CN105348796A - 碳纤维增强聚苯硫醚复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新型高性能碳纤复合材料技术领域，本发明提供了一种碳纤维增强聚苯硫醚复合材料及其制备方法，其由混合物料经混炼制得；所述混合物料包括如下质量分数的组分：50％～70％的聚苯硫醚；20％～35％的碳纤维；5％～10％的可溶性聚四氟乙烯；2％～5％的聚硅氧烷；1％～2％的抗氧剂。本发明主要以聚苯硫醚、碳纤维、可溶性聚四氟乙烯、聚硅氧烷和抗氧剂为混合物料，经混炼得到碳纤维增强聚苯硫醚复合材料。在本发明中，各组分互相配合、综合作用，能够提高聚苯硫醚复合材料的韧性和耐热性。结果表明，本发明提供的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的耐热温度高，且韧性相比以往更好。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤复合材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维/增强聚苯硫醚复合材料及其制备方法。
背景技术
碳纤维是含碳量在90％以上的高强度高模量纤维，是用分解温度低于熔融温度的纤维聚合物，通过千度以上固相热解而制成。碳纤维的种类包括：聚丙烯腈基碳纤维(PAN基碳纤)、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维等。60年代以来，碳纤维迅速发展为新型增强材料，具有高强度、质量轻、耐疲劳、性能优良、模量大和热膨胀系数低等优点，在复合材料领域里有广泛的应用。但是，纤维中的碳分子平面是沿纤维轴取向，表面呈化学惰性，其与热塑性树脂基体之间亲和力较差，难以形成化学键连接，并且界面存在不相容组分，界面粘结强度低，复合时容易在界面上形成孔隙和缺陷，导致增强体与基体树脂难以形成有效粘结，从而影响碳纤复合材料综合性能的发挥。
聚苯硫醚(PPS)全称为聚对亚苯硫醚，是在分子主链上具有硫醚基的一类高聚物。聚苯硫醚是一种综合性能优异的热塑性特种工程塑料，是热塑性塑料中热稳定程度较高的树脂之一。PPS树脂在高温条件下刚性降低很小，具有出色的耐疲劳性能和抗蠕变性能；能与许多金属和非金属材料很好地粘结，还能与许多高分子材料共混。但是，PPS是绝缘性材料，这限制了其在对材料导电性能要求较高的领域中的应用。
现有技术中有用碳纤维对聚苯硫醚进行改性，以提高其导电和导热性能。但是，这种改性后的聚苯硫醚复合材料的韧性和耐热性有待进一步改善。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种碳纤维增强聚苯硫醚复合材料及其制备方法，本发明提供的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料具有优良的韧性和耐热性。
本发明提供一种碳纤维增强聚苯硫醚复合材料，由混合物料经混炼制得；
所述混合物料包括如下质量分数的组分：
50％～70％的聚苯硫醚；
20％～35％的碳纤维；
5％～10％的可溶性聚四氟乙烯；
2％～5％的聚硅氧烷；
1％～2％的抗氧剂。
优选地，所述混合物料包括54％～60％的聚苯硫醚。
优选地，所述聚苯硫醚的重均分子量为40000～50000。
优选地，所述碳纤维为用硅烷偶联剂和硝酸铈铵处理后的改性碳纤维。
优选地，所述混合物料包括6％～8％的可溶性聚四氟乙烯。
优选地，所述抗氧剂选自抗氧剂1010和抗氧剂168中的至少一种。
优选地，所述混合物料还包括相容剂。
优选地，所述混合物料包括如下质量分数的组分：
58％的聚苯硫醚；
30％的碳纤维；
8％的可溶性聚四氟乙烯；
3％的聚硅氧烷；
1％的抗氧剂。
本发明还提供一种上文所述的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备方法，包括：
将聚苯硫醚、碳纤维、可溶性聚四氟乙烯、聚硅氧烷和抗氧剂混合后，进行熔融混炼，得到碳纤维增强聚苯硫醚复合材料。
优选地，所述熔融混炼的温度为250℃～300℃。
与现有技术相比，本发明主要以聚苯硫醚、碳纤维、可溶性聚四氟乙烯、聚硅氧烷和抗氧剂为混合物料，经混炼得到碳纤维增强聚苯硫醚复合材料。在本发明中，各组分互相配合、综合作用，能提高聚苯硫醚复合材料的韧性和耐热性。结果表明，本发明提供的聚苯硫醚复合材料的耐热温度高，且韧性较以往更好。
