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CN104292640A - 高浸润性连续碳纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

高浸润性连续碳纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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CN104292640A
CN104292640A CN201410563240.2A CN201410563240A CN104292640A CN 104292640 A CN104292640 A CN 104292640A CN 201410563240 A CN201410563240 A CN 201410563240A CN 104292640 A CN104292640 A CN 104292640A
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continuous carbon
fiber reinforced
reinforced polypropylene
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刘媛
杨斌
王新灵
袁角亮
宋晨晨
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Shanghai Jiao Tong University
Original Assignee
Shanghai Jiao Tong University
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Abstract

本发明涉及高浸润性连续碳纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法，将60-95份聚丙烯树脂、0.1-1份光稳定剂、0.1-1份紫外线吸收剂、0.1-0.7份抗氧剂、0.1-0.6份润滑剂加入到高混机中，混合好的物料加入到双螺杆挤出机中；采用连接于挤出机头的连续纤维增强聚丙烯树脂的浸渍设备，将挤出机挤出的熔体从浸渍设备的熔体入口处挤入到浸渍槽中；连续碳纤维先从浸渍设备的纤维入口处进入到浸渍设备中的表面处理室进行表面处理，紧接着进入浸渍设备的浸渍槽中，与聚丙烯熔体进行充分浸润，然后通过牵引机从浸渍设备的定型口模牵出，切粒得到产品。与现有技术相比，本发明具有简化工艺、制得复合材料力学性能优异，同时密度低等优点。

Description

高浸润性连续碳纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料回收技术领域，具体涉及一种高浸润性连续碳纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
连续纤维增强聚丙烯复合材料是以连续纤维，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等无机或有机纤维作为增强材料，以聚丙烯树脂为基体，通过特殊工艺制造的新型复合材料；与短纤维或长纤维增强的聚丙烯复合材料相比，连续纤维增强的聚丙烯复合材料具有重量轻、比强度高、比模量高、耐腐蚀性好等优异性能，特别适合用于汽车、飞机、防护及其他对力学性能要求较高、需要减轻重量的用途，是当今复合材料市场中发展最快的材料之一。
但是连续纤维增强聚丙烯复合材料制备的技术关键在于纤维的分散与浸渍。纤维分散效果的好坏、树脂能否完全浸润到纤维当中、以及纤维与树脂的相容性直接决定着最终产品性能的优劣。为了解决纤维的分散与浸渍问题，中国发明专利CN1386778A采用粉末浸渍法、即将纤维通过分纱装置分散后牵引进入浸渍槽，在浸渍槽中通过超频震动方式将树脂粉末分散在纤维上，实现熔融浸润；该方法具有的问题是生产工艺复杂、效率低。为了提高纤维与树脂的相容性，中国发明专利CN102532864A中将树脂、加工助剂和相容剂在高速混合机中混合均匀后，加入到双螺杆挤出机中挤出，然后再通过挤出机头配置的挤出模头将挤出的树脂混合物与分散好的纤维进行包覆浸润，得到连续纤维增强的树脂复合材料；该方法将相容剂先混合在树脂中，然后将含有相容剂的树脂来浸润纤维，由于在浸润纤维的工序中，不存在混合作用，若相容剂在树脂中含量低时容易出现纤维与树脂界面处不含相容剂，所以对其相容性改善的均一性差。
