一种碳纤维增强PBT材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维增强PBT材料及其制备方法；本发明专利技术为了解决PBT材料的薄壁翘曲问题，在合成PBT材料时使用了1,3

A carbon fiber reinforced PBT material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维增强PBT材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及PBT树脂
，具体为一种碳纤维增强PBT材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]PBT作为一种结晶性的线型结构聚酯，具有玻璃转化温度低且结晶度高的特点，当其与增强纤维共混制备为复合材料时，可以使其力学性能大幅上升，但是添加增强纤维后，会使得PBT的尺寸稳定性发生变化，由于纤维材料在PBT基材中分布取向的问题，会造成PBT材料的流向收缩率与纵向收缩率发生较大变化，使其在不同方向上的收缩尺寸发生变化，造成PBT材料会在不同维度上收到的收缩应力不同，并最终导致其受力不均发生翘曲现象；并且由于PBT自身具有结晶倾向，结晶收缩导致的各向异性同样会加剧翘曲问题，致使在PBT材料制备的薄壁产品出现产品尺寸变化，无法使用的问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种碳纤维增强PBT材料及其制备方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种碳纤维增强PBT材料，具备以下特征：按重量份数计，所述碳纤维增强PBT材料包括以下组分：55
‑
70份纳米纤维改性PBT、15
‑
25份改性玻璃纤维、1.5
‑
3份增韧相容剂、5
‑
15份阻燃剂与3
‑
5份抗氧化剂；其中所述纳米纤维改性PBT由10
‑
15重量份的改性纳米碳纤维、44.5
‑
59重量份的1,4
‑
丁二醇、19
‑
34重量份的1,3
‑
丙二醇在0.3
‑
0.5重量份的催化剂催化下，与84
‑
100重量份的对苯二甲酸混合共聚制备；所述改性纳米碳纤维为表面接枝乙二醇的纳米碳纤维；所述改性玻璃纤维为表面经过KH
‑
550硅烷偶联剂处理的玻璃纤维。
[0005]进一步的，所述增韧相容剂为ELVALOY PTW，所述阻燃剂为三氧化二锑；所述抗氧化剂为亚磷酸酯，所述催化剂为钛酸四乙酯；其中，所述ELVALOY PTW为陶氏公司所售的ELVALOY PTW。
[0006]所述改性玻璃纤维的制备方法，包括以下步骤：将玻璃纤维使用浓硝酸浸没，水浴升温至75
‑
85℃，使用超声波分散2
‑
3h后抽滤分离玻璃纤维，使用丙酮清洗2
‑
3次后，继续使用KH
‑
550型硅烷偶联剂浸没处理3
‑
4h，抽滤并干燥后即可得所述改性玻璃纤维。
[0007]进一步的，所述玻璃纤维为长沙建材有限公司生产的短切玻璃纤维，长度为15
‑
30mm，直径为45
‑
60μm；进一步的，所述改性纳米碳纤维为经表面处理后接枝乙二醇的纳米碳纤维。
[0008]一种碳纤维增强PBT材料的制备方法，包括以下步骤：S1.制备纳米碳纤维：S11.将聚丙烯腈与二氯甲烷溶于N,N
‑
二甲基甲酰胺中，磁力搅拌10
‑
12h，得到聚
丙烯腈溶液；S12.将聚丙烯腈溶液加入至静电纺丝机内，设置静电纺丝参数纺丝，纺丝结束后，真空干燥，得到纳米碳纤维预聚体；S13.将纳米碳纤维预聚体置于马弗炉内，以2
‑
3℃/min的升温速率升温至280
‑
300℃，保温1
‑
1.5h后，充入氮气，以4
‑
6℃/min的速率升温至950
‑
1050℃，保温2
‑
2.5h后，炉冷至室温即可得纳米碳纤维；S2.制备改性纳米碳纤维：S21.将步骤S1制备的纳米碳纤维浸没在硝酸溶液中，升温至85
‑
90℃反应0.5
‑
1h后离心分离，使用丙酮溶剂洗涤3
‑
5次；S22.向N,N
‑
二甲基甲酰胺溶液中加入4
‑
二甲氨基吡啶，并向其内部充入高纯氮气3
‑
5h，去除溶液内氧气，加入经步骤S21处理后的纳米碳纤维，超声分散3
‑
4h后加入乙二醇，并水浴升温至65
‑
75℃，反应1
‑
1.5h后离心分离，真空干燥后获得改性纳米碳纤维；S3.将改性纳米碳纤维与1,4
‑
丁二醇、1,3
‑
丙二醇混合，使用超声分散处理1
‑
2h，加入对苯二甲酸与催化剂，氮气氛围保护，升温至200
‑
230℃，反应3
‑
4h后，抽真空，并升温至240
‑
260℃，待体系粘度不再增长时达到反应终点，冷却至室温，取出反应产物并旋蒸处理1
