一种热塑性纤维及其共织增强复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种热塑性石墨烯改性聚酰胺纤维及其共织增强复合材料的制备方法，其特征在于纤维共织增强复合材料采用增强纤维作厚向接结经纱、纬纱和衬垫经纱种的一种或两种，其余部分为本发明专利技术制得热塑性石墨烯改性聚酰胺纤维经三维织造后，通过热压工艺制得，本发明专利技术所述的纤维共织增强复合材料制备方法简单、强度高，制得的纤维共织增强复合材料避免了浸渍不均匀、原材料损耗大、树脂基体强度低等问题，同时其力学性能优异，且该纤维共织增强复合材料的制备工艺简单，实现了热塑性基体含量可控复合材料的制备。含量可控复合材料的制备。含量可控复合材料的制备。

【技术实现步骤摘要】
一种热塑性纤维及其共织增强复合材料的制备方法


[0001]本专利技术属于热塑性纤维增强复合材料的
，具体涉及一种热塑性纤维及其共织增强高性能复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]复合材料因其综合了基体材料和增强材料的各项优点，具有轻质、高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、耐冲击性和耐化学性等优点，广泛应用于电子、汽车、航空航天、国防军工、核能工业、防弹和建筑等诸多行业中。
[0003]在冲击防护、航空航天等高性能复合材料领域内，通常采用酚醛树脂、环氧树脂等热固性树脂体系增强对位芳纶高性能纤维，对材料回收、修复等工作带来困难。相较于热固性复合材料，热塑性复合材料具备优异的耐冲击性、耐化学性、长货架期、可重复使用性和可回收性等优点，在工业应用中呈不断增长趋势。
[0004]大多数热塑性纤维增强复合材料需通过预浸工艺来制备，其加工难度较大，工艺流程复杂，成本较高，需要进一步改善加工工艺。此外，常用的防弹复合材料制备方法中，树脂基体的含量可高达50％以上，而树脂含量过高会导致复合材料弹道性能降低。
[0005]目前，国内外研究人员对于热塑性纤维增强复合材料的制备方法进行了许多改进研究，主要是对连续增强纤维与热塑性基体纤维通过混编模压技术消除复杂的预浸工序过程，一次性从干纤维中制造热塑性复合材料。中国专利CN106868676B将经过表面改性的聚酰亚胺增强纤维与聚甲醛基体纤维按不同比例制成包覆纱，再编织成三维混编织物，最后模压制成纤维增强复合材料，解决了聚甲醛基体与增强纤维相容性差的问题，不足之处在于制备过程压力较高，能耗大，且聚甲醛基体纤维存在明显未完全熔融现象。中国专利CN103397429A公开了一种用于热塑性纤维增强复合材料的混编常规平纹织物及其制备方法，该方法的不足之处在于编织物的层间结合强度低。中国专利CN103660310A公开了一种光固化的热塑性纤维增强环氧基复合材料及其制备方法，该方法对人体及周边环境无任何危害，该方法流程长、控制精度要求较高。安学锋等人(航空材料学报,2006,26(3):217
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221)利用增强纤维(碳纤维)与热塑性纤维(PEEK)混合铺排成具备一定的曲面铺覆性的预浸料，可利用热压成型工艺制备热塑性复合材料加筋结构，该方法的不足在于增强纤维在复合材料厚度方向未建立起连接，在冲击载荷下易诱发分层破坏与过度背凹。张承启等人(复合材料学报，2019，36(11)：2487
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2494)将增强纤维(碳纤维)与热塑性基体纤维PA6按比例混合成包缠纱线，并织成平纹织物，加热后制得热塑性复合材料。CN102134372A专利提出了一种将聚醚醚酮纤维与碳纤维进行三维五向混合编织后热压成型构造碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的方法，但是受编织工艺技术的限制，编织的混杂纤维束空隙大，热压时气泡难以排出，导致孔隙率较大。
[0006]因此，如何进一步提高热塑性基体纤维与增强纤维的相容性，提高热塑性基体纤维的强度，进而进一步提高复合材料的综合力学性能成为目前亟待解决的问题。

