一种碳纤维增强尼龙材料和制备原料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于塑料复合材料领域，具体涉及一种碳纤维增强尼龙材料和制备原料及其制备方法和应用。所述碳纤维增强尼龙材料的制备原料由尼龙、碳纤维、官能团为2的异氰酸酯类化合物、聚碳化二亚胺、抗氧剂和润滑剂组成，所述碳纤维为表面经聚氨酯进行包覆处理后的碳纤维，所述尼龙、碳纤维、官能团为2的异氰酸酯类化合物和聚碳化二亚胺的重量比为(25～160):(10～80):(1～10):1，且所述官能团为2的异氰酸酯类化合物独立保存。采用本发明专利技术提供的原料和方法制得的碳纤维增强尼龙材料兼具有优异的耐疲劳强度和力学强度以及耐热性能。

A Carbon Fiber Reinforced Nylon Material and Its Raw Material, Preparation Method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维增强尼龙材料和制备原料及其制备方法和应用
本专利技术属于塑料复合材料领域，具体涉及一种碳纤维增强尼龙材料和制备原料及其制备方法和应用。
技术介绍
碳纤维增强尼龙材料具有极高的比强度、自润滑性以及耐化学腐蚀性，被广泛应用于机械工业、交通运输和电子电器等行业，由于其良好的机械强度、极低的密度，常被作为轻量化材料替代金属材料用于制作机械齿轮、传动连杆、结构支撑件等受复杂应力的部件。这些部件在正常工作状态下，需要不停地受到交变应力的作用，极有可能在远低于材料屈服强度或断裂强度的情况下发生断裂。关于材料疲劳强度的研发集中在金属材料上，金属材料内部结构由于结晶和杂质分布并不均匀，从而造成应力传递的不平衡，在局部高应力区域形成微小的裂纹，微小的裂纹顶部形成应力集中区，在交变应力作用下，裂纹不断拓展，直至失稳断裂。与金属材料相比，塑料复合材料的断裂机理更加复杂。第一，金属为单相体系，不需要考虑两相及界面对复合材料的影响；第二，金属的工作温度远低于熔点，在工作温度下，金属的强度不发生变形，塑料的工作温度有可能高于塑料本身的玻璃化转变温度，塑料在正常工作状态下有可能发生蠕变和应力松弛。目前，为了提高碳纤维增强尼龙材料的疲劳强度，现有技术主要通过添加POE-G-MAH等相容剂。然而，采用这种方式提高碳纤维增强尼龙材料的疲劳强度，仅考虑了两相的界面，没有考虑到相容剂对碳纤维增强尼龙材料机械强度和耐热温度降低的影响，即，所得材料无法兼具优异的耐疲劳强度和力学强度并保持较高的耐热温度。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有的碳纤维增强尼龙材料通过添加相容剂的方式无法兼具优异的耐疲劳强度和力学强度并保持较高的耐热温度的缺陷，而提供一种能够兼具优异的耐疲劳强度和力学强度并保持较高的耐热温度的碳纤维增强尼龙材料和制备原料及其制备方法和应用。具体地，本专利技术提供了一种碳纤维增强尼龙材料的制备原料，其中，所述碳纤维增强尼龙材料的制备原料由尼龙、碳纤维、官能团为2的异氰酸酯类化合物、聚碳化二亚胺、抗氧剂和润滑剂组成，所述碳纤维为表面经聚氨酯进行包覆处理后的碳纤维，所述尼龙、碳纤维、官能团为2的异氰酸酯类化合物和聚碳化二亚胺的重量比为(25～160):(10～80):(1～10):1，且所述官能团为2的异氰酸酯类化合物独立保存。进一步的，所述碳纤维增强尼龙材料的制备原料由尼龙50～80重量份、碳纤维20～40重量份、官能团为2的异氰酸酯类化合物2～5重量份、聚碳化二亚胺0.5～2重量份、抗氧剂0.5～1重量份和润滑剂0.2～0.6重量份组成。