本發(fā)明屬于工程塑料改性領(lǐng)域，具體提供了一種耐磨耐熱鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
：碳纖維是由百分之九十以上碳元素組成的纖維，具有高比強(qiáng)度、高比模量和熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，其與樹(shù)脂、金屬或陶瓷等基材復(fù)合后可用于航空航天、電子電器等尖端學(xué)科的高端產(chǎn)品，也可用于鉆井平臺(tái)、建筑材料和風(fēng)力發(fā)電等新興領(lǐng)域。其中碳纖維改性聚酰胺復(fù)合材料在力學(xué)強(qiáng)度等方面性能優(yōu)異，但伴隨碳纖維材料的應(yīng)用和推廣，其在價(jià)格、耐磨和應(yīng)力計(jì)算等多方面受到一定的局限性，急需解決。而鈦酸鉀晶須是目前已知纖維中強(qiáng)度最高的一種，有報(bào)道用它來(lái)改性熱塑性材料而賦予材料較大的力學(xué)強(qiáng)度和耐熱性；此外鈦酸鉀晶須直徑為微米級(jí)別，在應(yīng)用過(guò)程中無(wú)明顯疲勞效應(yīng)，可以顯著提高復(fù)合材料的耐磨性和成型速度。本發(fā)明創(chuàng)新性地采用鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料，在保持碳纖維復(fù)合材料高性能的同時(shí)大幅提高復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性、耐磨性和耐熱性，同時(shí)鈦酸鉀晶須的引入可以有效減少碳纖維使用量，降低材料生產(chǎn)成本，大幅縮減成本的同時(shí)降低了對(duì)環(huán)境的污染。此外本發(fā)明所涉及的材料制備工藝簡(jiǎn)單，所制備復(fù)合材料具有高耐磨、高耐熱和優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性，制備工藝簡(jiǎn)單，適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明提供了一種耐磨耐熱鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料及其制備方法，以鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料，在保持碳纖維復(fù)合材料高性能的同時(shí)大幅提高復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性、耐磨性和耐熱性。一種耐磨耐熱鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料，由以下組份按重量份制備而成：樹(shù)脂基體100份，碳纖維20份，鈦酸鉀晶須5～50份，偶聯(lián)劑0.5～2.5份，抗氧劑0.05～0.5份，潤(rùn)滑劑0.05～0.5份。進(jìn)一步方案，所述的樹(shù)脂基體優(yōu)選為尼龍6或尼龍66。所述的碳纖維為長(zhǎng)度4-10mm的短切碳纖維。所述的鈦酸鉀晶須為晶須長(zhǎng)度5～50μm的六鈦酸鉀晶須或八鈦酸鉀晶須。所述的偶聯(lián)劑為γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ―(2,3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。所述的抗氧劑為N,N'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰基)己二胺、三[2.4-二叔丁基苯基]亞磷酸酯和雙（2，4—二酷基）季戊四醇二亞磷酸酯中兩種。所述的潤(rùn)滑劑為次乙基雙硬脂酰胺或季戊四醇硬脂酸酯。本發(fā)明的另一個(gè)發(fā)明目的是提供上述耐磨耐熱鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：（1）將樹(shù)脂基體100份、碳纖維20份、鈦酸鉀晶須5～50份、偶聯(lián)劑0.5～2.5份、抗氧劑0.05～0.5份以及潤(rùn)滑劑0.05～0.5份一起置于高速混合機(jī)攪拌分散10～30min；（2）將分散后的原料通過(guò)擠出機(jī)，經(jīng)熔融、塑化、擠出、冷卻、切粒和包裝后，即制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料。