一种碳纤维增强聚酯复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纤维增强聚酯复合材料及其制备方法，先将表面包覆热固性树脂上浆剂的碳纤维在250～350℃保温0.5～15min，再将低温热处理的碳纤维由双螺杆挤出机加纤口加入，热塑性聚酯、抗氧化剂及润滑剂的混合物自双螺杆挤出机料斗加入，挤出制得拉伸强度为160～220MPa，弯曲强度为240～290MPa的碳纤维增强聚酯复合材料；表面包覆热固性树脂上浆剂的碳纤维、热塑性聚酯、抗氧化剂及润滑剂的质量比为20～40:60～80:0.1～0.3:0.1～0.5。本发明专利技术的制备方法，热处理温度低、能耗小，处理后碳纤维表面富含可与热塑性聚酯反应的羧基，利于与热塑性聚酯的化学键合，极具应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维增强聚酯复合材料及其制备方法
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聚酯复合材料及其制备方法。
技术介绍
聚酯是由多元醇和多元酸缩聚而得聚合物的总称，主要指聚对苯二甲酸乙二酯(PET)和聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)等线型热塑性树脂。其具有高熔点、高韧性、出色的耐热性能、耐电性能和尺寸稳定性，被广泛应用于纺织、汽车及电子电器等领域。碳纤维(CF)具有高强度、高模量、良好的热传导性、热稳定性、耐疲劳性和抗蠕变性等特点，因而常常用作聚合物的增强剂，是其他玻璃纤维增强复合材料所无法比拟的，被广泛的应用于航空航天、新能源、轨道交通、汽车工业及体育用品等高新技术产业领域。将碳纤维与聚酯复合制备碳纤维增强聚酯复合材料，可以利用碳纤维的优异的力学性能提高复合材料整体的性能。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(高科技纤维与应用，2014,39,1-6)。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。目前对碳纤维进行热塑性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、断丝，从而降低了碳纤维的品质。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，不利于碳纤维与树脂基体的浸润和界面结合。解决热塑性树脂用碳纤维的根本出路是改变碳纤维上浆剂的相容性，使其与热塑性树脂相容。《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。《Appliedsurfacescience》(2016,379,199-205)将表面包覆热固性环氧树脂的碳纤维在200℃下真空处理2h，其增强环氧树脂复合材料界面性能下降，这是由于真空热处理碳纤维，促使碳纤维在与树脂基体成型前，碳纤维上的上浆剂自身发生了交联反应，从而减少了碳纤维与热固性树脂基体成型中的化学反应基团。这说明真空加热处理会促使碳纤维上可反应基团的降低，更不利于与反应活性低的热塑性树脂基体界面结合。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热塑性树脂相容性即复合材料的力学性能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热塑性树脂相容性即复合材料的力学性能的方法，具体是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，提高碳纤维与热塑性树脂基体的相容性。然后再将处理后的碳纤维与热塑性聚酯复合，处理后的碳纤维表面富含羧基，与热塑性聚酯基体存在化学键合作用，能有效增强热塑性聚酯界面性能。本专利技术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，将表面的亚甲基和羟基氧化为可与后续处理的热塑性聚酯基体反应的羧基，改善处理后碳纤维与后续处理的热塑性聚酯基体间的界面结合作用，此外热固性上浆剂表面氧化产生的羧基还可与碳纤维表面原有的含氧基团脱氢，形成交联，增强碳纤维与热固性上浆剂间的界面作用，从而增强整体复合材料的界面和力学性能。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种碳纤维增强聚酯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，再将低温热处理的碳纤维由双螺杆挤出机加纤口加入，热塑性聚酯、抗氧化剂及润滑剂的混合物自双螺杆挤出机料斗加入，挤出制得碳纤维增强聚酯复合材料；所述表面包覆热固性树脂上浆剂的碳纤维、热塑性聚酯、抗氧化剂及润滑剂的质量比为20～40:60～80:0.1～0.3:0.1～0.5。