一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料及其制備方法，包括短碳纖維和熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯；其中，短碳纖維的質(zhì)量百分比含量為5-40％，熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯的質(zhì)量百分比含量為60-95％。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有方法相對簡單，并適于工業(yè)化加工生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于碳纖維復(fù)合材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂聚偏 氟乙烯復(fù)合材料（PVDF/CF)及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 碳纖維是一種含碳量在95%以上的新型纖維材料。碳纖維具有許多優(yōu)異的性能， 包括低密度（1. 75-2. 18g/cm3)，高拉伸強(qiáng)度（2-7GPa)，良好的抗壓強(qiáng)度（可達(dá)3GPa)，高拉 伸模量（200-900GPa)，良好的耐高溫性能，低熱膨脹率，優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和化學(xué)惰性 等。碳纖維主要用于增強(qiáng)高分子、金屬及陶瓷等材料，其中碳纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料由于 具有輕質(zhì)高強(qiáng)高模等優(yōu)點(diǎn)，能夠顯著降低部件的質(zhì)量起到節(jié)能環(huán)保作用，而廣泛應(yīng)用于國 防軍事、航空航天、新能源、汽車以及體育休閑用品等領(lǐng)域。
[0003] 聚偏氟乙烯是氟塑料中產(chǎn)量排名第二的熱塑性樹脂，具有良好加工性、耐化學(xué)腐 蝕性、耐高溫性、抗疲勞、壓電性和介電性等。聚偏氟乙烯是石油化工設(shè)備泵、閥門、管道、管 路配件、儲(chǔ)槽和熱交換器的最佳材料之一。將碳纖維與聚偏氟乙烯復(fù)合能夠得到力學(xué)性能 和功能性兼具的復(fù)合材料。專利EP0062732(B1)利用碳纖維增強(qiáng)聚偏氟乙烯制備出高強(qiáng) 度、耐酸腐蝕、低收縮率的復(fù)合材料。該專利中碳纖維含量小于20wt %，不能夠?qū)燮?烯充分增強(qiáng)。專利CN201907651(U)將聚偏氟乙烯壓電薄膜傳感器對稱覆蓋在碳纖維薄皮 上，形成聚偏氟乙烯智能傳感機(jī)翼。該專利只是將碳纖維薄片和熱塑性樹脂聚偏氟乙烯簡 單貼合在一起，并未將兩者本體充分混合形成復(fù)合材料。專利CN102040761(A)利用碳纖維 填充熱塑性樹脂（如聚偏氟乙烯）制備力學(xué)性能良好的高導(dǎo)熱復(fù)合材料，其中碳纖維含量 在5-35wt%。該專利將碳纖維作為導(dǎo)熱填料填充到熱塑性樹脂中，但并未對此種復(fù)合材料 的力學(xué)性能進(jìn)行研究說明。
[0004] 碳纖維對熱塑性樹脂聚偏氟乙烯有明顯的增強(qiáng)作用，碳纖維含量越高，對復(fù)合材 料的增強(qiáng)作用越顯著。國內(nèi)外還未有關(guān)于高碳纖維含量（超過30wt%)對聚偏氟乙烯增強(qiáng) 作用的相關(guān)專利，對于這種熱塑性復(fù)合材料的制備也沒有適于工業(yè)化生產(chǎn)的方法。而在高 碳纖維含量下，不僅提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，擴(kuò)展碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂聚偏氟乙烯復(fù) 合材料（PVDF/CF)的應(yīng)用，更能降低制品的質(zhì)量。碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂聚偏氟乙烯復(fù)合 材料（PVDF/CF)是一種有待進(jìn)一步開發(fā)的高強(qiáng)材料。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種可顯著提高材 料的力學(xué)性能、方法簡單、并適用于工業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材 料，其特征在于，包括短碳纖維和熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯；其中，短碳纖維的質(zhì)量百分 比含量為5-40%，熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯的質(zhì)量百分比含量為60-95%。
[0007] 所述的短碳纖維包括浙青基、聚丙烯腈基或粘膠基碳纖維，短碳纖維長度在 10um-30mm 之間。
[0008] 所述的短碳纖維優(yōu)選高拉伸強(qiáng)度的聚丙烯腈基碳纖維。
[0009] 所述的短碳纖維的質(zhì)量百分比含量優(yōu)選40%。
[0010] 所述的熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯包括注塑級、擠出級、填充級、板材級或阻燃級 等的粒料或粉體，熔點(diǎn)為165-172°C，密度為1. 77-1. 79g/m3。 toon] 所述的熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯優(yōu)選注塑級或擠出級的聚偏氟乙烯粒料或粉 體。
[0012] 一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，將原料短碳纖維 和熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯充分干燥，然后在180-195°c之間進(jìn)行熔融共混，利用模具將 共混物在195-2KTC之間和壓力15MPa下，成型為所需尺寸和形狀的板材，得到碳纖維增強(qiáng) 熱塑性樹脂聚偏氟乙烯復(fù)合材料。
[0013] 所述的原料還包括加工助劑，所述的加工助劑包括抗氧劑、偶聯(lián)劑、阻燃劑、相容 劑中的一種或幾種。