进一步的，所述尼龙选自尼龙66、尼龙6、尼龙612和尼龙12中的至少一种。进一步的，所述尼龙在温度为40℃±0.1℃、参比介质为96±0.15wt％的硫酸水溶液条件下的相对粘度为2.5～3.0。进一步的，所述尼龙的水分含量小于500ppm。进一步的，所述碳纤维为单丝直径5～10μm、长度4～8mm的短切碳纤维。进一步的，所述碳纤维表面包覆的聚氨酯的量为1.5～3wt％。进一步的，所述碳纤维的水分含量小于500ppm。进一步的，所述官能团为2的异氰酸酯类化合物为二苯甲烷二异氰酸酯和/或甲苯二异氰酸酯。进一步的，所述抗氧剂为N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺与双(2,4-二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯的混合物。进一步的，所述润滑剂为有机硅润滑剂和/或乙烯丙烯酸共聚物。本专利技术还提供了一种碳纤维增强尼龙材料的制备方法，其中，所述碳纤维增强尼龙材料以上述碳纤维增强尼龙材料的制备原料作为原料且制备方法包括：S1、将所述尼龙、聚碳化二亚胺、抗氧剂和润滑剂置于低速混料器中混合均匀，得到预混料；S2、将所述预混料和碳纤维分别从双螺杆挤出机的主喂料口和第一侧喂料口加入以进行熔融共混得到尼龙碳纤维共混物，所述官能团为2的异氰酸酯类化合物经熔融之后从双螺杆挤出机的第二侧喂料口加入以与所述尼龙碳纤维共混物继续进行熔融共混，之后将所得熔融共混产物进行挤出即得碳纤维增强尼龙材料。进一步的，所述双螺杆挤出机的长径比为(36～48):1，挤出温度为265～300℃，螺杆转速为350～500r/min。本专利技术还提供了由上述方法制得的碳纤维增强尼龙材料。此外，本专利技术还提供了所述碳纤维增强尼龙材料作为机械齿轮、传动连杆或结构支撑件的制造材料的应用。本专利技术的专利技术人经过深入研究之后发现，碳纤维增强尼龙材料的应力集中点主要在内部碳纤维的两端，在交变应力下，碳纤维两端的界面首先发生脱粘，产生微裂纹，进一步引发应力集中，而往碳纤维增强尼龙材料体系中同时添加官能团为2的异氰酸酯类化合物以及聚碳化二亚胺、通过两者的协同配合作用可以在保持力学强度和耐高温性能的同时提高碳纤维和塑料基体的粘结力，延缓微裂纹的发生，提高疲劳强度并延长使用寿命。推测其原因，可能是由于：一方面，官能团为2的异氰酸酯类化合物的每条分子链上均包括两个活性官能团，反应活性大，不仅能够与尼龙上的羧基、羟基、酰胺基反应以及与聚氨酯包覆碳纤维上的羟基反应，提高材料两相间的相容性，从而获得均一体系以保持力学强度和耐高温性能，而且由于异氰酸酯类化合物为两官能团组分，不易形成交联结构而使材料的加工性能劣化，变长的分子链可以更有效传递应力；另一方面，在正常工作状态下，高频的交变应力会使材料发热以使温度升高，从而进一步使得线性复合材料发生高温降解，而聚碳化二亚胺的加入能够提高材料基体抵抗裂纹扩展的能力，从而提高材料的疲劳强度。此外，在本专利技术提供的碳纤维增强尼龙材料的制备方法中，尼龙塑料基体与碳纤维在双螺杆挤出机前段已均匀混合，而所述官能团为2的异氰酸酯类化合物经熔融之后从位于双螺杆挤出机后段的第二侧喂料口加入，在该位置加入所述官能团为2的异氰酸酯类化合物能够使得熔体粘度增加，但由于剪切力小，亦不会使碳纤维折断，从而避免了碳纤维平均长度变短，大大保持了碳纤维增强尼龙材料的力学性能。具体实施方式下面详细描述本专利技术。