一種聚丙烯-碳纖維復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種聚丙烯-碳纖維復(fù)合材料，特別是涉及一種用于自行車(chē)配件的聚 丙烯-碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 碳纖維是含碳量高于90%的無(wú)機(jī)高分子纖維，是由有機(jī)母體纖維(聚丙烯睛、粘膠 絲或?yàn)r青等)采用高溫分解法在1000_3000°C高溫的惰性氣體下碳化制成的。它是一種力學(xué) 性能優(yōu)異的新材料，比重不到鋼的1/4,能像銅那樣導(dǎo)電，比不銹鋼還耐腐蝕，而其復(fù)合材料 抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7-9倍，抗拉彈性模量為23000-43000Mpa，也高于 鋼。碳纖維按其原料可分為三類(lèi):聚丙烯腈基(PAN)碳纖維、石油瀝青基碳纖維和人造絲碳 纖維三類(lèi)，其中聚丙烯腈基碳纖維用途最廣，需求也最大。
[0003] 碳纖維/聚合物復(fù)合材料，也就是通常說(shuō)的碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(CFRP)，是 目前最先進(jìn)的復(fù)合材料之一，它以輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、抗腐蝕、熱力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)廣泛 用作結(jié)構(gòu)材料及耐高溫抗燒蝕材料，是其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所無(wú)法比擬的。這些材料在 上世紀(jì)60、70年代開(kāi)始應(yīng)用，現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)非常成熟了。CFRP中的樹(shù)脂基體包括環(huán)氧樹(shù)脂、 聚丙烯、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂、氰酸樹(shù)脂等，CFRP的性能受樹(shù)脂基體性能的影響比 較大。
[0004] 例如，公開(kāi)號(hào)為CN10439873A、公開(kāi)日為2014.09.10、申請(qǐng)人為東麗株式會(huì)社的中 國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了"一種碳纖維增強(qiáng)聚丙烯片材及其成型品"，其包含質(zhì)量平均纖維長(zhǎng)度為 1.5mm~20mm的碳纖維和含有聚丙烯及酸改性聚丙烯的基體樹(shù)脂，碳纖維呈單纖維狀分散， 并且碳纖維和基體樹(shù)脂的界面剪切強(qiáng)度為5.50~10.5MPa。該片材能成型復(fù)雜的形狀，力學(xué) 特性為各項(xiàng)同性，可得到力學(xué)特性和耐沖擊性能優(yōu)異的成型品，從力學(xué)特性的觀點(diǎn)考慮，優(yōu) 選用于電氣、電子設(shè)備用的機(jī)箱、土木、建材用的面板、汽車(chē)用的結(jié)構(gòu)部件、航空器用的部 件，尤其是從力學(xué)特性及耐沖擊性的觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選用于汽車(chē)、自行車(chē)用結(jié)構(gòu)部件。不過(guò)，該 發(fā)明存在阻燃性能較差的缺陷，在用于自行車(chē)配件方面時(shí)這一點(diǎn)不如金屬材料。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種聚丙烯-碳纖維復(fù)合材料，其具有很好的阻 燃性能。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] 一種聚丙烯-碳纖維復(fù)合材料，其組份以及重量份數(shù)為：聚丙烯樹(shù)脂50~60份，潤(rùn) 滑劑0.5~1份，相容劑3~5份，增韌劑4~6份，防老劑1~2份，抗靜電劑2~4份，耐腐蝕劑1 ~3份，增塑劑3~5份，碳纖維15~20份，納米氧化鈣16~20份，PEI 9~12份。