碳纤维的含量对碳纤维增强聚酯复合材料的力学性能有很大影响。将碳纤维与聚酯树脂均匀混合，均匀分散的碳纤维通过表面的基团可与基体树脂在两者的界面处形成强的作用力，可将载荷有效地从基体传递到增强体碳纤维上，使增强体碳纤维承载了主要的载荷，而碳纤维具有很高的强度，所以表现出碳纤维增强聚酯复合材料的力学性能增大。碳纤维的含量小于20％时，未有足够的碳纤维来承载复合材料的载荷，从而影响了增强聚酯复合材料的力学性能。在碳纤维含量超过20％时，通过碳纤维与基体树脂间强的界面作用力，可使基体的载荷有效的转移到碳纤维上，使得整体复合材料的力学性能获得明显提高。但是当碳纤维含量超过40％时，碳纤维的增强聚酯树脂的复合材料力学性能开始降低，这是因为碳纤维填充过高含量时，碳纤维在聚酯基体中的分散不好，在小范围内会发生相互缠结和团聚现象，团聚的碳纤维周围的聚酯基体少，甚至形成微孔缺陷，使其受到外部作用力时成为应力薄弱点，更易引起材料的局部破坏，造成复合材料的机械性能下降。抗氧化剂在复合材料中起着抑制基体高温成型中的热氧化降解及使用中材料因热、光等造成的产品老化的作用。因此，抗氧化的量需要添加一定量，一般为0.1％来满足加工和使用中的耐氧化降解的性能要求，抗氧化剂如受阻胺类经光氧化作用后转化成硝酰自由基，这种硝酰自由基被认为是真正稳定的组分，它可以捕获自由基，生成的产物再与过氧化物自由基重新生成硝酰自由基。当添加量达到0.3％时，抗氧化剂在外界作用下能够分解产生和被消耗的自由基浓度达到平衡，使得复合材料的抗氧化性能达到最佳，因此选取抗氧化的浓度为0.1～0.3％。润滑剂在复合材料中的加工和成型中起到很重要的作用，成型过程中，润滑剂通过插入聚合物链之间，削弱分子间的作用力，促进高分子之间产生滑动和旋转，或者包覆于聚合物树脂初级微粒的表面，来降低热塑性树脂熔体的粘度，该方法可以在较低的温度和剪切速率下实现熔体粘度的降低，避免因加工温度的提高导致熔体破裂、能耗增加以及热塑性聚酯发生过多的降解。并且，润滑剂多为极性化合物，它们与树脂兼容性有限，能够从熔体迁移到表面，极性基团与模具金属表面具有一定的亲和性，这样在熔体和金属之间形成一层相对稳定、互为隔离的分子层，因此抑制聚酯熔体与加工机械表面之间的粘着。此外润滑剂还可以在制品表面形成自润滑层，产生永久的润滑作用。要想实现上述效果，在复合材料中的添加量需要大于0.1％，但是要控制在0.5％，因为过多的润滑剂会在加工成型中因自身的部分降解产生过多的裂解气体，在复合材料中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维增强聚酯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，再将低温热处理的碳纤维由双螺杆挤出机加纤口加入，热塑性聚酯、抗氧化剂及润滑剂的混合物自双螺杆挤出机料斗加入，挤出制得碳纤维增强聚酯复合材料；所述表面包覆热固性树脂上浆剂的碳纤维、热塑性聚酯、抗氧化剂及润滑剂的质量比为20～40:60～80:0.1～0.3:0.1～0.5；所述低温热处理是指在250～350℃保温0.5～15min。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增强聚酯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，再将低温热处理的碳纤维由双螺杆挤出机加纤口加入，热塑性聚酯、抗氧化剂及润滑剂的混合物自双螺杆挤出机料斗加入，挤出制得碳纤维增强聚酯复合材料；所述表面包覆热固性树脂上浆剂的碳纤维、热塑性聚酯、抗氧化剂及润滑剂的质量比为20～40:60～80:0.1～0.3:0.1～0.5；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聚酯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；其平均长度为10μm～3mm。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；所述热塑性聚酯为聚对苯二甲酸丁二酯和聚对苯二甲酸乙二酯的一种以上；所述抗氧化剂为四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、N,N’-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺或三[2,4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯中的一种以上；所述润滑剂为硬酯酸锌、乙撑双脂肪酰胺、乙烯-丙烯酸共聚物或硅酮粉中的一种以上。4.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕永根，姚莉丽，李胜霞，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