阻燃热塑性碳纤维复合材料及其制备方法、隔热碳纤维的制备方法技术

本申请提供一种阻燃热塑性碳纤维复合材料及其制备方法、隔热碳纤维的制备方法，其中所述阻燃热塑性碳纤维复合材料以重量百分比计，包括：聚酰胺，45％～70％；隔热碳纤维，20％～30％，且所述隔热碳纤维包括碳纤维以及位于所述碳纤维的表面的稀土晶体包覆层；阻燃剂，10％～25％。本申请技术方案的阻燃热塑性碳纤维复合材料及其制备方法、隔热碳纤维的制备方法可以解决碳纤维在复合材料燃烧时出现的“烛芯效应”。。。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】阻燃热塑性碳纤维复合材料及其制备方法、隔热碳纤维的制备方法


[0001]本申请涉及复合材料领域，尤其涉及一种阻燃热塑性碳纤维复合材料及其制备方法、隔热碳纤维的制备方法。

技术介绍

[0002]碳纤维增强热塑性复合材料具有轻质高强、可设计、抗冲击韧性、成型周期短、可循环利用等优点，已成为航空复合材料发展的主要趋势。碳纤维分布在复合材料基体中，起到类似蜡烛烛芯的作用，会作为热量集中点使其周边的热塑性基体更容易热解和点燃。
[0003]这种碳纤维在复合材料燃烧时出现的“烛芯效应”已成为限制其安全使用的技术瓶颈，严重制约了碳纤维增强热塑性复合材料在航空领域的规模化应用。

