聚合物/碳纤维中空复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及高分子材料技术领域，具体涉及一种高性能聚合物/碳纤维中空复合材料及其制备方法。本发明专利技术提供一种聚合物/碳纤维中空复合材料，所述中空复合材料中，碳纤维均匀地分散在聚合物中，聚合物分子在碳纤维表面附生结晶形成取向的串晶结构；其中，碳纤维占聚合物/碳纤维中空复合材料质量比例为1％～20wt％。本发明专利技术方法制备的中空复合材料最显著的优点是：(a)接枝到碳纤维表面的聚合物分子链与基体中的聚合物分子链相互穿插堆砌形成片晶，能够增强了碳纤维与聚合物基体之间的界面结合力；(b)聚合物分子在碳纤维表面附生结晶形成高取向的杂化结构使得中空复合材料可能表现出刚韧兼顾的力学性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高分子材料
，具体涉及一种高性能聚合物/碳纤维中空复合材料及其制备方法。
技术介绍
碳纤维是一种来源及使用非常广泛的增强填料，其特点是价格便宜易获得，具有高的力学性能。但是用碳纤维增强聚合物复合材料由于具有高比模量、高比强度、耐腐蚀、耐高温等一系列优异的性能，已被广泛用于导弹、航空、汽车、文体用品及医疗器材等各个领域。但未经处理的碳纤维表面缺乏活性官能团，表面惰性大，使其很难在聚合物基体中的分散均匀，并且其与基体树脂之间的界面性能比较差。针对这些缺陷，现有技术中往往是对填料进行一系列的化学表面改性或者对填料的形状进行特殊设计而达到目的(如Carbon1997,35(10),1581-1585.)(Carbon2004,42(10),1923-1929)，又如专利申请CN103469534A介绍了碳纤维表面化学接枝六亚甲基四胺改善其与树脂之间的界面性能；专利申请CN103806274A介绍了利用Ce4+引发在碳纤维表面化学接枝聚合物提高碳纤维的表面活性，进而提高其与树脂间的界面结合质量。还有大量文献报道了增强碳纤维与树脂基界面结合力的多种方法，主要包括碳纤维表面活化法和表面接枝的方法。但是这些方法均存在要么反应激烈难以控制，或对设备的要求较高，或成本过高，或者工艺复杂等缺陷，从而导致这些方法无法大规模工业化。气体辅助注射成型(GAIM)是在常规注射成型(CIM)的基础上发展而来的一种新型的成型加工方法，具有成型周期短、节省原料、降低锁模力、减少残余应力以及制件尺寸稳定性好等优点，受到了广泛的关注(AdvancesinPolymerTechnology,1995,14(1):1-13)。在气辅成型过程中，首先将一定量的聚合物熔体注入模具型腔中，其次将高压惰性气体(通常为N2)注入模具型腔，穿透并推动聚合物熔体，直至熔体充满整个模具型腔，之后在高压气体的保压作用下熔体逐渐冷却固化，最后排出气体并开模取出制件(Polymer,2007,48(19):5486-5492)。目前，该成型技术已应用于制备汽车部件、电子器件、家电、办公自动化设备、建筑材料等塑料制品领域内(Macromolecularmaterialsandengineering,2000,284(1):76-80)。但是现有技术中，没有有关采用气体辅助注射成型法制备聚合物/碳纤维复合材料的相关报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种聚合物/碳纤维中空复合材料，所得复合材料中，聚合物的一部分接枝到碳纤维表面，接枝在碳纤维表面的聚合物分子链与未接枝的那部分聚合物分子链相互穿插堆砌形成片晶，所得中空复合材料内部为大量的高取向结构，从而提高了碳纤维与聚合物之间的界面结合力，使得中空复合材料拥有高的力学性能。本专利技术的技术方案：本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种聚合物/碳纤维中空复合材料，所述中空复合材料中，碳纤维均匀地分散在聚合物中，聚合物分子在碳纤维表面附生结晶形成取向的串晶结构；其中，碳纤维占聚合物/碳纤维中空复合材料质量比例为1％～20wt％。进一步，所述聚合物/碳纤维中空复合材料中，聚合物的一部分分子链接枝到碳纤维表面，接枝在碳纤维表面的聚合物分子链与未接枝的那部分聚合物分子链相互穿插堆砌形成片晶。进一步，聚合物/碳纤维中空复合材料中，所述聚合物为半结晶聚合物，选自等规聚丙烯、尼龙、聚乙烯或聚四氟乙烯中的至少一种；更进一步，所述聚合物的重均分子量在10～60万之间。进一步，所述碳纤维的直径为80nm～5μm。本专利技术要解决的第二个技术问题是提供了上述聚合物/碳纤维中空复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)先将碳纤维(CF)与聚合物(Polymer)熔融共混制得聚合物/碳纤维(Polymer/CF)混合料；(2)将步骤(1)制备的混合料采用电子辐照法或者等离子体法使聚合物的一部分分子链接枝到碳纤维表面，制备得聚合物/聚合物接枝碳纤维(Polymer/Polymer-g-CF)共混物；其中，碳纤维的接枝率为1％～30wt％；(3)将步骤(2)制备的聚合物/聚合物接枝碳纤维共混物采用气体辅助注射成型制备得到聚合物/碳纤维中空复合材料。