具有化学界面结合及交联结构的尼龙/碳纤维复合材料制造技术

具有化学界面结合及交联结构的尼龙/碳纤维复合材料涉及短切碳纤维表面改性技术与聚合物辐照加工技术，主要应用于制备高强度聚合物复合材料及其制件领域，以期能够达到大幅改善制件力学性能的目的。该材料设计的特征在于，在乙醇

【技术实现步骤摘要】
具有化学界面结合及交联结构的尼龙/碳纤维复合材料

：
[0001]本申请涉及塑料/纤维复合材料领域，更具体的涉及一种在制备短切碳增强尼龙材料的基础上，使用辐照交联技术进一步改善材料性能的方法。

技术介绍
：
[0002]尼龙是主链链节含有酰胺基(
‑
CO
‑
NH
‑
)的线性聚合物的总称，普遍具有优良的自润滑性、耐磨性、耐油性、低温性能，力学强度较高，耐热性、电绝缘性、耐化学药品性好，而且能自熄，易加工成型。在五大通用工程塑料中，聚酰胺具有产量大、品种多、用途广、综合性能优良的特点，所以生产和需求量一直位于五大工程塑料的首位，在机械制造、电子电器、汽车零部件、运动器材、建筑材料、日常用品等领域应用非常广泛。然而，酰胺基团的存在使尼龙具有极性较大的特点，这造成使用过程中尼龙存在吸水率高、低温冲击韧性差、尺寸稳定性差等缺点，这在一定程度上局限了尼龙的应用。
[0003]为了进一步扩大尼龙的应用范围，改善其性能上的缺点，通常采用不同的方法对其进行改性。其中，共混改性简便易行，尤其是通过添加纤维状、片状或粒状具有增强作用的材料，在保证其原有的耐化学性和良好的加工性的基础上，大幅度改善尼龙吸水性、制品尺寸稳定性、机械强度、耐热性的填充增强共混改性应用极为普遍。在尼龙使用的增强填充组分中，纤维的使用效果最为明显的，这是因为纤维增强改性不仅可以提高尼龙的力学性能，同时可以改善尼龙吸水性能，以此充分地发挥尼龙作为工程材料综合性能优异的特点。
[0004]碳纤维是一种轻质纤维状碳材料，其含碳量超过90％，具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性。由于碳纤维石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量，拉伸强度普遍可达300MPa以上，超过部分金属材料。将碳纤维作为增强改性组分与尼龙复合，可以赋予材料极高的强度、优异的耐热性能、出众的抗冲击性能、优良的尺寸稳定性及良好的抗翅曲性等。上述特性使其在汽车、机械、电器、军工等领域有巨大的应用潜力。更为关键的是，经过预处理的碳纤维材料能够在表面形成含氧官能团，这些基团可以与尼龙基体的端基形成结合作用，进一步增强两个界面的相互作用，同时，经过预处理的碳纤维在尼龙基体中具有更好的分散性和相容性，其与尼龙复合所得材料的物理性能得到更大程度的提升。