‑
1.5h，得到纳米纤维改性PBT；S4.将纳米纤维改性PBT、改性玻璃纤维、增韧相容剂、阻燃剂与抗氧化剂加入至密炼机中共混，共混结束后冷却切粒，得到所述碳纤维增强PBT材料。
[0009]本专利技术为增强PBT材料的体积稳定性，在制备PBT材料时使用了部分1,3
‑
丙二醇替代1,4
‑
丁二醇，1,3
‑
丙二醇与1,4
‑
丁二醇为互溶物质，在反应过程中1,3
‑
丙二醇与1,4
‑
丁二醇会与对苯二甲酸反应均会生成共聚酯，两者形成的共聚酯结构不同，在PBT材料内会相互交联影响，从而导致PBT材料的结晶度下降，将具有高结晶度的PBT转换为无规共聚物形态，减少由于结晶导致的各向异性，从而减少其收缩过程中翘曲现象。
[0010]同时为了进一步增强PBT材料的耐磨性以及强度，本专利技术还制备了改性纳米碳纤维。首先利用静电纺丝机制备了聚丙烯腈基的纳米碳纤维材料，并在聚丙烯腈溶液中添加了极易挥发的二氯甲烷作为致孔剂，在纳米碳纤维中制备多孔结构，增加其表面积与粗糙度。同时为了避免制备的纳米碳纤维在收集容器上堆叠，影响后续的分散性，本专利技术在收集容器中添加了超纯水作为接收介质，防止碳纤维堆积。
[0011]之后又利用硝酸的氧化作用，在纳米碳纤维表面接枝了羧基等基团，增强其表面反应活性，当使用丙酮对纳米碳纤维进行清洗后，又在其表面接枝了乙二醇，利用4
‑
二甲氨基吡啶作为催化剂，提高乙二醇的反应活性，使其接枝到纳米碳纤维的表面。在合成PBT材料时，纳米碳纤维表面的乙二醇会与对苯二甲酸反应生成聚酯包覆纳米碳纤维，增强纳米碳纤维在PBT材料中的相容性，同时在外力搅拌下，部分纳米碳纤维会发生断裂，形成长度较短的纳米纤维段或纤维粒子，在PBT材料中起到一定的成核剂作用，改善PBT的成型速率。在PBT材料成型后，改性纳米碳纤维会均匀分散在PBT材料中，并起到应力分散的作用，当其受到不同方向的收缩应力时，内部互相交联的改性纳米碳纤维便会相互拉扯本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增强PBT材料，其特征在于：按重量份数计，所述碳纤维增强PBT材料包括以下组分：55
‑
70份纳米纤维改性PBT、15
‑
25份改性玻璃纤维、1.5
‑
3份增韧相容剂、5
‑
15份阻燃剂与3
‑
5份抗氧化剂；其中所述纳米纤维改性PBT由10
‑
15重量份的改性纳米碳纤维、44.5
‑
59重量份的1,4
‑
丁二醇、19
‑
34重量份的1,3
‑
丙二醇在0.3
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0.5重量份的催化剂催化下，与84
‑
100重量份的对苯二甲酸混合共聚制备；所述改性纳米碳纤维为表面接枝乙二醇的纳米碳纤维；所述改性玻璃纤维为表面经过KH
‑
550硅烷偶联剂处理的玻璃纤维。2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强PBT材料，其特征在于：所述增韧相容剂为ELVALOY PTW，所述阻燃剂为三氧化二锑；所述抗氧化剂为亚磷酸酯，所述催化剂为钛酸四乙酯。3.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强PBT材料，其特征在于：所述改性玻璃纤维的制备方法，包括以下步骤：将玻璃纤维使用浓硝酸浸没，水浴升温至75
‑
85℃，使用超声波分散2
‑
3h后抽滤分离玻璃纤维，使用丙酮清洗2
‑
3次后，继续使用KH
‑
550型硅烷偶联剂浸没处理3
‑
4h，抽滤并干燥后即可得所述改性玻璃纤维。4.根据权利要求1
‑
3任意一项所述的一种碳纤维增强PBT材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.制备纳米碳纤维：S11.将聚丙烯腈与二氯甲烷溶于N,N
‑
二甲基甲酰胺中，磁力搅拌10
‑
12h，得到聚丙烯腈溶液；S12.将聚丙烯腈溶液加入至静电纺丝机内，设置静电纺丝参数纺丝，纺丝结束后，真空干燥，得到纳米碳纤维预聚体；S13.将纳米碳纤维预聚体置于马弗炉内，以2
‑
3℃/min的升温速率升温至280
‑
300℃，保温1
‑
1.5h后，充入氮气，以4
‑
6℃/min的速率升温至950
‑
1050℃，保温2
‑
2.5h后，炉冷至室温即可得纳米碳纤维；S2.制备改性纳米碳纤维：S21.将步骤S1制备的纳米碳纤维浸没在硝酸溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈彬，刘志刚，李二响，
申请(专利权)人：南通开普乐工程塑料有限公司，
类型：发明
国别省市：