[发明专利]一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纤维复合材料技术领域，具体涉及一种碳纤维增强热塑性树脂聚偏氟乙烯复合材料(PVDF/CF)及其制备方法。

背景技术

碳纤维是一种含碳量在95％以上的新型纤维材料。碳纤维具有许多优异的性能，包括低密度(1.75-2.18g/cm³)，高拉伸强度(2-7GPa)，良好的抗压强度(可达3GPa)，高拉伸模量(200-900GPa)，良好的耐高温性能，低热膨胀率，优异的导电导热性能和化学惰性等。碳纤维主要用于增强高分子、金属及陶瓷等材料，其中碳纤维增强高分子复合材料由于具有轻质高强高模等优点，能够显著降低部件的质量起到节能环保作用，而广泛应用于国防军事、航空航天、新能源、汽车以及体育休闲用品等领域。

聚偏氟乙烯是氟塑料中产量排名第二的热塑性树脂，具有良好加工性、耐化学腐蚀性、耐高温性、抗疲劳、压电性和介电性等。聚偏氟乙烯是石油化工设备泵、阀门、管道、管路配件、储槽和热交换器的最佳材料之一。将碳纤维与聚偏氟乙烯复合能够得到力学性能和功能性兼具的复合材料。专利EP0062732(B1)利用碳纤维增强聚偏氟乙烯制备出高强度、耐酸腐蚀、低收缩率的复合材料。该专利中碳纤维含量小于20wt％，不能够对聚偏氟乙烯充分增强。专利CN201907651(U)将聚偏氟乙烯压电薄膜传感器对称覆盖在碳纤维薄皮上，形成聚偏氟乙烯智能传感机翼。该专利只是将碳纤维薄片和热塑性树脂聚偏氟乙烯简单贴合在一起，并未将两者本体充分混合形成复合材料。专利CN102040761(A)利用碳纤维填充热塑性树脂(如聚偏氟乙烯)制备力学性能良好的高导热复合材料，其中碳纤维含量在5-35wt％。该专利将碳纤维作为导热填料填充到热塑性树脂中，但并未对此种复合材料的力学性能进行研究说明。

碳纤维对热塑性树脂聚偏氟乙烯有明显的增强作用，碳纤维含量越高，对复合材料的增强作用越显著。国内外还未有关于高碳纤维含量(超过30wt％)对聚偏氟乙烯增强作用的相关专利，对于这种热塑性复合材料的制备也没有适于工业化生产的方法。而在高碳纤维含量下，不仅提高复合材料的力学性能，扩展碳纤维增强热塑性树脂聚偏氟乙烯复合材料(PVDF/CF)的应用，更能降低制品的质量。碳纤维增强热塑性树脂聚偏氟乙烯复合材料(PVDF/CF)是一种有待进一步开发的高强材料。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可显著提高材料的力学性能、方法简单、并适用于工业化生产的碳纤维增强热塑性树脂复合材料。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料，其特征在于，包括短碳纤维和热塑性树脂基体聚偏氟乙烯；其中，短碳纤维的质量百分比含量为5-40％，热塑性树脂基体聚偏氟乙烯的质量百分比含量为60-95％。

所述的短碳纤维包括沥青基、聚丙烯腈基或粘胶基碳纤维，短碳纤维长度在10um-30mm之间。

所述的短碳纤维优选高拉伸强度的聚丙烯腈基碳纤维。

所述的短碳纤维的质量百分比含量优选40％。

所述的热塑性树脂基体聚偏氟乙烯包括注塑级、挤出级、填充级、板材级或阻燃级等的粒料或粉体，熔点为165-172℃，密度为1.77-1.79g/m³。

所述的热塑性树脂基体聚偏氟乙烯优选注塑级或挤出级的聚偏氟乙烯粒料或粉体。

一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，其特征在于，将原料短碳纤维和热塑性树脂基体聚偏氟乙烯充分干燥，然后在180-195℃之间进行熔融共混，利用模具将共混物在195-210℃之间和压力15MPa下，成型为所需尺寸和形状的板材，得到碳纤维增强热塑性树脂聚偏氟乙烯复合材料。

所述的原料还包括加工助剂，所述的加工助剂包括抗氧剂、偶联剂、阻燃剂、相容剂中的一种或几种。

所述的干燥为70℃下干燥12小时。

所述的熔融共混在双螺杆挤出机、开炼机或密炼机中进行；所述的成型的方法包括注射成型、热压成型、挤出成型或层压成型。

所述的制备方法中，碳纤维增强热塑性树脂聚偏氟乙烯复合材料(PVDF/CF)的切割方法可以是机械切割、水刀切割、数控切割、激光切割和超声切割。水刀切割对切口材料微观组织基本没有影响，本发明实施例中选用水刀切割样品为长和宽分别是10cm和1cm的测试样条。