附图说明
图1为本发明实施例熔融混炼的流程示意图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种碳纤维增强聚苯硫醚复合材料，由混合物料经混炼制得；所述混合物料包括如下质量分数的组分：
50％～70％的聚苯硫醚；
20％～35％的碳纤维；
5％～10％的可溶性聚四氟乙烯；
2％～5％的聚硅氧烷；
1％～2％的抗氧剂。
本发明提供的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料不仅具有导电和导热性，而且具有优良的韧性和耐热性。
本发明提供的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料由混合物料经混炼制得；以质量分数计，所述混合物料包括50％～70％的聚苯硫醚，优选包括54％～60％的聚苯硫醚；其作为基体树脂材料使用。在本发明中，所述聚苯硫醚的重均分子量优选为40000～50000，更优选为45000～48000。在本发明的一个实施例中，所述聚苯硫醚的重均分子量为48000，熔体流动速率192g/10min；灰分为0.27wt％，水分为0.22wt％；燃烧等级为V-0。本发明对所述聚苯硫醚的来源没有特殊限制，一般采用市售产品，如选用四川德阳公司的注塑级聚苯硫醚树脂(PPS-hb)。
以质量分数计，所述混合物料包括20％～35％的碳纤维，优选包括25％～30％的碳纤维。在本发明中，所述碳纤维优选为用硅烷偶联剂和硝酸铈铵处理后的改性碳纤维。本发明对所述碳纤维的来源没有特殊限制，一般为行业内常规的长碳纤维，可采用日本东丽公司生产的碳纤维市售产品。
在本发明的一些实施例中，采用硅烷偶联剂和硝酸铈铵为处理剂对碳纤维进行改性，得到改性碳纤维；改性方法包括：将碳纤维放入处理液中处理，所述处理液包括水、硅烷偶联剂如KH560、钛酸钾偶联剂、硝酸铈铵和乙醇。在所述改性方法中，碳纤维和处理液的用量比为(300～600)g：12L；所述处理液中处理剂的浓度为0.2mL/L～2.5mL/L，优选为0.5mL/L～2mL/L。本发明实施例可在室温如25℃条件下，按比例将碳纤维(每300g～600g卷成一卷)放入装有配好处理液的处理池中放置5分钟～10分钟处理。处理后，本发明实施例拿出放干，再将处理后的碳纤维在100℃～120℃的条件下烘干，20小时～26小时后，得到改性碳纤维。
本发明的碳纤维在使用之前优选还进行了表面处理，因此使得处理后的碳纤维表面具有极性官能团，能够与作为基体的聚苯硫醚作用，二者通过化学键键合更加紧密、结合力强(未处理的碳纤维与聚苯硫醚之间只能靠物理作用结合，结合力弱)，从而使得制备得到的复合材料的牢固性增加、强度更强。
以质量分数计，所述混合物料包括5％～10％的可溶性聚四氟乙烯，优选包括6％～8％的可溶性聚四氟乙烯。在本发明中，所述可溶性聚四氟乙烯可以赋予聚苯硫醚材料更好的耐热性、韧性、耐磨性和阻燃性。所述可溶性聚四氟乙烯可采用相应的市售产品；在本发明的实施例中，可溶性聚四氟乙烯的使用温度(-250℃～250℃)较广。
以质量分数计，所述混合物料包括2％～5％的聚硅氧烷。所述聚硅氧烷具有不同聚合度链状结构，其中的一些产品如聚硅氧烷HT5504在高低温下的强度等性能都很优良，可作为增强材料加入到基体材料中，并且不会使基体材料的其他性能有损失；硅酮粉在本发明中可以起到润滑、相容等作用。在本发明的一些实施例中，所述混合物料优选包括1％～3％的聚硅氧烷和1％～2％的硅酮粉。在本发明的实施例中，聚硅氧烷的分子量可为300万。市场上用的硅酮粉一般是用较高分子量的有机硅酮(即较高分子量聚硅氧烷)添加二氧化硅生产而成；本发明对所述硅酮粉的来源没有特殊限制。
以质量分数计，所述混合物料包括1％～2％的抗氧剂，包括1％～1.5％的抗氧剂。在本发明中，所述抗氧剂优选自抗氧剂1010(四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯])和抗氧剂168(三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯)中的至少一种，更优选为抗氧剂1010。
为了进一步改善聚苯硫醚复合材料的性能，所述混合物料优选还包括相容剂等助剂。在本发明的一些实施例中，所述相容剂的质量分数优选为0.4％～2％。所述相容剂包括但不限于三元乙丙橡胶(EPDM)、接枝三元乙丙橡胶、聚丙烯(PP)或接枝聚丙烯，具体可采用马来酸酐接枝EPDM或马来酸酐接枝PP。
