一种高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒及制备方法技术

本发明专利技术属于纤维复合材料技术领域，特别涉及一种高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒及制备方法。该高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒中的碳纤维平行排列，且每一根碳纤维的表面均由一层功能涂层和一层热塑性树脂层所包覆，功能涂层的厚度范围在0.1‑1微米之间，热塑性树脂层的厚度范围在2‑800微米之间。一种高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒的制备方法包括以下工艺步骤：碳纤维氧化处理→石墨烯或碳纳米管表面正电化处理→碳纤维通过环氧乳液进行上浆处理→双螺杆挤出包覆→切粒。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纤维复合材料
，特别涉及一种高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒及制备方法。
技术介绍
汽车轻量化对节能减排、汽车整体性能的提高以及我国能源战略的贯彻都具有极其重要的推动作用。使用塑料及其复合材料是最有效的方法，并成为各国汽车轻量化最重要的手段。除了具备玻璃纤维增强塑料复合材料的耐腐蚀、整体成型性优良、减震阻尼性能好等一系列优异的综合性能之外，碳纤维复合材料还具有更小的比重、更高的比强度和比刚度、更优异的抗疲劳性能和独特的导热和导电性能。因此，碳纤维增强树脂基复合材料成为最重要的新型材料之一。非连续碳纤维增强热塑性树脂基复合材料因成型工艺简单、成本低、可回收利用等优点而在交通、建筑、体育、化工、机械等领域中的应用逐渐扩大，并逐步取代传统玻纤增强塑料和金属材料。然而，从数量看，非连续碳纤维增强树脂基复合材料的使用远远低于非连续玻纤增强树脂基复合材料，主要原因是前者的成本偏高，此外，传统非连续碳纤维增强树脂基复合材料的强度不足以与金属抗衡，因而在很多场合不能替代金属材料。因此，除了努力降低非连续碳纤维增强树脂基复合材料的成本之外，提高其力学性能也是各国研究者努力的方向。从非连续纤维复合材料的增强理论可知，提高非连续碳纤维增强树脂基复合材料力学性能的途径包括：(1)提高碳纤维本身的力学性能；(2)提高碳纤维的含量；(3)增加碳纤维的残余长度(即成型后碳纤维的实际长度)；(4)提高碳纤维在基体中的分散；(5)增加纤维与基体的界面结合(如表面偶联处理、表面涂覆石墨烯、碳纳米管或纳米SiO2颗粒等的纳米化)。其中途径(1)和(2)势必提高复合材料的成本，(3)、(4)和(5)具有相关性，即界面结合的增强通常会提高纤维在基体中的分散性和增加纤维的残余长度。改善界面结合最有效的措施便是对纤维进行表面处理。为此，本专利技术创造性的采用一种新的方法在碳纤维表面涂覆石墨烯或碳纳米管，以提高碳纤维与热塑性基体的界面结合，同时可提高纤维在基体中的分散性和增加纤维的残余长度。除此之外，本专利技术还制备了具备全新结构的非连续碳纤维增强热塑性树脂基复合材料粒料，可进一步提高纤维在基体中的分散性，同时增加纤维的残余长度，从而大幅度提高复合材料的力学性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高强非连续碳纤维增强热塑性树脂基复合材料颗粒及其制备方法，本专利技术可以克服现有颗粒料结构及其技术的缺陷。它的结构是：颗粒料中的碳纤维平行排列，且每一根碳纤维的表面均由一层较薄的功能涂层和一层较厚的热塑性树脂层所包覆。本专利技术是通过下述技术方案实现的：一种高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒，颗粒料中的碳纤维平行排列，且每一根碳纤维的表面均由一层功能涂层和一层热塑性树脂层所包覆，功能涂层的厚度范围在0.1-1微米之间，热塑性树脂层的厚度范围在2-800微米之间。所述功能涂层包括石墨烯或碳纳米管、偶联剂和润滑剂。颗粒的组成如下：碳纤维5-50％，石墨烯或碳纳米管0.5-5％，相容剂0.5-3％，抗氧剂0.1-2％，润滑剂0.2-3％，其余为树脂。其基体树脂包括尼龙6或者尼龙6，6或者聚对苯二甲酸丁二醇酯或者聚丙烯中的一种或者多种热塑性树脂。碳纤维包括聚丙烯腈基、粘胶基和沥青基碳纤维，其束尺寸包括1k、3k、6k、12k、24k、48k及以上。一种高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒的制备方法，包括以下工艺步骤：碳纤维氧化处理→石墨烯或碳纳米管表面正电化处理→碳纤维通过环氧乳液进行上浆处理→双螺杆挤出包覆→切粒。双螺杆挤出包覆工艺为：具有功能化涂层的碳纤维连续通过一个包含熔融热塑性树脂的模具，使得熔融树脂均匀包覆于碳纤维的表面。功能涂层的制备工艺包括以下几个步骤：碳纤维表面空气氧化处理→干燥→石墨烯或碳纳米管正电化处理→碳纤维通过含有正电化石墨烯或碳纳米管的环氧乳液→干燥。环氧乳液中包含：0.1-10％的石墨烯或碳纳米管，0.1-3％的偶联剂，0.1-0.5％的润滑剂，环氧乳液温度范围为23-50℃之间。石墨烯或碳纳米管正电化处理是通过浸渍于带正电荷的溶液中制成，溶液采用聚乙烯亚胺或者二甲基二烯丙基氯化铵。本专利技术所带来的有益效果是：本专利技术提高了碳纤维与热塑性基体的界面结合，同时可提高纤维在基体中的分散性和增加纤维的残余长度，从而大幅度提高复合材料的力学性能。