[发明专利]改性短切碳纤维增强聚烯烃复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维增强聚烯烃复合材料技术领域，特别涉及一种改性短切碳纤维增强聚烯烃复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维，是一种力学性能优异的新材料。随着我国碳纤维产业的发展，碳纤维增强树脂复合材料正以矫健的步伐迈向民用工业。碳纤维增强树脂复合材料是一种高性能的轻质结构材料，在交通工具和风电等领域具有广阔的应用前景。传统的碳纤维增强树脂复合材料主要以长纤维即连续纤维为增强体，以热固性树脂为基体材料。近年来，由于材料制备效率高、综合性能好、制品成型和焊接及再加工工艺简单且成本低等优点，短切碳纤维增强热塑性树脂复合材料如短切碳纤维增强聚烯烃复合材料，越来越受到广泛地关注。随着碳纤维回收技术的发展，更多碳纤维以短切纤维的形式被回收回来，这使得对短切碳纤维增强热塑性树脂复合材料的研究更加具有实际意义。但是，短切碳纤维往往比连续碳纤维的增强能力要逊色很多，主要是由于短切碳纤维不能形成连续的网络，不能成为承载应力的连续主体，应力只由单个纤维来承担，纤维极容易断裂或从基体中被拔出。因此，如何改善短切碳纤维的增强能力仍然是需要解决的一个重要问题。

对于短切碳纤维增强聚烯烃复合材料，其在汽车工业中被认为是可代替碳钢的高性能轻质新材料。但是，由于短切碳纤维的表面光滑，表面含氧基团较少，而聚烯烃的分子链为非极性链，且缺少可反应基团，导致两者界面作用较弱，难以在界面区域建立起有效的应力传递，短切碳纤维增强聚烯烃复合材料的机械性能往往得不到有效提高。为了解决以上技术问题，授权公告号为CN100368471C的中国专利文献公开了一种稀土改性碳纤维/聚丙烯复合材料的制备方法，该方法先将碳纤维浸入稀土改性剂中浸泡2~4小时，过滤后烘干；将处理后的碳纤维按重量百分比10%~20%同79%~89%的聚丙烯、1%~10%的二硫化钼进行机械共混，然后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，先将炉温升温至110℃，保持60分钟，对预成型坯料进行预塑，压力控制在10MPa~14MPa，然后再以60℃/小时的速度升温至190℃~220℃，保温1小时，使模压料成型，随后采用随炉降温的方式降温到80℃后将压力去掉，将模压成型后的复合材料连同模具一起去除，随室温冷却，获得稀土改性碳纤维/聚丙烯复合材料；所述稀土改性剂的组分重量百分比为：稀土化合物0.1%~2%，乙醇95%~99.7%，乙二胺四乙酸0.05%~0.5%，氯化铵0.1%~1%，硝酸0.02%~0.5%，尿素0.03%~1%；其中，所述的稀土化合物为氯化镧、氯化铈、氧化镧或氧化铈；所述的碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，聚丙烯为均聚型聚丙烯或共聚型聚丙烯。

上述方法制得的复合材料具有良好的力学性能和摩擦学性能，但是，上述方法仅对短切碳纤维进行单纯表面处理，短切碳纤维具有不连续性，材料的应力只能在短程范围内传递，使得材料的力学性能提高的幅度有限，仍有待进一步改进。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种改性短切碳纤维增强聚烯烃复合材料及其制备方法，该方法制备的改性短切碳纤维增强聚烯烃复合材料具有较高的机械性能。

本发明提供一种改性短切碳纤维增强聚烯烃复合材料，由短切碳纤维聚烯烃混合物经混炼或挤出造粒制得，所述短切碳纤维聚烯烃混合物包含：

20wt%~75wt%的聚烯烃；

7wt%~40wt%的短切碳纤维；

2wt%~20wt%的增容剂；

5wt%~20wt%的环氧树脂；

0.2wt%~5wt%的固化剂。

本发明提供一种改性短切碳纤维增强聚烯烃复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将20wt%~75wt%的聚烯烃、7wt%~40wt%的短切碳纤维、2wt%~20wt%的增容剂、5wt%~20wt%的环氧树脂与0.2wt%~5wt%的固化剂进行混炼或挤出造粒，得到改性短切碳纤维增强聚烯烃复合材料。

优选的，所述混炼包括：

将所述聚烯烃和增容剂在160℃~200℃的条件下进行共混，2分钟~5分钟后，得到第一共混物；

将所述第一共混物与所述环氧树脂及短切碳纤维进行共混，2分钟~8分钟后，得到第二共混物；

将所述第二共混物与所述固化剂进行共混，2分钟~8分钟后，得到改性短切碳纤维增强聚烯烃复合材料。

优选的，所述挤出造粒包括：

将所述聚烯烃、增容剂、短切碳纤维和环氧树脂在80℃~120℃的条件下进行混合，然后在160℃~210℃的条件下进行挤出造粒，得到挤出颗粒；