碳纖維/碳納米管增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及碳纖復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種碳纖維/碳納米管增強(qiáng)尼龍復(fù) 合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳纖維是含碳量在90%以上的高強(qiáng)度高模量纖維，是用分解溫度低于熔融溫度的 纖維聚合物，通過(guò)千度以上固相熱解而制成。碳纖維的種類包括：聚丙烯腈基碳纖維（PAN 基碳纖）、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維等。60年代以來(lái)，碳纖維迅速發(fā)展為新型增強(qiáng)材 料，具有高強(qiáng)度、質(zhì)量輕、耐疲勞、性能優(yōu)良、模量大和熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)合材料領(lǐng) 域里有廣泛的應(yīng)用。但是，纖維中的碳分子平面是沿纖維軸取向，表面呈化學(xué)惰性，其與熱 塑性樹(shù)脂基體之間親和力較差，難以形成化學(xué)鍵連接，并且界面存在不相容組分，界面粘結(jié) 強(qiáng)度低，復(fù)合時(shí)容易在界面上形成孔隙和缺陷，導(dǎo)致增強(qiáng)體與基體樹(shù)脂難以形成有效粘結(jié)， 從而影響碳纖復(fù)合材料綜合性能的發(fā)揮。
[0003] 碳納米管（CNTs)是一種新型的石墨材料，它是由石墨片層卷曲而成的圓柱形結(jié) 構(gòu)，其直徑范圍一般為一納米至幾百納米。這些管狀纖維的長(zhǎng)度變化范圍也很大，一般為幾 微米到幾千微米；因此碳納米管的長(zhǎng)徑比（長(zhǎng)度與直徑的比值）范圍為一千至十萬(wàn)。這么 大的長(zhǎng)徑比以及獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使得碳納米管與其他眾多材料有很大差別。碳納米管具有很 多獨(dú)特的性質(zhì)，例如，其強(qiáng)度是不銹鋼的16倍，熱導(dǎo)率為銅的5倍。由于碳納米管自身為粉 末狀態(tài)，它可能是構(gòu)筑新型復(fù)合材料最合適的添加劑之一。將碳納米管加入到聚合物、陶瓷 或金屬基體中，可以顯著提高主體材料的物理性質(zhì)如導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等，其效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于 炭黑、碳纖維或玻璃纖維等傳統(tǒng)添加劑。
[0004] 尼龍66是一種半晶體-晶體材料，其優(yōu)點(diǎn)是堅(jiān)韌、耐磨、耐油、耐水、抗酶菌。在聚 酰胺（PA)材料中，尼龍66具有較高的熔點(diǎn)，在較高溫度也能保持較強(qiáng)的強(qiáng)度和剛度，并且 其具有良好的流動(dòng)性（但不如PA6)，對(duì)許多溶劑具有抗溶性。尼龍66的缺點(diǎn)是吸水大，在 成型后仍然具有吸濕性；收縮率在1 %~2%之間，收縮率在流程方向和與流程方向相垂直 方向上的相異是較大的；還有其對(duì)酸和其它一些氯化劑的抵抗力較弱。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)中有用碳纖維和碳納米管對(duì)尼龍66進(jìn)行改性，以賦予其高強(qiáng)度、高模量 等物理性能。但是，這種改性后的尼龍66復(fù)合材料的韌性和阻燃性較差，不利于應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N碳纖維/碳納米管增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料及其制備方法， 本發(fā)明提供的碳纖維/碳納米管增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料具有優(yōu)良的韌性和阻燃性。
[0007] 本發(fā)明提供一種碳纖維/碳納米管增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料，由混合物料混煉制得；所 述混合物料包括如下質(zhì)量分?jǐn)?shù)的組分：
[0008] 50 % ~65 % 的尼龍 66 ;
[0009] 20 %~30 %的碳纖維；
[0010] 2%~5%的碳納米管；
[0011] 5%~10%的馬來(lái)酸酐接枝乙烯辛烯共聚物；
[0012] 5 %~10 %的硅氮復(fù)合阻燃劑；
[0013] 1 %~2%的硅酮粉。
[0014] 優(yōu)選地，所述混合物料包括51%~60%的尼龍66。
[0015] 優(yōu)選地，所述碳納米管為用硅烷偶聯(lián)劑和鈦酸酯偶聯(lián)劑表面處理后的改性碳納米 管。
[0016] 優(yōu)選地，所述混合物料包括3 %~4 %的碳納米管。
[0017] 優(yōu)選地，所述混合物料包括6%~8%的馬來(lái)酸酐接枝乙烯辛烯共聚物。
[0018] 優(yōu)選地，所述混合物料包括6 %~8 %的硅氮復(fù)合阻燃劑。
[0019] 優(yōu)選地，所述混合物料還包括抗氧劑。
[0020] 優(yōu)選地，所述混合物料包括如下質(zhì)量分?jǐn)?shù)的組分：
[0021] 51 % 的尼龍 66;
[0022] 30 %的碳纖維；
[0023] 3 %的碳納米管；
[0024] 6%的馬來(lái)酸酐接枝乙烯辛烯共聚物；
[0025] 8 %的硅氮復(fù)合阻燃劑；
[0026] 2 %的硅酮粉。
[0027] 本發(fā)明還提供一種上文所述的碳纖維/碳納米管增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料的制備方法， 包括：
[0028] 將尼龍66、碳纖維、碳納米管、馬來(lái)酸酐接枝乙烯辛烯共聚物、硅氮復(fù)合阻燃劑和 硅酮粉混合后，進(jìn)行熔融混煉，得到碳纖維/碳納米管增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料。