[0005]在填充增强共混改性之外，交联改性近年来也受到了国内外研宄学者的高度重视。该方法引发尼龙分子链之间产生化学反应，从而形成化学键，使其分子链形态由线型或支化的聚合物形成三维网状结构。交联尼龙结构和性能的变化就取决于交联点的密度、连接物的刚柔性、连接物分子量、链的连接点间分子情况。尼龙交联后，其耐水性、尺寸稳定性、力学性能、热稳定性、耐磨性、耐溶剂性及抗蠕变性都有不同程度的提高，很好地克服了尼龙本身的性能缺陷。
[0006]近年来，随着军事装备中热塑性制件用量的增多、汽车以塑带钢需求的提高、电子电气设备的高性能化、机械设备轻量化进程的加快，作为结构性制件使用的高性能尼龙/碳纤维复合材料需求量显著增多，同时对材料的性能也有着更加苛刻的要求。为应对这一需
求，国内外的研究者在尼龙的填充增强共混与交联改性等方面做了大量研究。理论上，纤维增强尼龙材料中，尼龙起到粘接作用，纤维主要起到应力承载作用，纤维与尼龙间的界面起到了传递应力的作用，界面结合作用的强弱直接决定了应力传递的效果。如果纤维与尼龙界面结合强度足够大，体系内界面结合状态均匀，则应力的传递效率很高，复合材料内部各组分的承载均匀性足够好，呈现出优异的综合力学性能。因此，改善碳纤维在尼龙中分散性，建立尼龙与碳纤维间强烈结合作用是研究者关注的重点之一，通过不同改性剂预处理纤维，并使纤维在尼龙基体中充分分散的技术方案被众多研究者所提出。同时，理论上通过交联等方法，可以改变尼龙基体本身的结构形式，加强尼龙分子间结合作用，由此增强尼龙基体本身的应力传递及承受均匀度，实现尼龙复合材料性能的改善。近年来部分研究者提出配合必要的交联助剂，使尼龙复合材料辐照交联，以此改善尼龙力学性能的方法。
[0007]归纳前人研究可以发现，改善增强组分在尼龙中分散性、构建增强组分与尼龙间化学结合作用、促使尼龙自身适当交联是改善纤维增强尼龙材料性能的重要思路方法，然而，此前的研究者几乎未提出合理的方案优化结合以上三种方法，尤其是在对性能要求更高的尼龙/碳纤维复合材料中，针对性地结合碳纤维预处理及尼龙交联技术的方法尚未提出。
[0008]为了进一步提高尼龙/碳纤维复合材料的整体性能，本专利技术提出了通过预处理短切碳纤维为其接枝可参与辐照交联的乙烯基团，同时结合交联助剂的使用，在适当辐照剂量下构建同时具有碳纤维
‑
尼龙间化学结合作用和尼龙自身交联结构的尼龙/纤维复合材料。在上述设计之外，本专利技术还提出利用表面活性剂辅助分散硅烷偶联剂及交联助剂，使用合理的抗氧化剂组合控制辐照交联过程中自由基的产生等方法。通过以上设计，本专利技术所制备的尼龙/碳纤维复合材料具有极为出众的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、耐水性，明显优于仅进行尼龙交联设计或纤维
‑
尼龙间结合作用构建的材料，可以在军工装备、精密设备、汽车制件等力学性能要求苛刻的高端工业产品中发挥重要作用。