[0008] 優(yōu)選地，本發(fā)明所述聚丙烯樹(shù)脂為均聚型聚丙烯樹(shù)脂。
[0009 ]優(yōu)選地，本發(fā)明所述潤(rùn)滑劑為聚乙烯蠟。
[0010]優(yōu)選地，本發(fā)明所述相容劑為PP-g-MAH〇
[0011] 優(yōu)選地，本發(fā)明所述增韌劑為POE或EPR。
[0012] 優(yōu)選地，本發(fā)明所述防老劑為硫代二丙酸雙十八酯。
[0013] 優(yōu)選地，本發(fā)明所述抗靜電劑為離子液體類(lèi)抗靜電劑。
[0014] 優(yōu)選地，本發(fā)明所述耐腐蝕劑為聚四氟乙烯。
[0015] 優(yōu)選地，本發(fā)明所述增塑劑為鄰苯二甲酸酯。
[0016] 本發(fā)明要解決的另一技術(shù)問(wèn)題是提供上述聚丙烯-碳纖維復(fù)合材料的制備方法。
[0017] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，技術(shù)方案是：
[0018] -種聚丙烯-碳纖維復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
[0019] (1)按配方量稱(chēng)取各組分，將碳纖維與納米氧化鈣粉體加入攪拌機(jī)攪拌5小時(shí)，取 出后加入無(wú)水乙醇中制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4 %的混合溶液，將十八醇加入混合溶液中，球磨16小 時(shí)后超聲分散1小時(shí)，靜置10小時(shí)后8000r/min下離心30分鐘，取出下層漿液，置于真空干燥 箱中110 °C下干燥8小時(shí)，得到改性混合物；
[0020] (2)將聚丙烯樹(shù)脂、潤(rùn)滑劑、增韌劑、防老劑、抗靜電劑、耐腐蝕劑、增塑劑以及步驟 (1)得到的改性混合物加入高混機(jī)，混合6分鐘后將相容劑、PEI加入高混機(jī)繼續(xù)混合6分鐘， 得到混合料；
[0021] (3)將步驟(2)得到的混合料放入平板硫化機(jī)的模具中，將爐溫升至140°C后保溫1 小時(shí)，壓力為12MPa，然后以50°C/小時(shí)的速度升溫至220-240°C，保溫1小時(shí)，隨爐降溫至90 °C后泄壓，將模具取出，自然冷卻至室溫，得到聚丙烯-碳纖維復(fù)合材料。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0023] 1)納米氧化鈣是一種阻燃耐火性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)材料，不過(guò)其與碳纖維的表面一樣 均含有羥基呈親水性，表面自由能高，容易團(tuán)聚，與聚丙烯基體相容性不佳，因此本發(fā)明先 將二者混合，再用十八醇對(duì)其進(jìn)行表面改性，十八醇與納米氧化鈣、碳纖維表面的羥基發(fā)生 酯化反應(yīng)，降低了表面自由能，在二者的表面形成了一層有機(jī)包覆膜，將二者表面的親水性 變成了親油性，改善了二者與聚丙烯基體之間的相容性，在復(fù)合材料處于燃燒環(huán)境中時(shí)納 米氧化鈣會(huì)在復(fù)合材料表面形成一層氧化膜，有效隔絕了復(fù)合材料與氧氣的接觸，從而大 大提高了復(fù)合材料的阻燃性能。
[0024] 2)PEI是聚醚酰亞胺的英文簡(jiǎn)寫(xiě)，是一種阻燃性?xún)?yōu)異的工程塑料，其氧指數(shù)高達(dá)47 左右，不過(guò)其與聚丙烯基體之間的相容性也不是很好，因此本發(fā)明添加了相容劑以改善二 者的相容性，使得PEI能更好地與聚丙烯基體相結(jié)合，提高了復(fù)合材料的氧指數(shù)，從而進(jìn)一 步提高復(fù)合材料的阻燃性能。
【具體實(shí)施方式】：
[0025] 下面將結(jié)合具體實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，在此本發(fā)明的示意性實(shí)施例以及說(shuō)明 用來(lái)解釋本發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0026] 實(shí)施例1