本發(fā)明以鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料，在保持碳纖維復(fù)合材料高性能的同時(shí)大幅提高復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性、耐磨性和耐熱性，其有益效果如下：1、鈦酸鉀晶須是目前已知纖維中強(qiáng)度最高的一種，本發(fā)明所選用的六鈦酸鉀晶須和八鈦酸鉀晶須均為風(fēng)洞狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，具有極強(qiáng)的耐磨性，因此選用鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料，可以在不剪切碳纖維的前提下提高復(fù)合材料的耐磨性；2、鈦酸鉀晶須是優(yōu)異的耐熱晶須材料，用于改性碳纖維復(fù)合材料可以進(jìn)一步提高復(fù)合材料的整體耐熱性；3、選用鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料，可以有效降低復(fù)合材料體系中樹(shù)脂含量，在材料成型過(guò)程中增加固相含量，降低收縮率，從而提高整體尺寸穩(wěn)定性；4、由于鈦酸鉀晶須成本遠(yuǎn)低于碳纖維材料，所以鈦酸鉀晶須的引入可以有效降低復(fù)合材料的綜合成本。5、本發(fā)明的制備工藝簡(jiǎn)單，適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。具體實(shí)施方法下面結(jié)合具體實(shí)例對(duì)本
發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明，但所述實(shí)施例并非是對(duì)本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神的簡(jiǎn)單限定，任何基于本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神所作出的簡(jiǎn)單變化或等同替換均應(yīng)屬于本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。本發(fā)明的具體實(shí)施例如下：實(shí)例1（1）按以下比例配備原料：尼龍6樹(shù)脂基體100份，碳纖維20份，六鈦酸鉀晶須5份，偶聯(lián)劑γ-氨丙基三乙氧基硅烷0.5份，抗氧劑N,N'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰基)己二胺0.02份，抗氧劑三[2.4-二叔丁基苯基]亞磷酸酯0.03份，潤(rùn)滑劑次乙基雙硬脂酰胺0.05份；（2）將上述原料一起置于高速混合機(jī)攪拌分散10min；（3）將分散后的原料通過(guò)擠出機(jī)，經(jīng)熔融、塑化、擠出、冷卻、切粒和包裝后，即制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料。所制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料性能見(jiàn)表一。實(shí)例2（1）按以下比例配備原料：尼龍6樹(shù)脂基體100份，碳纖維20份，六鈦酸鉀晶須15份，偶聯(lián)劑γ-氨丙基三乙氧基硅烷1份，抗氧劑N,N'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙?；?己二胺0.05份，抗氧劑三[2.4-二叔丁基苯基]亞磷酸酯0.08份，潤(rùn)滑劑次乙基雙硬脂酰胺0.15份；（2）將上述原料一起置于高速混合機(jī)攪拌分散15min；（3）將分散后的原料通過(guò)擠出機(jī)，經(jīng)熔融、塑化、擠出、冷卻、切粒和包裝后，即制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料。所制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料性能見(jiàn)表一。實(shí)例3（1）按以下比例配備原料：尼龍6樹(shù)脂基體100份，碳纖維20份，六鈦酸鉀晶須25份，偶聯(lián)劑γ-氨丙基三乙氧基硅烷1.5份，抗氧劑N,N'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙?；?己二胺0.1份，抗氧劑三[2.4-二叔丁基苯基]亞磷酸酯0.12份，潤(rùn)滑劑次乙基雙硬脂酰胺0.25份；（2）將上述原料一起置于高速混合機(jī)攪拌分散20min；（3）將分散后的原料通過(guò)擠出機(jī)，經(jīng)熔融、塑化、擠出、冷卻、切粒和包裝后，即制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料。所制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料性能見(jiàn)表一。實(shí)例4（1）按以下比例配備原料：尼龍6樹(shù)脂基體100份，碳纖維20份，六鈦酸鉀晶須35份，偶聯(lián)劑γ-氨丙基三乙氧基硅烷2份，抗氧劑N,N'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙?；?