[0014] 所述的干燥為70°C下干燥12小時(shí)。
[0015] 所述的熔融共混在雙螺桿擠出機(jī)、開煉機(jī)或密煉機(jī)中進(jìn)行；所述的成型的方法包 括注射成型、熱壓成型、擠出成型或?qū)訅撼尚汀?br> [0016] 所述的制備方法中，碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂聚偏氟乙烯復(fù)合材料（PVDF/CF)的切 割方法可以是機(jī)械切割、水刀切割、數(shù)控切割、激光切割和超聲切割。水刀切割對切口材料 微觀組織基本沒有影響，本發(fā)明實(shí)施例中選用水刀切割樣品為長和寬分別是l〇cm和lcm的 測試樣條。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過將短碳纖維與熱塑性樹脂聚偏氟乙烯熔融共混，再 通過熱壓成型制備出高碳纖維含量的復(fù)合材料，顯著提高了碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂聚偏氟 乙烯復(fù)合材料（PVDF/CF)的力學(xué)性能，利用萬能電子拉力機(jī)測試其彎曲性能（測試標(biāo)準(zhǔn)為 ASTM D790-2003)，在40wt%的碳纖維含量下，碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂聚偏氟乙烯復(fù)合材料 (PVDF/CF)的彎曲強(qiáng)度和模量相較于純聚偏氟乙烯材料分別提高44%和275%。本方法相 對簡單，并適于工業(yè)化的加工生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明PVDF/CF的SEM圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0020] 實(shí)施例1
[0021] 將長度為l〇mm的短碳纖維（東麗T70012K)和熱塑性樹脂聚偏氟乙烯（Kynar720) 在70°C下干燥12小時(shí)。取4g干燥后的短碳纖維與76g聚偏氟乙烯在轉(zhuǎn)矩流變儀（HAKKE Polyab 0S)中進(jìn)行烙融共混，溫度185°C，轉(zhuǎn)速50r/min，共混時(shí)間lOmin，使得碳纖維均勻 分散在樹脂基體聚偏氟乙烯中。利用模具在高溫平板硫化機(jī)（XLB-D)上將共混物熱壓成 型為10cmX10cmX2mm的板材，工藝參數(shù)為：溫度195°C，壓力15MPa，熱壓時(shí)間6min。使用 超高壓水流切割機(jī)（Waterjet pro)將板材切割成所需大小的測試樣條。萬能電子拉力機(jī) (Instron4465)測試復(fù)合材料的彎曲性能。
[0022] 本實(shí)施例制備的5wt %碳纖維含量PVDF/CF，彎曲強(qiáng)度為48MPa，彎曲模量為 2697MPa。相較于比較例1中的純聚偏氟乙烯材料，5wt%碳纖維含量PVDF/CF的彎曲強(qiáng)度 和模量分別提高7 %和20%。
[0023] 實(shí)施例2
[0024] 將長度為10mm的短碳纖維（東麗T70012K)和熱塑性樹脂聚偏氟乙烯（Kynar720) 在70°C下干燥12小時(shí)。取16g干燥后的短碳纖維與64g聚偏氟乙烯在轉(zhuǎn)矩流變儀（HAKKE Polyab 0S)中進(jìn)行烙融共混，溫度185°C，轉(zhuǎn)速50r/min，共混時(shí)間lOmin，使得碳纖維均勻 分散在樹脂基體聚偏氟乙烯中。其它如實(shí)施例1。
[0025] 本實(shí)施例制備的20wt%碳纖維含量PVDF/CF，彎曲強(qiáng)度為55MPa，彎曲模量為 5327MPa。相較于比較例1中的純聚偏氟乙烯材料，20wt%碳纖維含量PVDF/CF的彎曲強(qiáng)度 和模量分別提高22%和136%。20wt%碳纖維含量PVDF/CF的斷面的掃描電鏡圖片如圖1 所示，碳纖維均勻分散在樹脂基體聚偏氟乙烯中，兩者界面結(jié)合良好。
[0026] 實(shí)施例3
[0027] 將長度為10mm的短碳纖維（東麗T70012K)和熱塑性樹脂聚偏氟乙烯（Kynar720) 在70°C下干燥12小時(shí)。取32g干燥后的短碳纖維與48g聚偏氟乙烯在轉(zhuǎn)矩流變儀（HAKKE Polyab 0S)中進(jìn)行烙融共混，溫度185°C，轉(zhuǎn)速50r/min，共混時(shí)間lOmin，使得碳纖維均勻 分散在樹脂基體聚偏氟乙烯中。其它如實(shí)施例1。
[0028] 本實(shí)施例制備的40wt%碳纖維含量PVDF/CF，彎曲強(qiáng)度為65MPa，彎曲模量為 8451MPa。相較于比較例1中的純聚偏氟乙烯材料，40wt%碳纖維含量PVDF/CF的彎曲強(qiáng)度 和模量分別提高44%和275%。可以看出，隨著碳纖維含量的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能顯 著提高。
[0029] 比較例1
[0030] 將熱塑性樹脂聚偏氟乙烯（Kynar720)在70°C下干燥12小時(shí)。取80g聚偏氟乙 烯在轉(zhuǎn)矩流變儀（HAKKE Polyab 0S)中進(jìn)行熔融共混，溫度185°C，轉(zhuǎn)速50r/min，共混時(shí)間 10min。其它如實(shí)施例1。
[0031] 本比較例制備的純聚偏氟乙烯材料，彎曲強(qiáng)度為45MPa，彎曲模量為2254MPa。
[0032] 比較例2
[0033] 將長度為10mm的短碳纖維（東麗T70012K)和熱塑性樹脂聚偏氟乙烯（Kynar720) 在70°C下干燥12小時(shí)。取40g干燥后的短碳纖維與40g聚偏氟乙烯在轉(zhuǎn)矩流變儀（HAKKE Polyab 0S)中進(jìn)行烙融共混，溫度185°C，轉(zhuǎn)速50r/min，共混時(shí)間10min，使得碳纖維均勻 分散在樹脂基體聚偏氟乙烯中。其它如實(shí)施例1。
