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，复合材料原料包括：烯烃单体或烯烃单体组合物、热引发剂、碳纤维材料；其中引发剂的添加量为烯烃单体质量的0.01wt％‑1wt％。制备：将烯烃单体或烯烃单体组合物中加入热引发剂，混匀，得到聚合体系；将碳纤维或碳纤维织物浸入聚合体系中，浸渍，然后逐步升温条件下进行原位反应，即得。本发明专利技术用原位热聚合法制备热塑性碳纤维复合材料不仅能够有效地解决热塑性树脂由于其分子量过高而无法对碳纤维浸渍的问题，而且聚合过程中无需使用溶剂、热聚合及复合简单快速，本发明专利技术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 thermosetting composites,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。引发剂是能够在(共)聚合反应中使单体分子或线型分子链中含有双键的低分子量树脂因分子活化而成为游离基，并进行连锁反应的物质。为了解决热塑性树脂基体对碳纤维难于浸渍的问题，通过向烯烃类单体或烯烃单体组合物中加入有机过氧化物、偶氮类化合物引发剂，浸溃碳纤维或其织物，经适当温度和一定时间的作用，树脂和碳纤维紧紧粘结在一起，成为一个整体碳纤维增强热塑性树脂基复合材料。这一过程中，碳纤维或其织物的物理状态前后没有变化，而树脂则从液态转变为坚硬的固态。与热聚合相比具有引发速率快、能够有效控制反应速度，聚合完全等优势。
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，本专利技术用烯烃单体或其组合物对碳纤维充分浸渍，通过原位热聚合法使烯烃单体在碳纤维上聚合成为热塑性聚合物，以解决现有热塑性树脂基碳纤维复合材料领域中热塑性树脂对碳纤维浸渍困难的问题，并且能够降低复合材料孔隙率。本专利技术的一种热塑性树脂基碳纤维复合材料，所述复合材料原料包括：烯烃单体或烯烃单体组合物、热引发剂、碳纤维材料；其中引发剂的添加量为烯烃单体质量的0.01wt％-1wt％。所述烯烃单体组合物包含烯烃单体、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、式II、式III中的一种或几种：其中式I所示结构：其中X、Y为独立的氢原子、芳基、氰基、卤素、C1-C18烷基；式II所示结构：其中X为芳基、氰基、卤素、C1-C18烷基；式III所示结构：其中R、R1、R2、R3为相互独立的氢原子、C1-C18烷基。所述热引发剂为2,2'-偶氮二(2-甲基丁腈)、偶氮二异丁腈、2,2'-偶氮二(2,4-二甲基戊腈)、4,4-偶氮二(4-氰基戊酸)、1,1'-偶氮二(环己甲腈)以及2,2'-偶氮二(4-甲氧基-2,4-二甲基戊腈)、四甲基丁基过氧化新癸酸酯、双(4-丁基环己基)过氧化二碳酸酯、二(2-乙基己基)过氧化碳酸酯、过氧化新癸酸丁酯、过氧化二碳酸二丙基酯、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二乙氧乙酯、过氧化二碳酸二乙氧己酯、过氧化二碳酸己酯、过氧化二碳酸二甲氧丁酯、双(3-甲氧基-3-甲氧基丁基)过氧化二碳酸酯、过氧化二碳酸二丁基酯、过氧化二(十六烷基)二碳酸酯、过氧化二碳酸双十四烷基酯、1,1,3,3-四甲基丁基过氧化新戊酸酯、过氧化新戊酸己酯、过氧化新戊酸丁酯、三甲基己酰过氧化物、二甲基羟丁基过氧化新癸酸酯、过氧化新癸酸戊酯、过氧化新癸酸丁酯、过氧化新庚酸叔丁酯、过氧化新戊酸戊酯、过氧化新戊酸叔丁酯、过氧化(2-乙基)己酸叔戊酯、过氧化月桂基、过氧化二月桂酰、过氧化二癸酰、过氧化苯甲酰、过氧化二苯甲酰、2,2-双(叔丁基过氧基)丁烷、1,1-双(叔丁基过氧基)环己烷、2,5-双(丁基过氧基)-2,5-二甲基己烷、2,5-双(叔丁基过氧基)-1-甲基乙基)苯、1,1-双(叔丁基过氧基)-3,3,5-三甲基环己烷、过氧化氢叔丁基、叔丁基过氧化物、过氧化苯甲酸叔丁酯、叔丁基过氧异丙基甲酸酯、氢过氧化枯烯、过氧化异丙苯、过氧化月桂酰、2,4-戊二酮过氧化物、过氧化乙酸叔丁酯；过氧乙酸、过硫酸钾中的一种或几种。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。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的体积含量为10-60％。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热引发剂，混匀，得到聚合体系；(2)将碳纤维材料浸入聚合体系中，浸渍，然后逐步升温条件下进行原位反应，即得热塑性树脂基碳纤维复合材料。所述步骤(2)中浸渍时间为2-20min。