己二胺0.15份，抗氧劑三[2.4-二叔丁基苯基]亞磷酸酯0.18份，潤(rùn)滑劑次乙基雙硬脂酰胺0.35份；（2）將上述原料一起置于高速混合機(jī)攪拌分散25min；（3）將分散后的原料通過(guò)擠出機(jī)，經(jīng)熔融、塑化、擠出、冷卻、切粒和包裝后，即制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料。所制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料性能見(jiàn)表一。實(shí)例5（1）按以下比例配備原料：尼龍6樹(shù)脂基體100份，碳纖維20份，六鈦酸鉀晶須50份，偶聯(lián)劑γ-氨丙基三乙氧基硅烷2.5份，抗氧劑N,N'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙?；?己二胺0.2份，抗氧劑三[2.4-二叔丁基苯基]亞磷酸酯0.3份，潤(rùn)滑劑次乙基雙硬脂酰胺0.5份；（2）將上述原料一起置于高速混合機(jī)攪拌分散30min；（3）將分散后的原料通過(guò)擠出機(jī)，經(jīng)熔融、塑化、擠出、冷卻、切粒和包裝后，即制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料。所制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料性能見(jiàn)表一。實(shí)例6（1）按以下比例配備原料：尼龍66樹(shù)脂基體100份，碳纖維20份，八鈦酸鉀晶須5份，偶聯(lián)劑γ―(2,3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷0.5份，抗氧劑N,N'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙?；?己二胺0.02份，抗氧劑雙（2，4—二酷基）季戊四醇二亞磷酸酯0.03份，潤(rùn)滑劑季戊四醇硬脂酸酯0.05份；（2）將上述原料一起置于高速混合機(jī)攪拌分散10min；（3）將分散后的原料通過(guò)擠出機(jī)，經(jīng)熔融、塑化、擠出、冷卻、切粒和包裝后，即制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料。所制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料性能見(jiàn)表一。實(shí)例7（1）按以下比例配備原料：尼龍66樹(shù)脂基體100份，碳纖維20份，八鈦酸鉀晶須15份，偶聯(lián)劑γ―(2,3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷1份，抗氧劑N,N'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙?；?己二胺0.05份，抗氧劑雙（2，4—二酷基）季戊四醇二亞磷酸酯0.08份，潤(rùn)滑劑季戊四醇硬脂酸酯0.15份；（2）將上述原料一起置于高速混合機(jī)攪拌分散15min；（3）將分散后的原料通過(guò)擠出機(jī)，經(jīng)熔融、塑化、擠出、冷卻、切粒和包裝后，即制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料。所制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料性能見(jiàn)表一。實(shí)例8（1）按以下比例配備原料：尼龍66樹(shù)脂基體100份，碳纖維20份，八鈦酸鉀晶須25份，偶聯(lián)劑γ―(2,3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷1.5份，抗氧劑N,N'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙?；?己二胺0.1份，抗氧劑雙（2，4—二酷基）季戊四醇二亞磷酸酯0.12份，潤(rùn)滑劑季戊四醇硬脂酸酯0.25份；（2）將上述原料一起置于高速混合機(jī)攪拌分散20min；（3）將分散后的原料通過(guò)擠出機(jī)，經(jīng)熔融、塑化、擠出、冷卻、切粒和包裝后，即制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料。所制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料性能見(jiàn)表一。實(shí)例9（1）按以下比例配備原料：尼龍66樹(shù)脂基體100份，碳纖維20份，八鈦酸鉀晶須35份，偶聯(lián)劑γ―(2,3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷2份，抗氧劑N,N'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙?；?