在本发明的一个优选实施例中，所述混合物料包括如下质量分数的组分：
58％的聚苯硫醚；
30％的碳纤维；
8％的可溶性聚四氟乙烯；
3％的聚硅氧烷；
1％的抗氧剂。
本发明提供的是一种质量轻、强度高、耐磨性好、抗腐蚀，比较环保且能大大降低生产成本的碳纤复合材料，即碳纤增强聚苯硫醚复合材料，并且其较以往耐热性更好，还具有优良的韧性等特点。
相应地，本发明还提供了一种上文所述的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备方法，包括：
将聚苯硫醚、碳纤维、可溶性聚四氟乙烯、聚硅氧烷和抗氧剂混合后，进行熔融混炼，得到碳纤维增强聚苯硫醚复合材料。
本发明实施例优选将聚苯硫醚、可溶性聚四氟乙烯、聚硅氧烷和抗氧剂混合，得到混合树脂基料；然后把碳纤维与所述混合树脂基料混合，进行熔融混炼，得到碳纤维增强聚苯硫醚复合材料。
在本发明中，各物料的内容如前文所述，在此不再赘述。本发明制备复合材料所用的设备为行业常规设备，如可按配比将聚苯硫醚和各物料混合，通过搅拌机搅拌完成常规混合，得到混合好的混合树脂基料。
得到混合树脂基料后，本发明实施例可把碳纤维与混合树脂基料加入到双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机在一定温度下熔融剪切、混炼，挤出造粒，即得到碳纤聚苯硫醚复合材料粒料。生产收集后，即为本发明碳纤增强聚苯硫醚的复合材料。
本发明实施例熔融混炼的过程可参见图1，图1为本发明实施例熔融混炼的流程示意图。图1中，将混合好的树脂基料、碳纤维分别加入双螺杆挤出机上相应的料筒内，经双螺杆挤出机熔融混炼，挤出造粒，得到成品料。
在本发明中，所述熔融混炼的温度优选为250℃～300℃。在本发明的一些具体实施例中，在挤出过程中，挤出机的螺杆转速为300转/min、喂料转速为305转/min、碳纤喂料转速为40转/min；切料速度为450转/min。
得到碳纤增强聚苯硫醚的复合材料后，本发明对其进行性能测试。结果表明，本发明采用聚苯硫醚作为基体，结合碳纤维(长碳纤维强度比短碳纤维的强)和其他助剂，制备出的材料具有高强度、质量轻、耐疲劳、模量大和热膨胀系数低等优点，其有良好的自润滑性，摩擦系数小，磨耗低、抗疲劳性能好，耐热温度高，且韧性较以往更好。
此外，采用本发明的方法制备的碳纤复合材料可代替压铸铝材等材料，使产品生产工艺变得简单、快捷，产品性能提高，而且还能大幅度降低产品成本。使用本发明的新型碳纤复合材料，能为社会节省大量的能源；而且回收再利用容易，只需加热熔融后注塑成型即可，更加简单、方便、省时，生产周期短、生产效率高。
为了进一步理解本申请，下面结合实施例对本申请提供的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料及其制备方法进行具体地描述。
以下实施例中，选用四川德阳公司的注塑级聚苯硫醚树脂(PPS-hb)，其重均分子量为48000，熔体流动速率192g/10min；灰分为0.27wt％，水分为0.22wt％；燃烧等级为V-0；碳纤维为日本东丽公司生产的T700；采用3F公司提供的可溶性聚四氟乙烯FR-502；采用济南珍东化工公司生产的聚硅氧烷HT5504；硅酮粉为四川晨光化学公司提供的硅酮粉。
实施例1
(1)、碳纤维的处理：在室温条件下，把25kg碳纤维(以每把质量为500g一卷，共50卷)放入装有600L配好处理液(处理剂的浓度为2.0mL/L，处理液包括水、硅烷偶联剂(四川晨光化学公司提供的KH560)、钛酸钾偶联剂、硝酸铈铵和乙醇)的处理池中，放置8分钟处理；处理后拿出放干，再将处理后的碳纤维在110℃烘干，24小时后得到改性碳纤维。
(2)、将58％的聚苯硫醚、8％的可溶性聚四氟乙烯、2％的聚硅氧烷、1％的抗氧剂1010和1％的硅酮粉配料，混合均匀，得到混合树脂基料；
(3)、将30％的步骤(1)处理后的碳纤维与步骤(3)得到的混合树脂基料加入双螺杆挤出机，经双螺杆挤出机在250℃～300℃温度下熔融剪切、混炼，挤出造粒，得到颗粒状的碳纤增强聚苯硫醚复合材料；生产收集后，即为本发明碳纤增强聚苯硫醚复合材料。
本发明实施例对得到的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料样品进行性能测试，结果参见表1，表1为实施例1制得的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的性能测试结果。
