專利名稱：：表面處理碳纖維的制備方法及應(yīng)用其增強(qiáng)的尼龍66復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及高分子材料領(lǐng)域，尤其是一種表面處理碳纖維的制備方法及應(yīng)用其增強(qiáng)的尼龍66復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
：碳纖維具有高比強(qiáng)度、耐磨損、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小和自潤滑性能優(yōu)異等特點(diǎn)，因此碳纖維已成為近年來最重要的增強(qiáng)材料之一，其中碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料為其應(yīng)用主要形式。研究發(fā)現(xiàn)未經(jīng)表面處理的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料機(jī)械強(qiáng)度較低，其原因在于未經(jīng)處理碳纖維表面呈惰性，與樹脂基體的界面結(jié)合性較差，因此需要對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理，以增加碳纖維與基體的反應(yīng)活性，進(jìn)一步提高復(fù)合材料綜合性能指標(biāo)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種表面處理碳纖維的制備方法，通過該方法處理的碳纖維表面含氧官能團(tuán)增多，表面活性增強(qiáng)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種表面處理碳纖維的制備方法，將碳纖維放到坩堝中加熱到300500°C并恒溫保持4080分鐘，然后隨爐冷卻。所述加熱溫度為450°C，加熱時(shí)間是60分鐘。本發(fā)明還提供一種應(yīng)用上述表面處理碳纖維增強(qiáng)的尼龍66復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包含13%40%的表面處理碳纖維。作為進(jìn)一步優(yōu)化的配方，尼龍66為65.6%，表面處理碳纖維為30%，光穩(wěn)定劑為0.2%，熱穩(wěn)定劑為0.2%，納米粘土為4%；所述復(fù)合材料制備過程如下1)將尼龍66放入干燥箱內(nèi)，在110°C下干燥3h；2)將尼龍66、光穩(wěn)定劑、熱穩(wěn)定劑、納米粘土混合均勻；3)將步驟2)的獲得的物質(zhì)由進(jìn)料口加入雙螺桿擠出機(jī)，將表面處理的碳纖維從側(cè)料口加入到雙螺桿擠出機(jī)中，混合擠出，然后切粒。采用碳纖維氧化處理，把纖維中的碳氧化成CO或C02，同時(shí)表面活性官能團(tuán)-0-C=0、-C=0、R-C03增加，碳纖維表面形成刻蝕坑狀，提高碳纖維耐高溫加工性能，增強(qiáng)碳纖維與尼龍66的相容性，與尼龍66復(fù)合材料的接合力強(qiáng)，制得的尼龍66復(fù)合材料與未經(jīng)氧化處理碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料相比，拉伸強(qiáng)度高，摩擦系數(shù)降低了30%50%，而耐磨性提高了23倍。圖1是表面處理碳纖維增強(qiáng)PA66復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和纖維含量的關(guān)系曲線與未經(jīng)處理碳纖維增強(qiáng)PA66復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和纖維含量的關(guān)系曲線對(duì)比圖。圖2a是表面處理碳纖維增強(qiáng)PA66復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和纖維含量的關(guān)系曲線與未經(jīng)處理碳纖維增強(qiáng)PA66復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和纖維含量的關(guān)系曲線對(duì)比圖。圖2b是表面處理碳纖維增強(qiáng)PA66復(fù)合材料的磨損率和纖維含量的關(guān)系曲線與未經(jīng)處理碳纖維增強(qiáng)PA66復(fù)合材料的磨損率和纖維含量的關(guān)系曲線對(duì)比圖。圖3a是未處理碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料拉伸斷口的SEM顯微照片。圖3b是圖3a的放大圖。圖4a是氧化處理的碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料拉伸斷口的SEM顯微照片。圖4b是圖4a的放大圖。具體實(shí)施例方式碳纖維表面做氧化處理把碳纖維放到坩堝中加熱到450度并恒溫保持一個(gè)小時(shí)，然后隨爐冷卻。氧化處理把纖維中的碳氧化成CO或C02，同時(shí)表面活性官能團(tuán)-0-C=0、-C=0、R-C03增加，碳纖維表面形成刻蝕坑狀，提高碳纖維耐高溫加工性能，增強(qiáng)碳纖維與尼龍66的相容性。