碳纤维是一种具有很高强度和模量的耐高温纤维、密度低，这些优异的特性赋予了碳纤维复合材料具有很高的力学性能，是其他玻璃纤维等增强复合材料所无法比拟的，因此被广泛的应用于航空航天、汽车工业、轨道交通、新能源、体育用品等高新技术产业领域。而采用连续碳纤维增强的复合材料性能与其他连续纤维增强复合材料相比，具有更高的力学性能，同时重量轻，具有很广的应用领域。
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高浸润性连续碳纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高浸润性连续碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，包含以下重量份的组分：
纤维表面处理剂，其含量为相对于连续碳纤维的质量百分含量为1-3％。
所述的聚丙烯为均聚聚丙烯或共聚聚丙烯。
所述的连续碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维或沥青基碳纤维。
所述的纤维表面处理剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯无规三元共聚物(AX8900)、马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)、丙烯酸接枝聚丙烯(PP-g-AA)中的一种或一种以上。
所述的光稳定剂为双(2，2，6，6-四甲基苯哌啶剂)葵二酸酯、二(1，2，2，6，6-戊甲基-4-哌啶基)葵二酸盐中的一种或一种以上。
所述的紫外线吸收剂为2，2-二羟基-4-甲基氧基二苯甲酮、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮中的一种或一种以上。
所述的抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂1098、抗氧剂168中的一种或一种以上。
所述的润滑剂为硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸锌、聚乙烯腊中的一种或一种以上。
一种高浸润性连续碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将60-95份聚丙烯树脂、0.1-1份光稳定剂、0.1-1份紫外线吸收剂、0.1-0.7份抗氧剂、0.1-0.6份润滑剂加入到高混机中，常温下高速混合3-5min后停止，然后将混合好的物料加入到双螺杆挤出机中；
(2)采用连接于挤出机头的连续纤维增强聚丙烯树脂的浸渍设备，将挤出机挤出的熔体从浸渍设备的熔体入口处挤入到浸渍槽中；
(3)连续碳纤维先从浸渍设备的纤维入口处进入到浸渍设备中的表面处理室，表面处理室中的纤维表面处理剂对连续碳纤维进行表面处理，然后表面处理好的碳纤维紧接着进入浸渍设备的浸渍槽中，在浸渍槽中碳纤维进行分散并与步骤(2)所得聚丙烯熔体进行充分浸润；
(4)步骤(3)所得充分浸润有聚丙烯树脂后的碳纤维通过牵引机从浸渍设备的定型口模牵出，并通过切粒机切粒得到复合材料产品。
所述的双螺杆挤出机的螺杆直径为50mm，长径比为44∶1，挤出机温度为180-220℃，浸渍设备的浸渍槽温度设定在220℃；
所述的复合材料产品中碳纤维含量通过调节浸渍设备的定型口模尺寸在2-5mm和挤出机的转速及喂料速度来控制在5-40％之间；通过调节切粒机切刀转速，使最终制备得到的连续碳纤维增强聚丙烯复合材料产品的颗粒长度控制在8-12mm，粒径控制在1-5mm。
与现有技术相比，本发明实现了纤维的表面处理、纤维分散和与树脂浸润复合在一个浸渍设备中连续完成，简化了生产工艺；得到的复合材料中碳纤维与聚丙烯不仅具有很好的浸润性，而且碳纤维与聚丙烯在浸润前通过表面处理剂处理，使两者有了很好的界面结合性；制备得到的连续碳纤维增强聚丙烯复合材料力学性能优异，同时密度低，复合材料可以广泛的应用于航空航天，汽车，机械，电子电器，家电等产品零部件。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
以下实施例中，弯曲性能测试标准为ASTM D790，无缺口冲击强度测试标准为ASTM D256。