技术实现思路
：
[0009]本专利技术设计了一种具有化学界面结合及交联结构的尼龙/碳纤维复合材料，并主要通过液相中短切碳纤维的预处理改性、碳纤维与尼龙熔融挤出复合、尼龙/碳纤维复合材料制件辐照交联等步骤而实现。该材料最大的特点是保证碳纤维在尼龙中均匀分散基础上，利用辐照引起的自由基反应，同时完成尼龙
‑
碳纤维化学结合作用的构建和尼龙基体的交联，由此使材料中各组分构成一个整体。实验表明，该材料的主要力学性能及耐水性提升显著，相比于其他方法所制材料具有明确的性能优势。
[0010]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0011]1.制备预处理的短切碳纤维
[0012](1)短切碳纤维浆液的酸化处理：配置硝酸与硫酸为1∶3的混合浓酸，将装有混合浓酸的容器放置到超声水槽中，向容器中加入含碳量≥93％、密度≥1.76g/cm3、平均纤维长度0.1
‑
2.5mm的短切碳纤维，在45
‑
75℃下，以20
‑
50kHz的频率超声振荡3
‑
6小时后，得到酸化处理后的短切碳纤维浆液。
[0013](2)酸化短切碳纤维的干燥：将酸化处理后的短切碳纤维浆液使用离心机在3000r/分钟的条件下，离心分离15分钟，使混合液分层，分离出底层黑色的短切碳纤维悬浊
液，使用清水反复洗涤，将悬浊液的pH值调至6
‑
7后，使用真空烘箱，在80
‑
100℃下烘至恒重，得到酸化短切碳纤维，分离后的上层清液精制去除杂质后，重复使用。通过酸化处理，短切碳纤维表面出现羟基(
‑
OH)与羧基(
‑
COOH)基团，为其进行表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具有化学界面结合及交联结构的尼龙/碳纤维复合材料，其特征在于，材料中负载有10
‑
60wt％的短切碳纤维，在材料加工成型后使用高能电子束辐照交联，其制备步骤如下：1)制备预处理的短切碳纤维：1.1)短切碳纤维浆液的酸化处理：将短切碳纤维加入到硝酸与硫酸为1∶3的混合浓酸中，45
‑
75℃下，以20
‑
50kHz的频率超声振荡3
‑
6小时后，得到酸化处理后的短切碳纤维浆液；1.2)酸化短切碳纤维的干燥：将酸化处理后的短切碳纤维浆液使用离心机在3000r/分钟的条件下，离心分离15分钟，使混合液分层，上层清液回收后重复使用，分离出底层黑色的短切碳纤维悬浊液使用清水反复洗涤，将悬浊液的pH值调至6
‑
7后，使用真空烘箱，在80
‑
100℃下烘至恒重，得到酸化短切碳纤维；1.3)短切碳纤维改性溶液的配置：使用乙醇与水配置成溶液，其中乙醇用量为75
‑
90wt％，将溶液升温至50
‑
70℃，然后使用甲酸调节溶液的pH值至4
‑
6，之后向溶液中加入乙烯基硅烷偶联剂、交联助剂与聚氧乙烯醚表面活性剂的混合改性剂，以500
‑
2000rpm的速度搅拌的同时配合10
‑
30kHz超声振荡2
‑
5小时，即得到混合改性溶液；1.4)短切碳纤维的改性处理：将酸化的短切碳纤维加入到1.3)步制备的混合改性溶液中，短切碳纤维的加入量为溶液的10
‑
20wt％，调节溶液温度至50
‑
80℃配合超声处理，充分进行短切碳纤维，改性时间为1
‑
6小时，期间以500
‑
2000rpm的速度搅拌，同时配合10
‑
30ppz超声振荡，以保证该混合液为流动态；1.5)预处理短切碳纤维的收集：将改性后的短切碳纤维浆液转移至离心机中，设定离心机转速为3000r/分钟，离心分离15分钟，使混合液分层，分离出底层的短切碳纤维悬浊液，使用乙醇洗涤过滤3遍后，使用真空烘箱，在80
‑
120℃下烘至恒重，得到预处理短切碳纤维；2)尼龙/碳纤维复合材料的制备：2.1)配料及混合：将尼龙粒料、预处理短切碳纤维、硅酮润滑剂、复配抗氧剂按质量比为(40
‑
90wt％)∶(10
‑
60wt％)∶(0.2
‑
1wt％)∶(0.5
‑
1wt％)配料，采用高速混合机将上述原料及助剂均匀混合3
‑
6分钟；2.2)共混挤出：将所得混合物经主喂料口加入到同向旋转双螺杆挤出机中，熔融共混，挤出温度为230
‑
270℃，主机转速300
‑
600rpm，喂料速度40
‑
80rpm，挤出后经过水浴及风干机进入切粒机，切粒机转速30
‑
60rpm得到尼龙/碳纤维复合材料；3)尼龙/碳纤维复合材料制件的制备：使用步骤2)所得尼龙/碳纤维复合材料，选用注塑成型、模压成型、挤出成型中的任意一种方法，成型制备得到所需...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑骏驰，孟征，李岩，贾月，吴超，赵亚风，孙兆懿，钱晶，舒帮建，安峻莹，
申请(专利权)人：北京航天试验技术研究所，
类型：发明
国别省市：