表1是空氣氧化處理前后碳纖維表面含氧官能團(tuán)變化的x光電子能譜儀測(cè)試結(jié)果，碳纖維采用東麗公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，碳纖維密度為1.75g/cm3，拉伸長度2.2Gpa，延伸率0.5-1.1，分解溫度大于3000度。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>以下是用氧化處理碳纖維制備增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料的實(shí)施例，其中，尼龍66采用的是神馬公司生產(chǎn)的尼龍66EPR27自磨粉末，平均粒徑140微米，1.14g/cm3；光穩(wěn)定劑采用南京立明公司生產(chǎn)的光穩(wěn)定劑770，熱穩(wěn)定劑采用布呂格曼公司生產(chǎn)的熱穩(wěn)定劑H3336，納米粘土采用浙江豐虹的產(chǎn)品，碳纖維采用東麗公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，碳纖維密度為1.75g/cm3，拉伸長度2.2Gpa,延伸率0.5-1.1，分解溫度大于3000度。檢測(cè)及生產(chǎn)儀器電熱恒溫干燥箱、雙螺桿擠出試驗(yàn)機(jī)SHJ-35、注塑成型機(jī)、電子萬能試驗(yàn)機(jī)、磨損試驗(yàn)機(jī)M-2000。實(shí)施例11)、按碳纖維比例為13%備料，82.6kg尼龍66、0.2kg光穩(wěn)定劑、0.2kg熱穩(wěn)定劑、4kg納米粘土、13kg碳纖維；2)、將尼龍66放入干燥箱內(nèi)，在110°C下干燥3h；3)、將尼龍66、光穩(wěn)定劑、熱穩(wěn)定劑、納米粘土攪拌混合均勻。4)、碳纖維表面做氧化處理把碳纖維放到坩堝中加熱到450度并恒溫保持一個(gè)小時(shí)，然后隨爐冷卻。5)、將步驟3)混合后的物質(zhì)從進(jìn)料口加入雙螺桿擠出機(jī)，將步驟4)氧化處理的碳纖維從側(cè)料口加入雙螺桿擠出機(jī)，雙螺桿擠出機(jī)從加料口到機(jī)頭各段的溫度范圍1段240-245°C；2段245-255°C；3段245-255°C；4段255_265°C;5段255_265°C；6段265_275°C；7段265-275°C；8段265_275°C；9段265_275°C。6)、將步驟5)獲得的物質(zhì)經(jīng)過拉條、冷卻、干燥、切粒處理。7)、將粒料用注塑機(jī)制成標(biāo)準(zhǔn)試樣。8)、將制好的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試試樣在23°C室溫中冷卻15min后，進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)施例2只改變配料量，其余同實(shí)施例1，按碳纖維比例為20%備料，75.6kg尼龍66、0.2kg光穩(wěn)定劑、0.2kg熱穩(wěn)定劑、4kg納米粘土、20kg碳纖維。實(shí)施例3只改變配料量，其余同實(shí)施例1，按碳纖維比例為30%備料，65.6kg尼龍66、0.2kg光穩(wěn)定劑、0.2kg熱穩(wěn)定劑、4kg納米粘土、30kg碳纖維。實(shí)施例4只改變配料量，其余同實(shí)施例1，按碳纖維比例為40%備料，59.6kg尼龍66、0.2kg光穩(wěn)定劑、0.2kg熱穩(wěn)定劑、40kg碳纖維。對(duì)比例(碳纖維比例5%)按碳纖維比例為5%備料，其余同實(shí)施例1，94.6kg尼龍66、0.2kg光穩(wěn)定劑、0.2kg熱穩(wěn)定劑、5kg碳纖維。對(duì)比例(碳纖維比例50%)按碳纖維比例為50%備料，其余同實(shí)施例l，49.6kg尼龍66、0.2kg光穩(wěn)定劑、0.2kg熱穩(wěn)定劑、50kg碳纖維。對(duì)比例(采用普通纖維增強(qiáng)的尼龍66復(fù)合材料)采用同等份量的普通碳纖維增強(qiáng)尼龍66復(fù)合材料，工藝過程同上。性能測(cè)試及結(jié)果1)拉伸強(qiáng)度按照GB/T1040-2006規(guī)定進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)定速度為5mm/s，連續(xù)加載，直到試樣破壞。如圖1所示，碳纖維表面經(jīng)過氧化處理明顯提高了碳纖維增強(qiáng)尼龍材料的拉伸強(qiáng)度，表面未經(jīng)過氧化處理的碳纖維與尼龍的粘結(jié)度較差，拉伸強(qiáng)度低。隨碳纖維含量增加，未處理和表面處理碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度變化規(guī)律較為相似，在碳纖維含量小于20%時(shí)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度增幅較大，在碳纖維含量為40%時(shí)達(dá)到了最大值，但隨著碳纖維含量進(jìn)一步提高，材料拉伸強(qiáng)度卻有所下降。