化处理而新生成的羧基基团。温度低于250℃，热固性树脂表面的亚甲基或羟基的氧化活化能高，导致氧化速率低，因此新生成羧基的速率小于碳纤维与上浆剂间反应造成的羧基消耗的速率，使得碳纤维表面无法富集足够的羧基基团。故本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，其特征是：先将表面包覆热固性树脂上浆剂的碳纤维进行低温热处理，然后将低温热处理的碳纤维均匀铺展，再将尼龙膜置于均匀铺展的碳纤维两侧，最后热压粘合制得碳纤维增强尼龙复合材料；所述低温热处理是指在250～350℃保温0.5～15min。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，其特征是：先将表面包覆热固性树脂上浆剂的碳纤维进行低温热处理，然后将低温热处理的碳纤维均匀铺展，再将尼龙膜置于均匀铺展的碳纤维两侧，最后热压粘合制得碳纤维增强尼龙复合材料；所述低温热处理是指在250～350℃保温0.5～15min。2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、石油沥青基碳纤维、煤沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维、细菌纤维素基碳纤维、纤维素基碳纤维和木质素基碳纤维中的一种以上。3.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强聚酯复合材料的制备方法，其特征在于，所述热固性树脂上浆剂的成分为环氧树脂及其衍生物、不饱和聚酯树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、呋喃树脂、聚丁二烯树脂和有机硅树脂中的一种以上。4.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，所述低温热处理是在氧化性气氛中进行。5.根据权利要求4所述的一种碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕永根，姚莉丽，李志豪，张锦财，郭玉花，
申请(专利权)人：东华大学，亚东工业苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31