步骤(2)中逐步升温具体为：在40℃条件下保温0.5h，然后在60℃保温0.5h，其后升温至90℃-120℃下反应2-10h。本专利技术对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。从聚合速率方面考虑，1,2-双取代烯类单体、三取代或四取代乙烯由于位阻效应与结构对称，极化程度低，一般难以均聚。因此，所述烯烃单体优选为1,1-双取代烯类单体，其具有式I所示结构：其中X、Y为独立的氢原子、芳基、C1-C18烷基。但考虑到两个取代基都是体积较大的基团时，如二苯基乙烯，却只能聚合成二聚体。因此，所述烯烃单体优选为单取代烯烃，其具有式II、式III所示结构：其中X为芳基、C1-C18烷基。其中R、R1、R2、R3为相互独立的氢原子、C1-C18烷基。步骤(1)中引发剂的添加量为烯烃单体质量的0.01wt％-1wt％。引发剂含量太低，将导致其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，其结果导致聚合反应诱导期增长，反应速率慢甚至不发生反应；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。所述的热引发剂没有特别地限制，但考虑到聚合温度范围与引发速率，因此，优选为偶氮类与过氧类热引发剂。优选所述步骤(1)中热引发剂为2,2'-偶氮二(2-甲基丁腈)、偶氮二异丁腈、2,2'-偶氮二(2,4-二甲基戊腈)、4,4-偶氮二(4-氰基戊酸)、1,1'-偶氮二(环己甲腈)以及2,2'-偶氮二(4-甲氧基-2,4-二甲基戊腈)、四甲基丁基过氧化新癸酸酯、双(4-丁基环己基)过氧化二碳酸酯、二(2-乙基己基)过氧化碳酸酯、过氧化新癸酸丁酯、过氧化二碳酸二丙基酯、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二乙氧乙酯、过氧化二碳酸二乙氧己酯、过氧化二碳酸己酯、过氧化二碳酸二甲氧丁酯、双(3-甲氧基-3-甲氧基丁基)过氧化二碳酸酯、过氧化二碳酸二丁基酯、过氧化二(十六烷基)二碳酸酯、过氧化二碳酸双十四烷基酯、1,1,3,3-四甲基丁基过氧化新戊酸酯、过氧化新戊酸己酯、过氧化新戊酸丁酯、三甲基己酰过氧化物、二甲基羟丁基过氧化新癸酸酯、过氧化新癸酸戊酯、过氧化新癸酸丁酯、过氧化新庚酸叔丁酯、过氧化新戊酸戊酯、过氧化新戊酸叔丁酯、过氧化本文档来自技高网...
【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：所述复合材料原料包括：烯烃单体或烯烃单体组合物、热引发剂、碳纤维材料；其中引发剂的添加量为烯烃单体质量的0.01wt％‑1wt％。
【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：所述复合材料原料包括：烯烃单体或烯烃单体组合物、热引发剂、碳纤维材料；其中引发剂的添加量为烯烃单体质量的0.01wt％-1wt％。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含烯烃单体、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：烯烃单体为式I、式II、式III中的一种或几种：其中式I所示结构：其中X、Y为独立的氢原子、芳基、氰基、卤素、C1-C18烷基；式II所示结构：其中X为芳基、氰基、卤素、C1-C18烷基；式III所示结构：其中R、R1、R2、R3为相互独立的氢原子、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：所述热引发剂为2,2'-偶氮二(2-甲基丁腈)、偶氮二异丁腈、2,2'-偶氮二(2,4-二甲基戊腈)、4,4-偶氮二(4-氰基戊酸)、1,1'-偶氮二(环己甲腈)以及2,2'-偶氮二(4-甲氧基-2,4-二甲基戊腈)、四甲基丁基过氧化新癸酸酯、双(4-丁基环己基)过氧化二碳酸酯、二(2-乙基己基)过氧化碳酸酯、过氧化新癸酸丁酯、过氧化二碳酸二丙基酯、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二乙氧乙酯、过氧化二碳酸二乙氧己酯、过氧化二碳酸己酯、过氧化二碳酸二甲氧丁酯、双(3-甲氧基-3-甲氧基丁基)过氧化二碳酸酯、过氧化二碳酸二丁基酯、过氧化二(十六烷基)二碳酸酯、过氧化二碳酸双十四烷基酯、1,1,3,3-四甲基丁基过氧化新戊酸酯、过氧化新戊酸己酯、过氧化新戊酸丁酯、...
【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
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