表1实施例1制得的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的性能测试结果
从上表1可知，本发明制备的复合材料具有导电、润滑、高模量、低密度、耐高温、低磨耗和韧性好等优点。
实施例2
(1)、碳纤维的处理：在室温条件下，把25kg碳纤维(以每把质量为500g一卷，共50卷)放入装有600L配好处理液(处理剂的浓度为2.0mL/L，处理液包括水、硅烷偶联剂(同实施例1)、钛酸钾偶联剂、硝酸铈铵和乙醇)的处理池中，放置5分钟处理；处理后拿出放干，再将处理后的碳纤维在100℃烘干，26小时后得到改性碳纤维。
(2)、将53.7％的聚苯硫醚、7％的可溶性聚四氟乙烯、2％的聚硅氧烷、1.3％的抗氧剂168和1％的硅酮粉配料，混合均匀，得到混合树脂基料；
(3)、将35％的步骤(1)处理后的碳纤维与步骤(3)得到的混合树脂基料加入双螺杆挤出机，经双螺杆挤出机在250℃～300℃温度下熔融剪切、混炼，挤出造粒，得到颗粒状的碳纤增强聚苯硫醚复合材料；生产收集后，即为本发明碳纤增强聚苯硫醚复合材料。
实施例3
(1)、碳纤维的处理：在室温条件下，把25kg碳纤维(以每把质量为500g一卷，共50卷)放入装有600L配好处理液(处理剂的浓度为2.0mL/L，处理液包括水、硅烷偶联剂(同实施例1)、钛酸钾偶联剂、硝酸铈铵和乙醇)的处理池中，放置10分钟处理；处理后拿出放干，再将处理后的碳纤维在120℃烘干，20小时后得到改性碳纤维。
(2)、将60％的聚苯硫醚、9％的可溶性聚四氟乙烯、2％的聚硅氧烷、1％的抗氧剂1010和2％的硅酮粉配料，混合均匀，得到混合树脂基料；
(3)、将26％的步骤(1)处理后的碳纤维与步骤(3)得到的混合树脂基料加入双螺杆挤出机，经双螺杆挤出机在250℃～300℃温度下熔融剪切、混炼，挤出造粒，得到颗粒状的碳纤增强聚苯硫醚复合材料；生产收集后，即为本发明碳纤增强聚苯硫醚复合材料。
由以上实施例可知，本发明制备得到的聚苯硫醚复合材料的耐热温度高，耐热性优良；且其韧性较以往更好，具有优良的力学性能等特点，利于应用。
Claims (10)
1.一种碳纤维增强聚苯硫醚复合材料，由混合物料经混炼制得；
所述混合物料包括如下质量分数的组分：
50％～70％的聚苯硫醚；
20％～35％的碳纤维；
5％～10％的可溶性聚四氟乙烯；
2％～5％的聚硅氧烷；
1％～2％的抗氧剂。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述混合物料包括54％～60％的聚苯硫醚。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述聚苯硫醚的重均分子量为40000～50000。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述碳纤维为用硅烷偶联剂和硝酸铈铵处理后的改性碳纤维。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述混合物料包括6％～8％的可溶性聚四氟乙烯。
6.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述抗氧剂选自抗氧剂1010和抗氧剂168中的至少一种。
7.根据权利要求1～6任一项所述的复合材料，其特征在于，所述混合物料还包括相容剂。
8.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述混合物料包括如下质量分数的组分：
58％的聚苯硫醚；
30％的碳纤维；
8％的可溶性聚四氟乙烯；
3％的聚硅氧烷；
1％的抗氧剂。
9.一种权利要求1所述的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备方法，包括：
将聚苯硫醚、碳纤维、可溶性聚四氟乙烯、聚硅氧烷和抗氧剂混合后，进行熔融混炼，得到碳纤维增强聚苯硫醚复合材料。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述熔融混炼的温度为250℃～300℃。
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