技术实现思路

[0004]本申请解决的技术问题是碳纤维在复合材料燃烧时出现的“烛芯效应”。
[0005]为解决上述技术问题，本申请提供一种阻燃热塑性碳纤维复合材料，以重量百分比计，包括：聚酰胺，45％～70％；隔热碳纤维，20％～30％，且所述隔热碳纤维包括碳纤维以及位于所述碳纤维的表面的稀土晶体包覆层；阻燃剂，10％～25％。
[0006]在本申请的一些实施例中所述稀土晶体包覆层通过Ce(NO3)3和苯基磷酸进行水热合成反应并清洗干燥形成。
[0007]在本申请的一些实施例中，所述聚酰胺包括PA6和/或PA66，所述碳纤维包括聚丙烯腈基碳纤维。
[0008]在本申请的一些实施例中，所述阻燃剂包括无卤磷系阻燃剂。
[0009]本申请还提供上述的阻燃热塑性碳纤维复合材料的制备方法，包括：自螺杆挤出机的料斗向所述螺杆挤出机中加入所述聚酰胺和所述阻燃剂，自所述螺杆挤出机的进丝口向所述螺杆挤出机中加入所述隔热碳纤维，熔融共混后挤出成型获得所述阻燃热塑性碳纤维复合材料。
[0010]在本申请的一些实施例中，所述螺杆挤出机的加料区温度为150℃～180℃，压缩区温度为230℃～260℃，均化区温度为250℃～270℃，螺杆转速为120r/min～150r/min，所述隔热碳纤维的进丝速率为1米/min～5米/min。
[0011]本申请还提供一种隔热碳纤维的制备方法，包括：提供苯基磷酸溶液、稀土溶液及碳纤维；将所述碳纤维置于硫酸溶液中，并在惰性气体的保护下加热至第一温度，使所述碳纤维的表面包括氢离子；去除所述惰性气体的保护，清洗所述碳纤维直至清洗液的pH在6.8～7.5，使所述氢离子被空气中的氧气氧化为羟基；将表面包括羟基的碳纤维置于所述苯基磷酸溶液中，并加热至第二温度，在惰性气体的保护下加入所述稀土溶液，在所述碳纤维的表面形成稀土聚集物；清洗并干燥表面具有所述稀土聚集物的碳纤维，在所述碳纤维表面形成稀土晶体包覆层。
[0012]在本申请的一些实施例中，所述稀土溶液为Ce(NO3)3的饱和水溶液，所述苯基磷酸溶液为苯基磷酸的饱和水溶液。
[0013]在本申请的一些实施例中，所述第一温度为50℃～70℃，所述第二温度为90℃～110℃。
[0014]在本申请的一些实施例中，形成所述稀土聚集物后，还包括在所述第二温度下静置至少24小时，使稀土聚集物生长完全。
[0015]与现有技术相比，本申请技术方案具有如下有益效果：
[0016]通过在碳纤维表面沉积生长稀土聚集物，从而在碳纤维表面形成耐高温的稀土晶体包覆层，稀土晶体包覆层可以起到隔热的作用，从而可以有效地抑制碳纤维在高分子基体中作为
″
烛芯
″
引发其周围基体材料的热解和点燃，进而有效地延长了阻燃热塑性碳纤维复合材料被点燃的时间，显著提高了阻燃热塑性碳纤维复合材料的阻燃性能，将阻燃热塑性碳纤维复合材料应用于火灾服时，可以为火灾中人员逃生与救援争取宝贵的时间。
[0017]本申请技术方案的隔热碳纤维的制备方法，以苯基磷酸和稀土溶液为原料，先采用硫酸溶液对碳纤维的表面进行处理，在碳纤维表面形成氢离子活性点，然后再通过氧气将氢离子活性点氧化为羟基活性点，苯基磷酸和稀土物质反应经水热化反应生成的稀土聚集物会生长在羟基活性点上，待反应完全后，会在碳纤维表面包覆形成稀土晶体包覆层，通过该方法制备的隔热碳纤维具有较好的隔离能力，采用隔热碳纤维取代现有的碳纤维并应用于碳纤维复合材料中，可以大幅提高碳纤维复合材料的火性能。
附图说明
[0018]以下附图详细描述了本申请中披露的示例性实施例。其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示类似的结构。本领域的一般技术人员将理解这些实施例是非限制性的、示例性的实施例，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本申请的范围，其他方式的实施例也可能同样的完成本申请中的专利技术意图。应当理解，附图未按比例绘制。其中：
[0019]图1为实施例3的隔热碳纤维表面的稀土晶体在氮气气氛下的热失重测试结果图；
[0020]图2为实施例3的隔热碳纤维表面的稀土晶体在空气气氛下的热失重测试结果图；
[0021]图3为实施例3和对比例3的碳纤维复合材料燃烧后残炭的扫描电镜图。
具体实施方式
[0022]以下描述提供了本申请的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本申请中的内容。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种局部修改是显而易见的，并且在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，本申请不限于所示的实施例，而是与权利要求一致的最宽范围。
[0023]基于目前碳纤维增强热塑性复合材料中存在的“烛心效应”本申请实施例在碳纤维表面沉积了耐高温的稀土晶体，在碳纤维表面形成致密的隔热包覆层，从而阻止了碳纤维作为材料中的热量集中点，很大程度上缓解甚至抑制了“烛芯效应”，进而使碳纤维增强热塑性复合材料具有了优异的火安全性能。
[0024]具体地本申请实施例的阻燃热塑性碳纤维复合材料，以重量百分比计，包括：45％
～70％的聚酰胺、20％～30％的隔热碳纤维和10％～25％的阻燃剂。当聚酰胺、隔热碳纤维和阻燃剂的比例在上述范围中时，阻燃热塑性碳纤维复合材料具有较好的阻燃性能。其中所述聚酰胺是分子主链上含有重复酰胺基团(
‑
[NHCO]‑
)的聚合物，简称PA，例如所述聚酰胺可以包括PA6(尼龙6)和PA66(尼龙66)中的至少一种。所述碳纤维例如可以包括聚丙烯腈基碳纤维。所述阻燃剂包括无卤磷系阻燃剂，例如所述无卤磷系阻燃剂可以包括聚磷酸胺、磷酸三甲苯酯、次磷酸铝等其中的一种或几种。
[0025]所述隔热碳纤维包括碳纤维以及位于所述碳纤维的表面的稀土晶体包覆层，所述稀土晶体包覆层可以起到隔热的作用，使得碳纤维不再作为热量集中点，可以有效抑制“烛芯效应”。在本申请实施例中，所述稀土晶体包覆层通过Ce(NO3)3和苯基磷酸进行水热合成反应并清洗干燥形成。所述Ce(NO3)3和苯基磷酸在碳纤维表面发生反应后，生成含有苯基膦结构的稀土聚集物覆盖在碳纤维表面，再经清洗并干燥后形成所述稀土晶体包覆层。
[0026]本申请实施例还提供所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种阻燃热塑性碳纤维复合材料，以重量百分比计，包括：聚酰胺，45％～70％；隔热碳纤维，20％～30％，且所述隔热碳纤维包括碳纤维以及位于所述碳纤维的表面的稀土晶体包覆层；阻燃剂，10％～25％。2.根据权利要求1所述的阻燃热塑性碳纤维复合材料，其特征在于，所述稀土晶体包覆层通过Ce(NO3)3和苯基磷酸进行水热合成反应并清洗干燥形成。3.根据权利要求1所述的阻燃热塑性碳纤维复合材料，其特征在于，所述聚酰胺包括PA6和/或PA66，所述碳纤维包括聚丙烯腈基碳纤维。4.根据权利要求1所述的阻燃热塑性碳纤维复合材料，其特征在于，所述阻燃剂包括无卤磷系阻燃剂。5.一种如权利要求1至4任一项所述的阻燃热塑性碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括：自螺杆挤出机的料斗向所述螺杆挤出机中加入所述聚酰胺和所述阻燃剂，自所述螺杆挤出机的进丝口向所述螺杆挤出机中加入所述隔热碳纤维，熔融共混后挤出成型获得所述阻燃热塑性碳纤维复合材料。6.根据权利要求5所述的阻燃热塑性碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述螺杆挤出机的加料区温度为150℃～180℃，压缩区温度为230℃～260℃，均化区温度为250℃～270℃，螺...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭正虹，李娟，闫红强，王炳涛，杨勇，
申请(专利权)人：浙大宁波理工学院，
类型：发明
国别省市：