进一步，步骤(3)的成型过程如下：先将步骤(2)制备的聚合物/聚合物接枝碳纤维共混物塑化，再经熔体短射，然后高压气体穿透熔体并推动熔体充满整个型腔，最后保压、冷却、脱模，制得聚合物/碳纤维中空复合材料。进一步，步骤(2)中，采用电子辐照法时，辐照剂量为1～40KGy。进一步，步骤(3)中，气体辅助注射成型的工艺参数设置为：塑化温度为175～220℃，短射量60～80％，气压6.0～15.0Mpa，气体冷却时间0～25s，模具温度10～30℃。本专利技术中，步骤1中碳纤维(CF)与聚合物(Polymer)熔融共混制得聚合物/碳纤维(Polymer/CF)混合料采用现有的熔融共混如双螺杆基础造粒法等制备即可，使得碳纤维均匀分散在聚合物中即可。本专利技术要解决的第三个技术问题是提供一种改善碳纤维与聚合物之间界面结合力的方法：即先将碳纤维与聚合物熔融共混制得聚合物/碳纤维混合料；再将混合料经电子辐照法或等离子体法使碳纤维表面接枝一部分聚合物制得聚合物/聚合物接枝碳纤维共混物；最后将共混物采用气体辅助注射成型法制备得到聚合物/碳纤维中空复合材料；从而起到了改善碳纤维与聚合物之间界面结合力的作用。进一步，一种改善碳纤维与聚合物之间界面结合力的方法中，所述气体辅助注射成型方法如下：将聚合物/聚合物接枝碳纤维共混物塑化，再经熔体短射，然后高压气体穿透熔体并推动熔体充满整个型腔，最后保压、冷却、脱模，制得聚合物/碳纤维中空复合材料。进一步，气体辅助注射成型的工艺参数设置为：塑化温度为175～220℃，短射量60～80％，气压6.0～15.0Mpa，气体冷却时间0～25s，模具温度10～30℃。本专利技术的有益效果：(1)该方法制备的中空复合材料最显著的优点是：(a)接枝到碳纤维表面的聚合物分子链与基体中的聚合物分子链相互穿插堆砌形成片晶，能够增强了碳纤维与聚合物基体之间的界面结合力；(b)聚合物分子在碳纤维表面附生结晶形成高取向的杂化结构使得中空复合材料可能表现出刚韧兼顾的力学性能；(2)该中空复合材料是利用注射成型制备，方法简单高效，成本低，有利于实现工业化生产；(3)所选用的聚合物和CF均为工业级产品，原料易得。附图说明图1辐照前后高密度聚乙烯(HDPE)和辐照前后的高密度聚乙烯/纳米碳纤维(HDPE/CNF)的红外光谱图；图中IR标示经过电子辐照；图2气辅注射成型高密度聚乙烯/接枝聚乙烯的纳米碳纤维(GAIMHDPE/HDPE-g-CNF)中空复合材料的断面形貌图：(a)40000×；(b)80000×；图3GAIMHDPE/HDPE-g-CNF中空复合材料的结晶形态结构图：(a)100nm；(b)300nm；(c)600nm；(d)1000nm；(e)1400nm；垂直方向是剪切流动方向。图4气辅成型高密度聚乙烯(GAIMHDPE)中空材料和GIAMHDPE/HDPE-g-CNF中空复合材料和普通注射成型高密度聚乙烯/接枝聚乙烯的纳米碳纤维(CIMHD本文档来自技高网...

【技术保护点】
聚合物/碳纤维中空复合材料，其特征在于，所述中空复合材料中，碳纤维均匀地分散在聚合物中，聚合物分子在碳纤维表面附生结晶形成取向的串晶结构；其中，碳纤维占聚合物/碳纤维中空复合材料质量比例为1％～20wt％。

【技术特征摘要】
1.聚合物/碳纤维中空复合材料，其特征在于，所述中空复合材料中，碳纤维均匀地分散在聚合物中，聚合物分子在碳纤维表面附生结晶形成取向的串晶结构；其中，碳纤维占聚合物/碳纤维中空复合材料质量比例为1％～20wt％。2.根据权利要求1所述聚合物/碳纤维中空复合材料，其特征在于，所述聚合物/碳纤维中空复合材料中，聚合物的一部分分子链接枝到碳纤维表面，接枝在碳纤维表面的聚合物分子链与未接枝的聚合物分子链相互穿插堆砌形成片晶。3.根据权利要求1或2所述聚合物/碳纤维中空复合材料，其特征在于，所述聚合物为半结晶聚合物，进一步，所述聚合物选自等规聚丙烯、尼龙、聚乙烯或聚四氟乙烯中的至少一种；更进一步，所述聚合物的重均分子量在10～60万之间。4.根据权利要求1或2所述聚合物/碳纤维中空复合材料，其特征在于，所述碳纤维的直径为80nm～5μm。5.权利要求1～4任一项所述聚合物/碳纤维中空复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)先将碳纤维与聚合物熔融共混制得聚合物/碳纤维混合料；(2)将步骤(1)制备的混合料采用电子辐照法或者等离子体法使聚合物的一部分分子链接枝到碳纤维表面，制备得到聚合物/聚合物接枝碳纤维共混物；其中，碳纤维的接枝率为1％～30wt％；(3)将步骤(2)制备的聚合物/聚合物接枝碳纤维共混物采用气体辅助注射成型制备得到聚合物/碳纤维中空复合材料。6.根据权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨鸣波，夏小超，刘正英，杨伟，谢丹丹，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51