本专利技术提出采用在碳纤维表面涂覆石墨烯或碳纳米管，以提高碳纤维与热塑性基体的界面结合，同时可提高纤维在基体中的分散性和增加纤维的残余长度；除此之外，本专利技术还提出了具备全新结构的非连续碳纤维增强热塑性树脂基复合材料粒料。测试结果表明，由该类颗粒注塑成型获得的复合材料具备优异的力学性能。附图说明以下结合附图对本专利技术作进一步详细说明。图1是高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒的结构示意图。图2是高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒的截面图。图3是高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒的实物照片。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步的详述：实例一：一种高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒，颗粒料中的碳纤维平行排列，且每一根碳纤维的表面均由一层功能涂层和一层热塑性树脂层所包覆，功能涂层的厚度为0.1微米，热塑性树脂层的厚度为2微米。本实施例中，所述功能涂层包括石墨烯或碳纳米管、偶联剂和润滑剂。本实施例中，颗粒的组成如下：碳纤维5％，石墨烯或碳纳米管0.5％，相容剂0.5％，抗氧剂0.1％，润滑剂0.2％，其余为树脂。本实施例中，其基体树脂包括尼龙6和尼龙6，6和聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚丙烯。本实施例中，碳纤维包括聚丙烯腈基、粘胶基和沥青基碳纤维，其束尺寸为6k。一种高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒的制备方法，包括以下工艺步骤：碳纤维氧化处理→石墨烯或碳纳米管表面正电化处理→碳纤维通过环氧乳液进行上浆处理→双螺杆挤出包覆→切粒。本实施例中，双螺杆挤出包覆工艺为：具有功能化涂层的碳纤维连续通过一个包含熔融热塑性树脂的模具，使得熔融树脂均匀包覆于碳纤维的表面。本实施例中，功能涂层的制备工艺包括以下几个步骤：碳纤维表面空气氧化处理→干燥→石墨烯或碳纳米管正电化处理→碳纤维通过含有正电化石墨烯或碳纳米管的环氧乳液→干燥。本实施例中，环氧乳液中包含：0.1-10％的石墨烯或碳纳米管，0.1-3％的偶联剂，0.1-0.5％的润滑剂，环氧乳液温度为50℃。本实施例中，石墨烯或碳纳米管正电化处理是通过浸渍于带正电荷的溶液中制成，溶液采用聚乙烯亚胺。6k聚丙烯腈基碳纤维先在管式炉中进行氧化处理，与此同时，将石墨烯浸渍于聚乙烯亚胺溶液中进行正电化处理，然后将氧化处理后的碳纤维连续导入装有处理液的槽中进行表面功能化处理，处理液的温度为50℃，处理液的基本组成为环氧乳液和钛酸酯偶联剂，还特别包含质量含量为5％的石墨烯，处理槽中装备有连续搅拌装置，处理时间为2分钟，处理后的纤维从处理槽中出来后直接进入温度为120℃的烘箱中烘干5分钟，随后进行双螺杆挤出，纤维沿与树脂成垂直方向进入包覆口模，熔融的树脂(PA6)在一定的压力下渗透至纤维束内部，并浸渍每一根纤维，最后烘干、切粒即得到具有图1所示结构的非连续碳纤维增强热塑性树脂基复合材料颗粒，颗粒中碳纤维含量为35wt％。注塑成型后测得其拉伸强度(GB/T1040本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒，其特征在于颗粒料中的碳纤维平行排列，且每一根碳纤维的表面均由一层功能涂层和一层热塑性树脂层所包覆，功能涂层的厚度范围在0.1‑1微米之间，热塑性树脂层的厚度范围在2‑800微米之间。

【技术特征摘要】
1.一种高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒，其特征在于颗粒料中的碳纤维平行排列，且每一根碳纤维的表面均由一层功能涂层和一层热塑性树脂层所包覆，功能涂层的厚度范围在0.1-1微米之间，热塑性树脂层的厚度范围在2-800微米之间。2.根据权利要求书1所述的高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒，其特征在于所述功能涂层包括石墨烯或碳纳米管、偶联剂和润滑剂。3.根据权利要求书2所述的高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒，其特征在于颗粒的组成如下：碳纤维5-50％，石墨烯或碳纳米管0.5-5％，相容剂0.5-3％，抗氧剂0.1-2％，润滑剂0.2-3％，其余为树脂。4.根据权利要求书3所述的高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒，其特征在于其基体树脂包括尼龙6或者尼龙6，6或者聚对苯二甲酸丁二醇酯或者聚丙烯中的一种或者多种热塑性树脂。5.根据权利要求书1所述的高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒，其特征在于碳纤维包括聚丙烯腈基、粘胶基和沥青基碳纤维，其束尺寸包括1k、3k、6k、12k、24k、48k及以上。6.一种如权利要求1-5任一项所述的高强碳纤维增强热塑性树脂复合材料颗粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：万怡灶，罗红林，熊光耀，季德惠，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：江西;36