己二胺0.15份，抗氧劑雙（2，4—二酷基）季戊四醇二亞磷酸酯0.18份，潤(rùn)滑劑季戊四醇硬脂酸酯0.35份；（2）將上述原料一起置于高速混合機(jī)攪拌分散25min；（3）將分散后的原料通過(guò)擠出機(jī)，經(jīng)熔融、塑化、擠出、冷卻、切粒和包裝后，即制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料。所制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料性能見(jiàn)表一。實(shí)例10（1）按以下比例配備原料：尼龍66樹(shù)脂基體100份，碳纖維20份，八鈦酸鉀晶須50份，偶聯(lián)劑γ―(2,3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷2.5份，抗氧劑N,N'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙?；?己二胺0.2份，抗氧劑雙（2，4—二酷基）季戊四醇二亞磷酸酯0.3份，潤(rùn)滑劑季戊四醇硬脂酸酯0.5份；（2）將上述原料一起置于高速混合機(jī)攪拌分散30min；（3）將分散后的原料通過(guò)擠出機(jī)，經(jīng)熔融、塑化、擠出、冷卻、切粒和包裝后，即制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料。所制得鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料性能見(jiàn)表一。對(duì)照實(shí)例1（1）按以下比例配備原料：尼龍6樹(shù)脂基體100份，碳纖維20份，抗氧劑N,N'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙?；?己二胺0.02份，抗氧劑三[2.4-二叔丁基苯基]亞磷酸酯0.03份，潤(rùn)滑劑次乙基雙硬脂酰胺0.05份；（2）將上述原料一起置于高速混合機(jī)攪拌分散10min；（3）將分散后的原料通過(guò)擠出機(jī)，經(jīng)熔融、塑化、擠出、冷卻、切粒和包裝后，即制得碳纖維復(fù)合材料。所制得的碳纖維復(fù)合材料性能見(jiàn)表一。對(duì)照實(shí)例2（1）按以下比例配備原料：尼龍66樹(shù)脂基體100份，碳纖維20份，抗氧劑N,N'-雙-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙?；?己二胺0.02份，抗氧劑雙（2，4—二酷基）季戊四醇二亞磷酸酯0.03份，潤(rùn)滑劑季戊四醇硬脂酸酯0.05份；（2）將上述原料一起置于高速混合機(jī)攪拌分散10min；（3）將分散后的原料通過(guò)擠出機(jī)，經(jīng)熔融、塑化、擠出、冷卻、切粒和包裝后，即制得碳纖維復(fù)合材料。所制得的碳纖維復(fù)合材料性能見(jiàn)表一。上述實(shí)例1-10與對(duì)照實(shí)例1-2制備的復(fù)合材料樣品在23℃、50%濕度環(huán)境下調(diào)節(jié)后，分別采用ASTMD648、ASTMD955和ASTMD1242檢測(cè)復(fù)合材料的熱變形溫度、收縮率和耐磨性。具體如下表一所示：表一：性能測(cè)試性能熱變形溫度（℃）收縮率（%）泰伯磨耗（mg/1000次）實(shí)例1970.9310實(shí)例21030.898實(shí)例31120.817實(shí)例41260.775實(shí)例51240.796實(shí)例61131.611實(shí)例71251.49實(shí)例81381.38實(shí)例91451.17實(shí)例101421.29對(duì)照實(shí)例1811.712對(duì)照實(shí)例2932.017通過(guò)表一中數(shù)據(jù)可知，本發(fā)明制備的鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料具有耐磨性好、耐熱性高和收縮率小等特性。對(duì)比實(shí)例1-5與對(duì)照實(shí)例1可知：本發(fā)明制備的復(fù)合材料的熱變形溫度最高為126℃，較改性前（對(duì)照實(shí)例1）提高55.6%；收縮率最小為0.77，較改性前（對(duì)照實(shí)例1）降低54.7%；泰伯磨耗最小為5mg/1000次，改性前（對(duì)照實(shí)例1）降低58.3%。對(duì)比實(shí)例6-10與對(duì)照實(shí)例2可知，本發(fā)明制備的復(fù)合材料的熱變形溫度最高為145℃，較改性前（對(duì)照實(shí)例2）提高55.9%；收縮率最小為1.1，較改性前（對(duì)照實(shí)例2）降低45.0%；泰伯磨耗最小為7mg/1000次，改性前（對(duì)照實(shí)例2）降低58.8%。此外所以本發(fā)明制備的鈦酸鉀晶須改性碳纖維復(fù)合材料具有耐磨性好、耐熱性高、收縮率小及成本低等特點(diǎn)，同時(shí)所涉及的制備工藝簡(jiǎn)單，適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3