一种热塑性树脂基碳纤维复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种热塑性树脂基碳纤维复合材料及其制备方法，复合材料原料组分包括：烯烃单体或烯烃单体组合物、光引发剂、碳纤维材料；其中光引发剂为烯烃单体质量的0.01wt％‑10wt％。制备：(1)将烯烃单体、光引发剂混合，得到聚合体系；(2)将碳纤维充分浸渍在聚合体系中，然后在紫外光源下进行原位光聚合、原位复合，得到复合材料；本发明专利技术烯烃单体能够对碳纤维或其织物进行充分浸渍；其后的原位光聚合、原位复合简单快速，非常适合于低成本碳纤维复合材料的规模化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于热塑性复合材料及其制备领域，特别涉及一种热塑性树脂基碳纤维复合材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，碳纤维增强热塑性树脂复合材料(carbon fiber reinforced thermoplastics，CFRTP)发展迅猛，与碳纤维增强热固性树脂复合材料(carbon fiber reinforced thermosettingcomposites,CFRTS)相比具有显著的优势，如可回收利用、成型周期短、加工效率高、制备过程中无需使用溶剂、抗冲击韧性高等。目前碳纤维增强热塑型复合材料的制备方法主要有熔融浸渍法，粉末浸渍法，碳纤维/基体纤维混纺法，熔膜法等，其都是采用一定的方法将纤维和基体树脂混合，加热树脂使之融化，浸渍纤维，然后冷却定型得到碳纤维复合材料。但是由于热塑性树脂分子量高，在熔融状态下仍有很大的粘度，一般都超过100帕斯卡秒(Pa·s)，通常为500～5000Pa·s，因此树脂基体很难对碳纤维进行完全浸渍，造成复合材料性能不高，尤其对加工厚制品带来很大的难度。光聚合技术是20世纪60年代问世的新型绿色技术，是指在光(紫外或可见光)的作用下，液态单体经过光聚合反应形成固态产物的过程。紫外光聚合与热聚合相比具有以下几点优势：(1)反应速率快，一些丙烯酸类单体的光聚合反应在短短十几秒内转化率即可达百分之九十以上，大大缩短了反应时间；(2)反应不受温度影响，能够在室温下进行光聚合反应，节约能源；(3)光聚合反应过程中不需要使用溶剂，减少环境污染。正是因为以上优点使其被认为是21世纪最重要的生产技术之一。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种热塑性树脂基碳纤维复合材料及其制备方法，本专利技术复合方法简单快速、生产周期短、非常适合于低成本碳纤维复合材料的规模化生产。本专利技术的一种热塑性树脂基碳纤维复合材料，所述复合材料原料组分包括：烯烃单体或烯烃单体组合物、光引发剂、碳纤维材料；其中光引发剂为烯烃单体质量的0.01wt％-10wt％。所述烯烃单体组合物包括烯烃单体、聚合物。所述聚合物为聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚苯乙烯PS、聚氨酯PUA、天然橡胶中的一种或几种。所述烯烃单体为式I和/或式II，其中式I所示结构：式I，其中R、R1、R2、R3为相互独立的氢原子、C1-C18烷基；其中式II所示结构：式II，其中R为C1-C18烷基。所述光引发剂为安息香乙醚、安息香异丙醚、安息香丁醚、α,α’-二甲基苯偶酰缩酮(651)、α,α-二乙氧基苯乙酮DEAP、2-羟基-2-甲基苯乙酮(1173)、1-羟基-环己基苯甲酮(184)、2-羟基-2-甲基-对羟乙基醚基苯乙酮(2959)、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉基-1-丙酮(907)、2-苄基-2-二甲氨基-1-(4-吗啉苯基)-1-丁酮(369)、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦TPO、2,4,6-三甲基苯甲酰基-乙氧基-苯基氧化膦TEPO的任一种或几种。热塑性树脂基碳纤维复合材料的重均分子量为50000～1000000；热塑性树脂基碳纤维复合材料中碳纤维体积含量为10-60％。碳纤维的体积含量为10-60％。碳纤维的含量过低则难于提高产量的机械性能，过高则依然产生气泡等缺陷。因此，碳纤维体积含量在合适范围内会使得复合材料的各项性能得到最好体现。连续碳纤维的体积含量小于10％，则碳纤维的含量相对过少，复合材料达不到工业要求强度和韧性；连续碳纤维的体积含量大于60％，则碳纤维的含量相对过多，树脂不能充分浸渍渗透碳纤维中，材料性能不均一，强度与韧性达不到要求。热塑性树脂基碳纤维复合材料中包含聚烯烃和连续碳纤维。所述碳纤维材料为碳纤维或碳纤维织物。所述碳纤维织物为去浆处理后的碳纤维织物。本专利技术的一种热塑性树脂基碳纤维复合材料的制备方法，包括：(1)将烯烃单体或烯烃单体组合物中加入光引发剂，混匀，得到聚合体系；(2)将碳纤维材料在聚合体系中浸渍，然后在紫外光条件下进行原位反应，得到热塑性树脂基碳纤维复合材料。所述步骤(2)中浸渍时间为3-20min；紫外光条件下进行原位反应具体为：室温～60℃条件下，紫外光源下照射0.01-20min。