实施例1
称取60份均聚聚丙烯，0.1份光稳定剂双(2，2，6，6-四甲基苯哌啶剂)葵二酸酯、0.1份紫外线吸收剂2，2-二羟基-4-甲基氧基二苯甲酮、0.3份抗氧剂1010、0.1份抗氧剂168、0.1份润滑剂硬脂酸在高混机中常温混合5min，然后加入到双螺杆挤出机挤出，所得熔体从浸渍设备的熔体进入口挤入到浸渍设备的浸渍槽中；
将连续碳纤维(日本东丽公司，牌号T300)从浸渍设备的纤维入口处引入，进入浸渍设备的表面处理室，控制表面处理剂硅烷偶联剂KH550相对于碳纤维的重量含量为1％，然后将经表面处理剂处理后的碳纤维引入到浸渍设备的浸渍槽中，实现碳纤维的分散并与聚丙烯树脂进行复合；通过选择定型口模的尺寸(2mm)，同时调整挤出机的主机转速13-14HZ，喂料速度在9-10HZ，控制连续碳纤维含量在40％左右；调节切粒机的转速，使制备得到的连续碳纤维增强聚丙烯复合材料的长度在10mm左右，粒径在3mm左右；
双螺杆挤出机的直接为50mm，螺杆长径比44∶1，双螺杆机各区温度为：1区180℃，2区 190℃，3区 190℃，4区 200℃，5区 200℃，6区 210℃，7区 210℃，8区 220℃，9区 220℃，浸渍槽220℃。
实施例2
称取80份均聚聚丙烯，0.5份光稳定剂二(1，2，2，6，6-戊甲基-4-哌啶基)葵二酸盐、0.5份紫外线吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮、0.5份抗氧剂1076、0.2份抗氧剂168、0.3份润滑剂硬脂酸钙在高混机中常温混合3min，然后加入到双螺杆挤出机挤出，将熔体从浸渍设备的熔体进入口挤入到浸渍设备的浸渍槽中；
将连续碳纤维(日本东丽公司，牌号T300J)从浸渍设备的纤维入口处引入，进入浸渍设备的表面处理室，控制表面处理剂钛酸酯偶联剂异丙基三异十八酰钛酸酯相对于碳纤维的重量含量为2％，然后将经表面处理剂处理后的碳纤维引入到浸渍设备的浸渍槽中，实现碳纤维的分散并与聚丙烯树脂进行复合；通过选择定型口模的尺寸(4mm)，同时调整挤出机的主机转速13-14HZ，喂料速度在9-10HZ，控制连续碳纤维含量在20％左右；调节切粒机的转速，使制备得到的连续碳纤维增强聚丙烯复合材料的长度在10mm左右，粒径在3mm左右；
双螺杆挤出机的直接为50mm，螺杆长径比44∶1，双螺杆机各区温度为：1区180℃，2区 190℃，3区 190℃，4区 200℃，5区 200℃，6区 210℃，7区 210℃，8区 220℃，9区 220℃，浸渍槽220℃。
实施例3
称取95份共聚聚丙烯，1份光稳定剂二(1，2，2，6，6-戊甲基-4-哌啶基)葵二酸盐、1份紫外线吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮、0.3份抗氧剂1098、0.1份抗氧剂168、0.6份润滑剂聚乙烯蜡在高混机中常温混合5min，然后加入到双螺杆挤出机挤出，将熔体从浸渍设备的熔体进入口挤入到浸渍设备的浸渍槽中；
将连续碳纤维(日本东丽公司，牌号T700S)从浸渍设备的纤维入口处引入，进入浸渍设备的表面处理室，控制表面处理剂铝酸酯偶联剂二硬脂酰氧异丙基铝酸酯相对于碳纤维的重量含量为3％，然后将经表面处理剂处理后的碳纤维引入到浸渍设备的浸渍槽中，实现碳纤维的分散并与聚丙烯树脂进行复合；通过选择定型口模的尺寸(5mm)，同时调整挤出机的主机转速15-16HZ，喂料速度在11-12HZ，控制连续碳纤维含量在5％左右；调节切粒机的转速，使制备得到的连续碳纤维增强聚丙烯复合材料的长度在10mm左右，粒径在3mm左右；
双螺杆挤出机的直接为50mm，螺杆长径比44∶1，双螺杆机各区温度为：1区180℃，2区 190℃，3区 190℃，4区 200℃，5区 200℃，6区 210℃，7区 210℃，8区 220℃，9区 220℃，浸渍槽220℃。
实施例4
称取70份均聚聚丙烯，0.5份光稳定剂二(1，2，2，6，6-戊甲基-4-哌啶基)葵二酸盐、0.5份紫外线吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮、0.3份抗氧剂10010、0.1份抗氧剂168、0.6份润滑剂硬脂酸锌在高混机中常温混合5min，然后加入到双螺杆挤出机挤出，将熔体从浸渍设备的熔体进入口挤入到浸渍设备的浸渍槽中；