[0029] 優(yōu)選地，所述熔融混煉的溫度為255 °C~280 °C。
[0030] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明主要以尼龍66、碳纖維、碳納米管、馬來(lái)酸酐接枝乙烯辛 烯共聚物、硅氮復(fù)合阻燃劑和硅酮粉為混合物料，經(jīng)混煉得到碳纖維/碳納米管增強(qiáng)尼龍 復(fù)合材料。在本發(fā)明中，各組分互相配合、綜合作用，能提高尼龍66復(fù)合材料的韌性和阻燃 性。結(jié)果表明，本發(fā)明提供的尼龍66復(fù)合材料的阻燃性可達(dá)VO級(jí)，且韌性較以往更好。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例熔融混煉的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例 僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范 圍。
[0033] 本發(fā)明提供了一種碳纖維/碳納米管增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料，由混合物料經(jīng)混煉制 得；所述混合物料包括如下質(zhì)量分?jǐn)?shù)的組分：
[0034] 50 % ~65 % 的尼龍 66 ;
[0035] 20 %~30 %的碳纖維；
[0036] 2%~5%的碳納米管；
[0037] 5%~10%的馬來(lái)酸酐接枝乙烯辛烯共聚物；
[0038] 5 %~10 %的硅氮復(fù)合阻燃劑；
[0039] 1 %~2%的硅酮粉。
[0040] 本發(fā)明提供的碳纖維/碳納米管增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料不僅具有高強(qiáng)度和高模量，而 且具有優(yōu)良的韌性和阻燃性。
[0041] 本發(fā)明提供的碳纖維/碳納米管增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料由混合物料經(jīng)混煉制得；以質(zhì) 量分?jǐn)?shù)計(jì)，所述混合物料包括50%~65%的尼龍66,優(yōu)選包括51 %~60%的尼龍66。本 發(fā)明選擇尼龍66為碳纖尼龍的基體，原因主要在于：尼龍66的機(jī)械強(qiáng)度是尼龍中最高的一 種，如其拉伸強(qiáng)度、表面硬度、剛性都高于其它的尼龍類塑料，并且它的耐磨性僅低于聚甲 醛（POM)，而優(yōu)于其它尼龍。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述尼龍66的拉伸強(qiáng)度為83. OMPa， 彎曲強(qiáng)度為116MPa，彎曲模量為2499MPa，簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度為9. 3kJ/m2。本發(fā)明對(duì)所述 尼龍66的來(lái)源沒(méi)有特殊限制，一般采用市售產(chǎn)品，如購(gòu)自平頂山神馬公司的牌號(hào)為EPR27 的PA66樹(shù)脂。
[0042] 以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，所述混合物料包括20 %~30 %的碳纖維，優(yōu)選包括26 %~30 %的 碳纖維。在本發(fā)明中，所述碳纖維優(yōu)選為經(jīng)過(guò)大氣低溫等離子體處理后的改性碳纖維。本 發(fā)明對(duì)所述碳纖維的來(lái)源沒(méi)有特殊限制，可采用日本東麗公司生產(chǎn)的碳纖維市售產(chǎn)品。所 述混合物料包括2 %~5 %的碳納米管，優(yōu)選包括3 %~4 %的碳納米管。在本發(fā)明中，所述 碳納米管優(yōu)選為用硅烷偶聯(lián)劑和鈦酸酯偶聯(lián)劑表面處理后的改性碳納米管。
[0043] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，采用占碳納米管質(zhì)量3%的復(fù)合偶聯(lián)劑（由硅烷偶聯(lián) 劑和鈦酸酯偶聯(lián)劑復(fù)合而成），對(duì)碳納米管進(jìn)行表面處理，得到改性碳納米管。其中，所述 硅烷偶聯(lián)劑可為市售的KH550偶聯(lián)劑或KH560偶聯(lián)劑；所述表面處理按照常規(guī)方法進(jìn)行即 可。本發(fā)明對(duì)所述碳納米管的來(lái)源沒(méi)有特殊限制，可采用北京天奈科技有限公司生產(chǎn)的碳 納米管市售產(chǎn)品。本發(fā)明實(shí)施例將碳纖維和碳納米管加入尼龍66中，可顯著提高主體材料 的強(qiáng)度和模量等性能。
[0044] 以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，所述混合物料包括5%~10%的馬來(lái)酸酐接枝乙烯辛烯共聚物 (MPOE)，優(yōu)選包括6 %~8 %的馬來(lái)酸酐接枝乙烯辛烯共聚物，能夠大幅度地提高尼龍66的 沖擊強(qiáng)度，改善其韌性。在本發(fā)明中，所述馬來(lái)酸酐接枝乙烯辛烯共聚物可采用相應(yīng)的市售 產(chǎn)品。在本發(fā)明的實(shí)施例總，MPOE的接枝率為1~1. 7%。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，所述混合物料包 括5 %~10 %的硅氮復(fù)合阻燃劑，優(yōu)選包括6 %~8 %的硅氮復(fù)合阻燃劑。在本發(fā)明中，所 述硅氮復(fù)合阻燃劑的阻燃效果好，且比較環(huán)保；相應(yīng)地采用市售產(chǎn)品即可。在本發(fā)明的實(shí)施 例中，可采用硅系阻燃劑和氮系阻燃劑復(fù)合使用，兩者比例如4:6。
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