[发明专利]碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制造方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制造方法及装置。

背景技术

随着现代电子工业的高速发展和电子电器设备的普及而产生的电磁辐射问题日益严重。电磁波辐射可干扰周围的电子仪器设备，引起事故，也会导致信息泄露，对计算机、通讯等信息安全构成严重的威胁。此外，电磁辐射对人体健康也造成严重的影响。

为解决这一问题，电子电器设备除了传统上要求的高机械性能、轻量化以外，还要求具有较高的抗电磁辐射能力。电子电器设备的外壳一般采用热塑性树脂通过注射成型制造。然而，尽管热塑性树脂具有轻量化效果，但这种材料自身并无电磁防护能力。为赋予电子电器设备以轻量化、高机械性能和高导电性能，人们采用碳纤维增强热塑性树脂经注塑成型、热压成型等工艺用于制造电子电器设备的外壳。例如，在碳纤维增强热塑性树脂材料注射成型制造希望形状的成形品时，使用含有碳纤维的树脂原料。这样的树脂原料中含有的碳纤维一般是短纤维。近年来，为进一步提高成形品的机械性能，人们采用长碳纤维在单方向进行浸渍，也就是长纤维粒料开发，为制造高机械性能注射成形品提供原料。在长纤维粒料的生产过程中，碳纤维以束状形式通过包含熔融热塑性树脂的浸渍模头，使树脂包裹在碳纤维表面，经冷却后，切断成任意尺寸，制成注塑成型用的复合材料粒料。

然而，用这种方法不能赋予成形品以优异的电磁防护性能。为解决这一问题，人们在熔融树脂中添加金属粉末、金属片磁性材料以提高材料的导电性和导磁性。但用这些方法制造的成形品存在机械性能低下，或者金属粉末分散不均匀导致电磁屏蔽性能发挥不稳定等问题，难以适应电子电器设备对材料机械性能和电磁防护性能日益提高的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种工艺简单实用、成本低、质量稳定，机械性能好、电磁防护性能好和轻量化的长碳纤维增强热塑性树脂粒料的制造方法及其装置。

本发明是将碳纤维首先进行镀金属处理，水洗、表面热处理后以开纤状态导入到含有熔融热塑性树脂的浸渍模头中，使热塑性树脂熔融包覆在碳纤维表面，再经过冷却、切粒后，制成碳纤维增强热塑性树脂粒料用于注塑成型或者热压成型。该方法可同时提高加工成形品的机械性能和电磁屏蔽性能，也能确保碳纤维与热塑性树脂之间优异的界面结合力。

本发明碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制造方法是通过以下步骤实现的：

(1)碳纤维表面上浆剂的去除：碳纤维在温度为400-700℃的炉中保持3-30分钟，炉内气氛为惰性气体；

(2)碳纤维表面电镀：将步骤(1)去除表面上浆剂的碳纤维作为阴极，被镀金属作为阳极，进行电镀，从而得到表面金属化碳纤维；

(3)表面金属化碳纤维的清洗：采用去离子水对步骤(2)表面金属化碳纤维进行清洗，直到清洗水流中的金属离子含量低于0.05g/L；

(4)金属化碳纤维的表面热处理：将步骤(3)清洗后的表面金属化碳纤维在120-600℃内热处理进行碳纤维的表面热处理，处理时间为30秒-10分钟；

(5)金属化碳纤维的熔融浸渍：将步骤(4)热处理后的表面金属化碳纤维连续通过熔融浸渍模头，其中通过双螺杆挤出机连续相熔融浸渍模头中供给热塑性树脂，具体的方法见：咸贵军，益小苏，潘颐.热塑性树脂熔融浸渍连续纤维装置.塑料工业2000；28(5):15-17，得到包覆树脂的金属化碳纤维；

(6)包覆树脂的金属化碳纤维的冷却、切粒：将步骤(5)包覆热塑性树脂的金属化碳纤维经冷却后，切成4毫米至20毫米范围的长度，制成复合材料用粒料。

本发明步骤(1)中去除碳纤维表面上浆剂的温度为400-700℃，最佳温度为550-650℃。如炉内温度低于400℃，碳纤维表面残留的上浆剂较多，干扰后续的电镀过程；如炉内温度高于700℃，一方面造成生产成本提高，另一方面也会损伤碳纤维表面，造成碳纤维力学性能显著降低。

本发明步骤(1)中去除碳纤维表面上浆剂的加热炉中气氛为惰性气体，炉内气体可以是氮气或氩气。

本发明步骤(2)中被镀金属可以为Cu、Ni或先镀Cu，再镀Ni。

电镀Cu时的条件为：

CuSO₄·5H₂O120-250g/L

H₂SO₄30-120g/L

温度20-60℃

本发明步骤(3)中可以采用温度为20-90℃的去离子水对金属化碳纤维进行清洗。