[发明专利]一种高性能的碳纤维增强聚酰胺复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能的碳纤维增强聚酰胺复合材料，以及这种复合材料的 制备方法。具体是利用羧基功能化的碳纤维与聚酰胺复合制备高性能复合材料。

背景技术

聚酰胺是由二元胺和二元酸或氨基酸内酰胺缩聚或自聚而成的分子链中含 有重复的酰胺基团(-CONH-)的一类高分子聚合物的总称。根据合成单体的二元 酸和二元胺或氨基酸所含碳原子数的不同，聚酰胺可分为PA6、PA66、PA610、 PA46、PA1010、PA612、PA1212、PA6T、PA9T等。其中PA6和PA66占聚酰胺总 量的90％以上。聚酰胺具有优良的力学性能、热性能、耐化学性能、自润滑性、 光学性能、电性能、抗蠕变性等特性能，，满足了汽车零部件尤其是发动机周边 部件对材料性能的要求，因此，聚酰胺及其复合材料在汽车工业领域有着极为重 要的应用。

碳纤维CF作为一种高性能的增强材料，具有高比强度、比模量、耐高温、 耐腐蚀、尺寸稳定性好等特点，与聚酰胺复合制备的复合材料具有耐疲劳、耐磨 损、耐腐蚀、热膨胀系数小、成型加工性好等特点，碳纤维增强聚酰胺高性能 复合材料在一些汽车零部件上可以替代金属实现以塑代钢，减轻汽车重量，降低 排放方面发挥着非常重要的作用。

但是碳纤维表面呈现化学惰性，在制备复合材料后与树脂基体的相容性比较 差，导致复合材料的优异性能不能有效发挥，所以在制备复合材料前需要对碳纤 维表面进行改性，但是传统的电化学改性、化学氧化改性、射线辐照改性等方法 一般是利用强氧化性物质或者在特殊的环境下对碳纤维表面进行氧化，使碳纤维 表面产生较多的极性官能团，虽然上述方法能有效改善碳纤维与树脂基体的相容 性，增加复合材料的力学性能，但是在强氧化性的环境中碳纤维的表面结构被破 坏，在碳纤维的表面产生新的缺陷，导致碳纤维的力学性能在一定程度上的降低， 所以一种理想的碳纤维表面改性方法是在不改变碳纤维表面结构的前提下，在碳 纤维表面增加极性官能团，增加碳纤维与树脂基体之间的界面结合力。

发明内容

本发明提供了一种高性能的碳纤维增强聚酰胺复合材料及其制备方法，在不 改变碳纤维表面结构的前提下，在碳纤维表面产生较多的羧基官能团，增加碳纤 维与树脂基体的之间的界面结合力，并且制备了高性能的碳纤维增强聚酰胺复合 材料。

本发明为解决所提出的技术问题，采用的技术方案为：

一种高性能的碳纤维增强聚酰胺复合材料，其包括按照重量百分比的如下配 方：

聚酰胺树脂60～85％；

增韧剂3～10％；

表面功能化的碳纤维10～30％。

所述表面功能化的碳纤维为碳纤维表面经过羧基功能化处理。其具体处理流 程如下：

将碳纤维用丙酮清洗除去表面的杂质，将上述碳纤维在米氏酸与乙基苯溶剂 组成的溶液中反应2h，反应后用无水乙醇清洗数次，在80℃的真空环境中干燥 6h，备用，获得表面羧基功能化处理后的碳纤维。其中所述的碳纤维为堆积密度 ＞420g/cm³、切片长度为6-12mm的短切碳纤维，所述的米氏酸与乙基苯组成溶 液的物质的量浓度为0.05mol/L。所述的聚酰胺树脂为PA6、PA66、PA610、PA46、 PA1010、PA612、PA1212、PA6T、PA9T之中的一种或几种，均为已知的并且可以 通过多个商业来源获得。

所述的增韧剂为马来酸酐接枝聚烯烃弹性体，均为已知的并且可以通过多个 商业来源获得。

所述的复合材料中还可包括润滑剂、流动改性剂、抗氧剂、填充剂等功能性 助剂。

本发明提供一种高性能的碳纤维增强聚酰胺复合材料的制备方法，包括以下 步骤：

(1)按配方比例称取干澡后的各原料；并将除表面功能化的碳纤维以外的 原料用高速搅拌机混合均匀；

(2)将上述混合原料从双螺杆挤出机的主喂料口加入，将表面功能化的碳 纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，经过熔融挤出、造粒、干燥处理等工序后 得到所述的碳纤维增强聚酰胺复合材料。