在本专利技术中，所述尼龙、碳纤维、官能团为2的异氰酸酯类化合物和聚碳化二亚胺的重量比为(25～160):(10～80):(1～10):1。此外，相对于50～80重量份的尼龙，抗氧剂的含量可以为0.5～1重量份，所述润滑剂的含量可以为0.2～0.6重量份。在本专利技术的最优选实施方式中，所述碳纤维增强尼龙材料的制备原料由尼龙50～80重量份、碳纤维20～40重量份、官能团为2的异氰酸酯类化合物2～5重量份、聚碳化二亚胺0.5～2重量份、抗氧剂0.5～1重量份和润滑剂0.2～0.6重量份组成。此外，所述官能团为2的异氰酸酯类化合物应该独立保存，即与其他组分分开保存，这样能够在后续制备碳纤维增强尼龙材料的过程中实现在前段加入尼龙、碳纤维、聚碳化二亚胺、抗氧剂和润滑剂，而在后段加入官能团为2的异氰酸酯类化合物，从而使所得碳纤维增强尼龙材料具有非常优异的抗疲劳强度和力学强度以及耐热性能。在本专利技术中，所述尼龙的具体实例包括但不限于尼龙66、尼龙6、尼龙612和尼龙12中的至少一种，特别优选为尼龙66。所述尼龙的相对粘度优选为2.5～3.0。在本专利技术中，所述相对粘度的测试温度为40℃±0.1℃，参比介质为96±0.15wt％的硫酸水溶液。此外，所述尼龙的水分含量优选小于5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维增强尼龙材料的制备原料，其特征在于，所述碳纤维增强尼龙材料的制备原料由尼龙、碳纤维、官能团为2的异氰酸酯类化合物、聚碳化二亚胺、抗氧剂和润滑剂组成，所述碳纤维为表面经聚氨酯进行包覆处理后的碳纤维，所述尼龙、碳纤维、官能团为2的异氰酸酯类化合物和聚碳化二亚胺的重量比为(25～160):(10～80):(1～10):1，且所述官能团为2的异氰酸酯类化合物独立保存。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增强尼龙材料的制备原料，其特征在于，所述碳纤维增强尼龙材料的制备原料由尼龙、碳纤维、官能团为2的异氰酸酯类化合物、聚碳化二亚胺、抗氧剂和润滑剂组成，所述碳纤维为表面经聚氨酯进行包覆处理后的碳纤维，所述尼龙、碳纤维、官能团为2的异氰酸酯类化合物和聚碳化二亚胺的重量比为(25～160):(10～80):(1～10):1，且所述官能团为2的异氰酸酯类化合物独立保存。2.根据权利要求1所述的碳纤维增强尼龙材料的制备原料，其特征在于，所述碳纤维增强尼龙材料的制备原料由尼龙50～80重量份、碳纤维20～40重量份、官能团为2的异氰酸酯类化合物2～5重量份、聚碳化二亚胺0.5～2重量份、抗氧剂0.5～1重量份和润滑剂0.2～0.6重量份组成。3.根据权利要求1或2所述的碳纤维增强尼龙材料的制备原料，其特征在于，所述尼龙选自尼龙66、尼龙6、尼龙612和尼龙12中的至少一种；所述尼龙在温度为40℃±0.1℃、参比介质为96±0.15wt％的硫酸水溶液条件下的相对粘度为2.5～3.0；所述尼龙的水分含量小于500ppm。4.根据权利要求1或2所述的碳纤维增强尼龙材料的制备原料，其特征在于，所述碳纤维为单丝直径5～10μm、长度4～8mm的短切碳纤维；所述碳纤维表面包覆的聚氨酯的量为1.5～3wt％；所述碳纤维的水分含量小于500ppm。5.根据权利要求1或2所述的碳纤维增强尼龙材...

【专利技术属性】
技术研发人员：全敦华，陈明进，万锋，孙玉璞，刁雪峰，
申请(专利权)人：金旸厦门新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：福建,35