将连续碳纤维(日本东丽公司，牌号T800H)从浸渍设备的纤维入口处引入，进入浸渍设备的表面处理室，控制表面处理剂AX8900相对于碳纤维的重量含量为2％，然后将经表面处理剂处理后的碳纤维引入到浸渍设备的浸渍槽中，实现碳纤维的分散并与聚丙烯树脂进行复合；通过选择定型口模的尺寸(3mm)，同时调整挤出机的主机转速13-14HZ，喂料速度在8-9HZ，控制连续碳纤维含量在30％左右；调节切粒机的转速，使制备得到的连续碳纤维增强聚丙烯复合材料的长度在10mm左右，粒径在3mm左右；
双螺杆挤出机的直接为50mm，螺杆长径比44∶1，双螺杆机各区温度为：1区180℃，2区 190℃，3区 190℃，4区 200℃，5区 200℃，6区 210℃，7区 210℃，8区 220℃，9区 220℃，浸渍槽220℃。
实施例5
称取70份共聚聚丙烯，0.5份光稳定剂二(1，2，2，6，6-戊甲基-4-哌啶基)葵二酸盐、0.5份紫外线吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮、0.3份抗氧剂10010、0.1份抗氧剂168、0.5份润滑剂硬脂酸钙在高混机中常温混合5min，然后加入到双螺杆挤出机挤出，将熔体从浸渍设备的熔体进入口挤入到浸渍设备的浸渍槽中；
将连续碳纤维(日本东丽公司，牌号T300)从浸渍设备的纤维入口处引入，进入浸渍设备的表面处理室，控制表面处理剂PP-MAH相对于碳纤维的重量含量为2％，然后将经表面处理剂处理后的碳纤维引入到浸渍设备的浸渍槽中，实现碳纤维的分散并与聚丙烯树脂进行复合；通过选择定型口模的尺寸(3mm)，同时调整挤出机的主机转速13-14HZ，喂料速度在8-9HZ，控制连续碳纤维含量在30％左右；调节切粒机的转速，使制备得到的连续碳纤维增强聚丙烯复合材料的长度在10mm左右，粒径在3mm左右；
双螺杆挤出机的直接为50mm，螺杆长径比44∶1，双螺杆机各区温度为：1区180℃，2区 190℃，3区 190℃，4区 200℃，5区 200℃，6区 210℃，7区 210℃，8区 220℃，9区 220℃，浸渍槽220℃。
实施例6
称取80份均聚聚丙烯，0.5份光稳定剂二(1，2，2，6，6-戊甲基-4-哌啶基)葵二酸盐、0.5份紫外线吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮、0.5份抗氧剂1076、0.2份抗氧剂168、0.3份润滑剂硬脂酸钙在高混机中常温混合3min，然后加入到双螺杆挤出机挤出，将熔体从浸渍设备的熔体进入口挤入到浸渍设备的浸渍槽中；
将连续碳纤维(日本东丽公司，牌号T1000G)从浸渍设备的纤维入口处引入，进入浸渍设备的表面处理室，控制表面处理剂PP-AA相对于碳纤维的重量含量为3％，然后将经表面处理剂处理后的碳纤维引入到浸渍设备的浸渍槽中，实现碳纤维的分散并与聚丙烯树脂进行复合；通过选择定型口模的尺寸(4mm)，同时调整挤出机的主机转速13-14HZ，喂料速度在9-10HZ，控制连续碳纤维含量在20％左右；调节切粒机的转速，使制备得到的连续碳纤维增强聚丙烯复合材料的长度在10mm左右，粒径在3mm左右；
双螺杆挤出机的直接为50mm，螺杆长径比44∶1，双螺杆机各区温度为：1区180℃，2区 190℃，3区 190℃，4区 200℃，5区 200℃，6区 210℃，7区 210℃，8区 220℃，9区 220℃，浸渍槽220℃。
对比例
称取100份均聚聚丙烯，0.5份光稳定剂二(1，2，2，6，6-戊甲基-4-哌啶基)葵二酸盐、0.5份紫外线吸收剂2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮、0.5份抗氧剂1076、0.2份抗氧剂168、0.3份润滑剂硬脂酸钙在高混机中常温混合3min，然后加入到双螺杆挤出机挤出，冷却切粒，得到长度在4mm左右，粒径在3mm左右；
双螺杆挤出机的直接为50mm，螺杆长径比44∶1，双螺杆机各区温度为：1区180℃，2区 190℃，3区 190℃，4区 200℃，5区 200℃，6区 210℃，7区 210℃，8区 220℃，9区 220℃，机头220℃。
各实施例力学性能测试结果如下表1所示：
表1力学性能测试结果