2)摩擦磨損性能按照GB3960-83規(guī)定進(jìn)行測(cè)定，實(shí)驗(yàn)前以不同型號(hào)的A1203砂紙打磨拋光試塊和對(duì)偶45#鋼環(huán)(AISI1045鋼，表面熱處理后的硬度為4045HRC)表面粗糙度分別至0.400.60iim禾口0.110.13ym，并用丙酮清洗干凈；摩擦?xí)r間為2h，滑動(dòng)速度為0.43m/s，載荷為200N；用感量為0.Olmg的精密電子天平測(cè)定磨損質(zhì)量，并換算為體積磨損率。圖2a、2b所示，表面處理碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料的摩擦性能優(yōu)于未處理碳纖維增強(qiáng)材料，其中摩擦系數(shù)較未處理碳纖維增強(qiáng)材料降低了30%50%，而耐磨性提高了23倍。另隨碳纖維含量增加，尼龍復(fù)合材料摩擦系數(shù)逐步降低，磨損率則先降低后增大。在碳纖維含量大于20%時(shí)，未處理碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料耐磨性能明顯變差，而氧化處理碳纖維增強(qiáng)的磨損率略微增大。3)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸斷口和磨損表面形貌圖3a、3b為未處理碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料拉伸斷口的SEM顯微照片?？梢娞祭w維和基體之間的粘結(jié)性能較差，斷口表面有多處纖維拔脫后形成的空洞，被拔出的碳纖維表面光滑，上面沒有尼龍基體的粘附。由于碳纖維未能很好地起到承受載荷作用，可看到尼龍基體受力拉絲現(xiàn)象。圖4a、4b為氧化處理的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸斷口形貌，可見大多數(shù)碳纖維被基體牢牢地粘附而拔不出來，部分碳纖維被從根部拔斷，在基體中只有一個(gè)露頭，但仍然沒有和基體脫開。因?yàn)樘祭w維承受拉伸變形率遠(yuǎn)小于尼龍基體，而斷口表面尼龍基體呈現(xiàn)斷裂剝落紋理，這表明碳纖維承受了主要拉伸載荷，當(dāng)外加載荷大于材料復(fù)合拉伸強(qiáng)度時(shí)，表面整體斷裂破壞，因而處理后碳纖維表現(xiàn)出和基體間的良好粘結(jié)性能。結(jié)論1)表面處理碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸性能比未處理碳纖維增強(qiáng)有明顯提高，在碳纖維含量為40%時(shí)達(dá)到了最大值。2)表面處理碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料摩擦學(xué)性能優(yōu)于未處理碳纖維增強(qiáng)材料，其中摩擦系數(shù)較未處理碳纖維增強(qiáng)降低了30%50%，而耐磨性提高了23倍。3)復(fù)合材料的拉伸斷口和磨損表面形貌表明表面處理后的碳纖維表現(xiàn)出和尼龍基體間的良好粘結(jié)性能，而未處理碳纖維和基體之間的粘結(jié)性能較差。權(quán)利要求一種表面處理碳纖維的制備方法，其特征在于將碳纖維放到坩堝中加熱到300～500℃并恒溫保持40～80分鐘，然后隨爐冷卻。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面處理碳纖維的制備方法，其特征在于所述加熱溫度為450°C，加熱時(shí)間是60分鐘。3.一種應(yīng)用權(quán)利要求1的表面處理碳纖維增強(qiáng)的尼龍66復(fù)合材料。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的表面碳纖維增強(qiáng)的尼龍66復(fù)合材料，其特征在于所述復(fù)合材料包含13%40%的表面處理碳纖維。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的表面碳纖維增強(qiáng)的尼龍66復(fù)合材料，其特征在于按重量百分比計(jì)，尼龍66為65.6%，表面處理碳纖維為30%，光穩(wěn)定劑為0.2%，熱穩(wěn)定劑為0.2%，納米粘土為4%；所述復(fù)合材料制備過程如下1)將尼龍66放入干燥箱內(nèi)，在110°C下干燥3h;2)將尼龍66、光穩(wěn)定劑、熱穩(wěn)定劑、納米粘土混合均勻；3)將步驟2)的獲得的物質(zhì)由進(jìn)料口加入雙螺桿擠出機(jī)，將表面處理的碳纖維從側(cè)料口加入到雙螺桿擠出機(jī)中，混合擠出，然后切粒。全文摘要本發(fā)明涉及高分子材料領(lǐng)域。本發(fā)明提供了一種表面處理碳纖維的制備方法，將碳纖維放到坩堝中加熱到300～500℃并恒溫保持40～80分鐘，然后隨爐冷卻。通過該方法處理的碳纖維表面含氧官能團(tuán)增多，表面活性增強(qiáng)。文檔編號(hào)C08K9/02GK101831797SQ20101017123公開日2010年9月15日申請(qǐng)日期2010年5月13日優(yōu)先權(quán)日2010年5月13日發(fā)明者侯筱華申請(qǐng)人:中山市點(diǎn)石塑膠有限公司