[0034] 本比較例制備的50wt%碳纖維含量PVDF/CF，彎曲強(qiáng)度為62MPa，彎曲模量為 8013MPa。理論上，復(fù)合材料的強(qiáng)度應(yīng)該隨著碳纖維含量的增加而提高。但在本比較例中， 相較于40wt%碳纖維含量PVDF/CF復(fù)合材料，50wt%碳纖維含量PVDF/CF的彎曲強(qiáng)度和彎 曲模量稍有下降。這可能是因?yàn)樵谔祭w維的含量為50wt%時(shí)，碳纖維含量過高，難以在樹脂 基體中均勻分散，因而導(dǎo)致碳纖維增強(qiáng)聚偏氟乙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能降低。而碳纖維本 身價(jià)格又相對昂貴，所以綜合力學(xué)性能和成本因素，50wt%碳纖維含量的PVDF/CF是不合 理的。
[0035] 實(shí)施例4
[0036] -種碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的制備方法，將長度在10um、質(zhì)量百分比含 量為30%短碳纖維和質(zhì)量百分比含量為70%熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯（熔點(diǎn)為165°C， 密度為1. 77g/m3)充分干燥，然后在雙螺桿擠出機(jī)180°C之間進(jìn)行熔融共混、造粒，在195°C 下注射成型為所需尺寸和形狀的板材，得到碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂聚偏氟乙烯復(fù)合材料。
[0037] 實(shí)施例5
[0038] -種碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的制備方法，將長度在30mm、質(zhì)量百分比含 量為40%短碳纖維和質(zhì)量百分比含量為60%熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯（熔點(diǎn)為172°C， 密度為1. 79g/m3)充分干燥，然后在雙螺桿擠出機(jī)195°C進(jìn)行熔融共混、造粒，在210°C下注 射成型為所需尺寸和形狀的板材，得到碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂聚偏氟乙烯復(fù)合材料。
[0039] 以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)該指出，對 于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行 若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0040] 對所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。 對這些實(shí)施例的多種修飾對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的 一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明 將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一 致的最寬的范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，其特征在于，包括短碳纖維和熱塑性樹脂基 體聚偏氟乙烯；其中，短碳纖維的質(zhì)量百分比含量為5-40%，熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯 的質(zhì)量百分比含量為60-95%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，其特征在于，所述的 短碳纖維包括浙青基、聚丙烯腈基或粘膠基碳纖維，短碳纖維長度在10um-30mm之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，其特征在于，所述 的短碳纖維優(yōu)選高拉伸強(qiáng)度的聚丙烯腈基碳纖維。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，其特征在于，所述 的短碳纖維的質(zhì)量百分比含量優(yōu)選40%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，其特征在于，所述的 熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯包括注塑級、擠出級、填充級、板材級或阻燃級等的粒料或粉 體，熔點(diǎn)為 165-172°C，密度為 1. 77-1. 79g/m3。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料，其特征在于，所述 的熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯優(yōu)選注塑級或擠出級的聚偏氟乙烯粒料或粉體。
7. -種如權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于，將原料短碳纖維和熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯充分干燥，然后在180-195°C之間進(jìn)行熔 融共混，利用模具將共混物在195-2KTC之間和壓力15MPa下，成型為所需尺寸和形狀的板 材，得到碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂聚偏氟乙烯復(fù)合材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于，所述的原料還包括加工助劑，所述的加工助劑包括抗氧劑、偶聯(lián)劑、阻燃劑、相容劑中的 一種或幾種。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于，所述的干燥為70°C下干燥12小時(shí)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的制備方法，其特征 在于，所述的熔融共混在雙螺桿擠出機(jī)、開煉機(jī)或密煉機(jī)中進(jìn)行；所述的成型的方法包括注 射成型、熱壓成型、擠出成型或?qū)訅撼尚汀?br> 【文檔編號】C08L27/16GK104086924SQ201410345464
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】宋晨晨, 楊斌, 劉媛, 王新靈 申請人:上海交通大學(xué)