从上表中力学性能测试结果分析可知，采用连续碳纤维增强的聚丙烯复合材料强度高，力学性能优异，符合对性能要求较高的场合使用。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对实施例做出各种修改，并把此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高浸润性连续碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，包含以下重量份的组分：
纤维表面处理剂，其含量为相对于连续碳纤维的质量百分含量为1-3％。
2.根据权利要求1所述的高浸润性连续碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的聚丙烯为均聚聚丙烯或共聚聚丙烯。
3.根据权利要求1所述的高浸润性连续碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的连续碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维或沥青基碳纤维。
4.根据权利要求1所述的高浸润性连续碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的纤维表面处理剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯无规三元共聚物(AX8900)、马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)、丙烯酸接枝聚丙烯(PP-g-AA)中的一种或一种以上，
5.根据权利要求1所述的高浸润性连续碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的光稳定剂为双(2，2，6，6-四甲基苯哌啶剂)葵二酸酯、二(1，2，2，6，6-戊甲基-4-哌啶基)葵二酸盐中的一种或一种以上。
6.根据权利要求1所述的高浸润性连续碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的紫外线吸收剂为2，2-二羟基-4-甲基氧基二苯甲酮、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮中的一种或一种以上。
7.根据权利要求1所述的高浸润性连续碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂1098、抗氧剂168中的一种或一种以上。
8.根据权利要求1所述的高浸润性连续碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的润滑剂为硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸锌、聚乙烯腊中的一种或一种以上。
9.-种如权利要求1所述的高浸润性连续碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将60-95份聚丙烯树脂、0.1-1份光稳定剂、0.1-1份紫外线吸收剂、0.1-0.7份抗氧剂、0.1-0.6份润滑剂加入到高混机中，常温下高速混合3-5min后停止，然后将混合好的物料加入到双螺杆挤出机中；
(2)采用连接于挤出机头的连续纤维增强聚丙烯树脂的浸渍设备，将挤出机挤出的熔体从浸渍设备的熔体入口处挤入到浸渍槽中；
(3)连续碳纤维先从浸渍设备的纤维入口处进入到浸渍设备中的表面处理室，表面处理室中的纤维表面处理剂对连续碳纤维进行表面处理，然后表面处理好的碳纤维紧接着进入浸渍设备的浸渍槽中，在浸渍槽中碳纤维进行分散并与步骤(2)所得聚丙烯熔体进行充分浸润；
(4)步骤(3)所得充分浸润有聚丙烯树脂后的碳纤维通过牵引机从浸渍设备的定型口模牵出，并通过切粒机切粒得到复合材料产品。
10.根据权利要求1所述的高浸润性连续碳纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的双螺杆挤出机的螺杆直径为50mm，长径比为44∶1，挤出机温度为180-220℃，浸渍设备的浸渍槽温度设定在220℃；
所述的复合材料产品中碳纤维含量通过调节浸渍设备的定型口模尺寸在2-5mm和挤出机的转速及喂料速度来控制在5-40％之间；通过调节切粒机切刀转速，使最终制备得到的连续碳纤维增强聚丙烯复合材料产品的颗粒长度控制在8-12mm，粒径控制在1-5mm。
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