本专利技术对步骤(1)中的烯烃单体没有特别地限制。可以是苯乙烯、氯乙烯、四氟乙烯、醋酸乙烯酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯和丙烯腈单体。从光聚合速率方面考虑，由于单体对引发剂激发态的猝灭作用可以通过电子转移而实现，如果所用的单体是富电子的不饱和单体，则光引发剂如酮类化合物就有可能成为电子受体，使两者发生光诱导的电子转移，造成引发剂激发态的猝灭。因此，所述烯烃单体优选为丙烯酸类单体，其具有式I所示结构：其中R、R1、R2、R3为相互独立的氢原子、C1-C18烷基。从光聚合产物成膜性考虑，丙烯酸酯类单体的玻璃化转变温度通常低于室温，在室温下无法成为坚硬的薄膜，因此，所述丙烯酸类单体优选为甲基丙烯酸类单体，具有式II所示结构：其中R为C1-C18烷基。步骤(1)中光引发剂与烯烃单体或者烯烃单体组合物充分溶解，调配成均一的溶液。步骤(1)中的光引发剂为自由基光引发剂，其主要分为两大类：裂解型自由基光引发剂与夺氢型自由基光引发剂。从光聚合速率方面考虑，由于夺氢型自由基光引发剂需与助引发剂相互作用引发聚合，其过程是双分子反应历程，比光裂解型自由基光引发剂引发速率慢，因此，优选地，选择裂解型自由基光引发剂。优选：所述光引发剂为安息香乙醚、安息香异丙醚、安息香丁醚、α,α’-二甲基苯偶酰缩酮(651)、α,α-二乙氧基苯乙酮(DEAP)、2-羟基-2-甲基苯乙酮(1173)、1-羟
基-环己基苯甲酮(184)、2-羟基-2-甲基-对羟乙基醚基苯乙酮(2959)、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉基-1-丙酮(907)、2-苄基-2-二甲氨基-1-(4-吗啉苯基)-1-丁酮(369)、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦(TPO)、2,4,6-三甲基苯甲酰基-乙氧基-苯基氧化膦(TEPO)的任一种或几种。步骤(1)中光引发剂的添加量为烯烃单体质量的0.01wt％-10wt％。光引发剂含量太低，将导致其光聚合反应过程中自由基链增长速率远低于氧气阻聚的链终止速率，其结果导致光聚合反应诱导期增长，反应速率慢甚至不发生反应；光引发剂含量太高，将导致其聚合产物分子量分布变宽，分子量变低。所述的碳纤维织物没有特别地限制，可以是平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、单向织物或者多层多轴向织物。从碳纤维织物的成型性能及规模化应用考虑，优选地，采用成型性能最差的平纹结构碳纤维织物。步骤(2)中碳纤维材料为碳纤维或碳纤维织物。碳纤维织物为去浆处理后的碳纤维织物。在碳纤维织物制备过程中表面会涂有一层浆料来防止碳纤维毛丝、分叉与断裂，但这层浆料会影响树脂对碳纤维的浸渍且其在高温下会分解为小分子，影响碳纤维与树脂基体的结合性，因此在制备复合材料时需先将碳纤维织物进行表面去浆处理。优选地，所述的碳纤维织物需浸泡在丙酮中24小时，进行表面去浆处理。步骤(2)中浸渍时间为3-20min。所述的碳纤维或其织物在聚合体系中浸渍时间没有特别地限制，但考虑到浸渍时间过短，单体或其组合物无法充分浸渍到碳纤维本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热塑性树脂基碳纤维复合材料，其特征在于：所述复合材料原料组分包括：烯烃单体或烯烃单体组合物、光引发剂、碳纤维材料；其中光引发剂为烯烃单体质量的0.01wt％‑10wt％。

【技术特征摘要】
1.一种热塑性树脂基碳纤维复合材料，其特征在于：所述复合材料原料组分包括：烯烃单体或烯烃单体组合物、光引发剂、碳纤维材料；其中光引发剂为烯烃单体质量的0.01wt％-10wt％。2.根据权利要求1所述的一种热塑性树脂基碳纤维复合材料，其特征在于：所述烯烃单体组合物包括烯烃单体、聚合物。3.根据权利要求2所述的一种热塑性树脂基碳纤维复合材料，其特征在于：所述聚合物为聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚苯乙烯PS、聚氨酯PUA、天然橡胶中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的一种热塑性树脂基碳纤维复合材料，其特征在于：所述烯烃单体为式I和/或式II，其中式I所示结构：式I，其中R、R1、R2、R3为相互独立的氢原子、C1-C18烷基；其中式II所示结构：式II，其中R为C1-C18烷基。5.根据权利要求1所述的一种热塑性树脂基碳纤维复合材料，其特征在于：所述光引发剂为安息香乙醚、安息香异丙醚、安息香丁醚、α,α’-二甲基苯偶酰缩酮α,α-二乙氧基苯乙酮DEAP、2-羟基-2-甲基苯乙酮、1-羟基-环己基苯甲酮2-羟基-2-甲基-对羟乙基醚基苯乙酮、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉基-1-丙酮...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈榆峰，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31