技术实现思路

[0007]基于上述技术背景，本专利技术人进行研究，结果发现：采用高性能增强纤维作厚向接结经纱、衬垫经纱和纬纱中的一种或两种，其余部分为以本专利技术所述制备方法制得的热塑性基体纤维经三维织造后，通过热压工艺制得纤维共织增强复合材料，其简化了纤维增强复合材料的制备工艺，且以本专利技术所述制备方法制得的热塑性基体纤维与增强纤维的相容性好，避免了浸渍不均匀、原材料损耗大等问题，实现了热塑性基体含量可控复合材料的制备，有效提高了最终制得复合材料产品的性能，特别是弹道防护性能。
[0008]本专利技术的第一方面在于提供一种热塑性石墨烯改性聚酰胺纤维的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
[0009]步骤a、制备石墨烯分散液；
[0010]步骤b、将步骤a制得的石墨烯分散液与己内酰胺混合反应，制得石墨烯增韧聚酰胺切片；
[0011]步骤c、将步骤b得到的切片进行熔融纺丝。
[0012]以下对该步骤进行具体描述和说明。
[0013]步骤a、制备石墨烯分散液。
[0014]本专利技术所述石墨烯粉体的粒径为0.1～1μm，优选为0.1～0.5μm。石墨烯粉体的粒径越小，制得的石墨烯分散液越稳定和均匀，经其改性后制得的石墨烯改性聚酰胺纤维具有更优异的韧性和断裂强度。
[0015]所述石墨烯分散液由石墨烯粉体和表面活性剂制得。将石墨烯粉体和表面活性剂加入水中进行混合，优选为研磨混合，更优选在研磨机中进行研磨混合。
[0016]根据本专利技术，表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇和硅烷偶联剂中的一种或几种，优选为十六烷基三甲基溴化铵或硅烷偶联剂中的一种，更优选为十六烷基三甲基溴化铵。
[0017]所述石墨烯分散液中石墨烯的质量百分比为1～10％，优选为2～8％，更优选为4～6％。
[0018]表面活性剂与石墨烯粉体的质量比为(0.1～0.3):1，优选为(0.15～0.25)：1，更优选为0.25:1。
[0019]表面活性剂的添加量会影响制得石墨烯分散液的分散和均匀度，若表面活性剂的添加量太少，制得石墨烯分散液的均匀度较低，不利于最终制得聚酰胺纤维韧性和强度的提高，若表面活性剂的添加量太多，同样会降低聚酰胺纤维的韧性和强度。
[0020]所述研磨的时间为1～10h，优选为1～5h，更优选为4h。
[0021]优选研磨后再对分散液进行超声分散，进一步提高石墨烯分散液的均匀度。
[0022]超声分散时间为15～60min，优选为30～60min，更优选为45min。
[0023]经超声分散后静置石墨烯分散液，所述石墨烯分散液的静置时间为3～10h，优选为3～7h，更优选为5h。
[0024]待静置分层后，取得石墨烯浆液。
[0025]步骤b、将步骤a制得的石墨烯分散液与己内酰胺混合熔融，制得石墨烯增韧聚酰胺母粒。
[0026]将步骤b制得的石墨烯分散液与己内酰胺进行混合，将混合后的物料加入挤出机
中进行熔融挤出，优选置于双螺杆挤出机中进行熔融挤出。
[0027]所述石墨烯粉末与己内酰胺的质量比为1：(5～10)，优选为1：(7～9)，更优选为1:8。
[0028]本专利技术人发现，石墨烯粉末的添加需适量，其添加量太多或太少都不利于最终制得石墨烯改性聚酰胺纤维力学性能的提高，若添加量太多，石墨烯在聚酰胺纤维上的分散性差，石墨烯粉末会在聚酰胺纤维上存在团聚现象，不利于最终制得纤维力学性能的提高，若石墨烯的添加量太少，同样不利于最终制得纤维的力学性能的提高，这可能是由于石墨烯的添加量太少时，其与聚酰胺纤维基体的界面相互作用降低造成的。经试验发现，当石墨烯粉末与己内酰胺的质量比为1：(5～10)时，石墨烯粉末在聚酰胺纤维基体上的分散性最好，制得纤维的力学性能最优，特别是拉伸强度大大提高。
[0029]本专利技术所述挤出机各区域的温度依次设为(210～225本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热塑性石墨烯改性聚酰胺纤维的制备方法，其特征在于，该热塑性石墨烯改性聚酰胺纤维的制备方法包括以下步骤：步骤a、制备石墨烯分散液；步骤b、将步骤a制得的石墨烯分散液与己内酰胺混合反应，制得石墨烯增韧聚酰胺切片；步骤c、将步骤b得到的切片进行熔融纺丝。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a中，所述石墨烯分散液包括石墨烯粉体、表面活性剂以及溶剂制得；所述石墨烯分散液中石墨烯的质量百分比为1～10％；表面活性剂与石墨烯粉体的质量比为(0.1～0.3):1。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b中，所述石墨烯粉末与己内酰胺的质量比为1：(5～10)；在步骤c中，所述纺丝温度为200～300℃，纺丝速度为100～1000m/min。4.一种纤维共织增强复合材料，其特征在于，该纤维共织增强复合材料由增强纤维作为厚向接结经纱、衬垫经纱和纬纱中的一种或两种，其余部分为热塑性石墨烯改性聚酰胺纤维经织造后，通过热压工艺制得。5.根据权利要求4所述的纤维共织增强复合材料，其特征在于，所述增强纤维选自芳纶纤维、碳纤维、玻璃纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维、聚酰亚胺纤维、聚(2,5
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二羟基
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1,4
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苯撑吡啶并二咪唑)纤维中的一种或几种；所述热...

【专利技术属性】
技术研发人员：王芳，闵胜男，张金峰，张秀芹，梁园，杨莹雪，左帅，刘娜，
申请(专利权)人：中国石化仪征化纤有限责任公司北京服装学院，
类型：发明
国别省市：