[0027]聚丙烯-碳纖維復(fù)合材料，其組份以及重量份數(shù)為：均聚型聚丙烯樹(shù)脂55份，聚乙 烯蠟0.6份，PP-g-MAH 3份，Ρ0Ε 6份，硫代二丙酸雙十八酯1.4份，離子液體類(lèi)抗靜電劑3.5 份，聚四氟乙烯1.5份，鄰苯二甲酸酯4份，碳纖維15份，納米氧化鈣17份，PEI 10份。
[0028]其制備方法包括以下步驟：
[0029] (1)按配方量稱(chēng)取各組分，將碳纖維與納米氧化鈣粉體加入攪拌機(jī)攪拌5小時(shí)，取 出后加入無(wú)水乙醇中制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4 %的混合溶液，將十八醇加入混合溶液中，球磨16小 時(shí)后超聲分散1小時(shí)，靜置10小時(shí)后8000r/min下離心30分鐘，取出下層漿液，置于真空干燥 箱中110 °C下干燥8小時(shí)，得到改性混合物；
[0030] (2)將均聚型聚丙烯樹(shù)脂、聚乙烯蠟、Ρ0Ε、硫代二丙酸雙十八酯、離子液體類(lèi)抗靜 電劑、聚四氟乙烯、鄰苯二甲酸酯以及步驟(1)得到的改性混合物加入高混機(jī)，混合6分鐘后 將PP-g-MAH、PEI加入高混機(jī)繼續(xù)混合6分鐘，得到混合料；
[0031] (3)將步驟(2)得到的混合料放入平板硫化機(jī)的模具中，將爐溫升至140°C后保溫1 小時(shí)，壓力為12MPa，然后以50°C/小時(shí)的速度升溫至220-240°C，保溫1小時(shí)，隨爐降溫至90 °C后泄壓，將模具取出，自然冷卻至室溫，得到聚丙烯-碳纖維復(fù)合材料。
[0032] 實(shí)施例2
[0033]聚丙烯-碳纖維復(fù)合材料，其組份以及重量份數(shù)為：均聚型聚丙烯樹(shù)脂54份，聚乙 烯蠟0.9份，PP-g-MAH 5份，EPR 4份，硫代二丙酸雙十八酯1.2份，離子液體類(lèi)抗靜電劑2.5 份，聚四氟乙烯2份，鄰苯二甲酸酯4.5份，碳纖維17份，納米氧化鈣19份，PEI 12份。
[0034]其制備方法包括以下步驟：
[0035] (1)按配方量稱(chēng)取各組分，將碳纖維與納米氧化鈣粉體加入攪拌機(jī)攪拌5小時(shí)，取 出后加入無(wú)水乙醇中制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4 %的混合溶液，將十八醇加入混合溶液中，球磨16小 時(shí)后超聲分散1小時(shí)，靜置10小時(shí)后8000r/min下離心30分鐘，取出下層漿液，置于真空干燥 箱中110 °C下干燥8小時(shí)，得到改性混合物；
[0036] (2)將均聚型聚丙烯樹(shù)脂、聚乙烯蠟、EPR、硫代二丙酸雙十八酯、離子液體類(lèi)抗靜 電劑、聚四氟乙烯、鄰苯二甲酸酯以及步驟(1)得到的改性混合物加入高混機(jī)，混合6分鐘后 將PP-g-MAH、PEI加入高混機(jī)繼續(xù)混合6分鐘，得到混合料；
[0037] (3)將步驟(2)得到的混合料放入平板硫化機(jī)的模具中，將爐溫升至140°C后保溫1 小時(shí)，壓力為12MPa，然后以50°C/小時(shí)的速度升溫至220-240°C，保溫1小時(shí)，隨爐降溫至90 °C后泄壓，將模具取出，自然冷卻至室溫，得到聚丙烯-碳纖維復(fù)合材料。
[0038] 實(shí)施例3
[0039]聚丙烯-碳纖維復(fù)合材料，其組份以及重量份數(shù)為：均聚型聚丙烯樹(shù)脂56份，聚乙 烯蠟0.8份，PP-g-MAH 3.5份，Ρ0Ε 4.5份，硫代二丙酸雙十八酯1份，離子液體類(lèi)抗靜電劑4 份，聚四氟乙烯3份，鄰苯二甲酸酯3份，碳纖維19份，納米氧化鈣16.5份，PEI 10.5份。
[0040] 其制備方法包括以下步驟：
[0041] (1)按配方量稱(chēng)取各組分，將碳纖維與納米氧化鈣粉體加入攪拌機(jī)攪拌5小時(shí)，取 出后加入無(wú)水乙醇中制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4 %的混合溶液，將十八醇加入混合溶液中，球磨16小 時(shí)后超聲分散1小時(shí)，靜置10小時(shí)后8000r/min下離心30分