本發(fā)明屬于改性高分子材料領(lǐng)域，具體涉及一種碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
聚酮(pok)是以一氧化碳、乙烯、丙烯為共聚單體，通過配位聚合制成的環(huán)保型高分子材料。聚酮(pok)材料具有耐磨、耐油、自潤(rùn)滑、耐沖擊等諸多優(yōu)良性能，適合于應(yīng)用于制作耐磨性能要求較高的部件。然而，與大部分的有聚烯烴材料類似，聚酮材料存在材料的強(qiáng)度偏低，使其在一些需要承壓的結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。此外，聚酮(pok)材料作為耐磨材料時(shí)在其實(shí)際工作過程中容易產(chǎn)生靜電蓄積，影響材料的長(zhǎng)期應(yīng)用性能。因此，如何通過物理改性提升材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度，降低材料的電阻率具有重要的應(yīng)用研究前景。
碳纖維是一種含碳量在95％以上的新型纖維材料，它是以有機(jī)纖維，如腈綸絲(pan)、瀝青及粘膠纖維等做原料，在惰性氣體中經(jīng)過高溫煅燒石墨化后得到的微晶石墨纖維材料。由于碳纖維在物理性能上具有比重小、強(qiáng)度大、模量高、線膨脹系數(shù)小、導(dǎo)電性強(qiáng)、導(dǎo)熱率高等特點(diǎn)，這類材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于熱塑性和熱固性樹脂的增強(qiáng)和功能化改性中。利用碳纖維進(jìn)行改性的熱塑性塑料其物理力學(xué)性能和耐熱性都有極大的提高，以聚酰胺材料為例，加入20％的碳纖維之后材料的拉伸強(qiáng)度提高近3倍，彎曲模量提高近4倍。通過對(duì)碳纖維表面處理方式和復(fù)合加工工藝的優(yōu)化，提高碳纖維改性聚酮(pok)材料的使用性能，將是未來聚酮(pok)材料發(fā)展的一個(gè)重要研究方向。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服聚酮材料(pok)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種碳纖維增強(qiáng)改性的聚酮復(fù)合材料，該材料具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐熱溫度、抗靜電等特點(diǎn)。本發(fā)明提供的碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料適用于通過注塑成型制備輕量化要求較高的耐磨制品，可用于電子電氣、交通運(yùn)輸、電動(dòng)工具等領(lǐng)域。
本發(fā)明另一目的在于提供一種上述碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料的制備方法。
本發(fā)明再一目的在于提供上述碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料在電子電氣、交通運(yùn)輸、電動(dòng)工具等領(lǐng)域中的應(yīng)用，特別適用于制備一些環(huán)保化、輕量化、對(duì)材料耐摩擦性能要求較高的領(lǐng)域，如家電外殼、耐磨齒輪等。
本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
一種碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料，包含以下質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的組分：
所述聚酮為乙烯、丙烯與一氧化碳為共聚單體共聚得到的高分子量聚合物材料。
所述碳纖維可為聚丙烯腈基材的碳纖維、黏膠絲碳纖維和瀝青絲碳纖維中的一種，優(yōu)選為聚丙烯腈基材的碳纖維。
所述碳纖維優(yōu)選為單絲直徑4～8μm，束絲線密度200～800tex的聚丙烯腈基材的碳纖維。該碳纖維強(qiáng)度高，能有效提高聚酰胺的抗沖擊性能。
所述相容劑優(yōu)選為馬來酸酐類接枝物或者共聚物，包括聚丙烯接枝馬來酸酐(pp-g-mah)、聚乙烯接枝馬來酸酐(pe-g-mah)、乙烯/馬來酸酐共聚物、以及苯乙烯-丙烯腈-馬來酸酐共聚物(sam)等中的至少一種，其中更優(yōu)選為聚 丙烯接枝馬來酸酐(pp-g-mah)和聚乙烯接枝馬來酸酐(pe-g-mah)。
所述分散劑可為季戊四醇酯類分散劑、硅酮類分散劑和樹枝狀化合物中的至少一種。
所述分散劑優(yōu)選為季戊四醇油酸酯、季戊四醇硬脂酸酯(pets)、n’n-乙撐雙硬脂酰胺(ebs)和有機(jī)硅類分散劑(如4-7081，dowcorning)中的至少一種。
所述分散劑更優(yōu)選為有機(jī)硅類分散劑(如4-7081，dowcorning)。
所述加工助劑可為本領(lǐng)域常見的適用于聚烯烴體系的加工助劑，如加工穩(wěn)定劑和抗氧劑中的至少一種。
所述抗氧劑優(yōu)選為亞磷酸酯類抗氧劑(如3,9-二(2,4-二枯基苯氧基)-2,4,8,10-四氧雜-3,9-二磷雜螺[5.5]十一烷(s9228)，三(2,4-二叔丁基苯基)亞磷酸酯(168))，更優(yōu)選為三(2,4-二叔丁基苯基)亞磷酸酯(抗氧劑168)。
本發(fā)明還提供了一種上述碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料的制備方法，具體包括以下步驟：
把聚酮、相容劑、分散劑、加工助劑在高速攪拌機(jī)中充分混合后，從雙螺桿擠出機(jī)的主喂料口加入，碳纖維經(jīng)過雙螺桿擠出機(jī)的側(cè)喂料口加入，材料經(jīng)過熔融共混、冷卻造粒，得到碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料。
所述混合優(yōu)選在高速攪拌機(jī)中進(jìn)行混合，混合溫度不高于80℃，攪拌速度為300r/min，混合時(shí)間為10～30min。
所述熔融共混的條件優(yōu)選為各加熱段的溫度在200～250℃之間，主機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為350～430r/min，料斗進(jìn)料螺桿的轉(zhuǎn)速為24～35r/min。
本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐熱、抗靜電的特點(diǎn)，可應(yīng)用于電子電氣、交通運(yùn)輸、電動(dòng)工具等領(lǐng)域，特別適用于制備一些對(duì)材料強(qiáng)度和耐磨損性能要求較高的傳動(dòng)齒輪、電氣支架、電動(dòng)工具等。與通常用的耐磨聚甲醛材料相比，該材料具有強(qiáng)度更高、比重更低、環(huán)境友好性能更加優(yōu)異的特點(diǎn)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：
本發(fā)明以碳纖維增強(qiáng)聚酮材料，充分融合碳纖維和聚酮基材在強(qiáng)度和耐磨性能方面的自身優(yōu)勢(shì)，所得到的材料具有比重低、耐磨性能優(yōu)異、環(huán)境優(yōu)化的特點(diǎn)。本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有的技術(shù)相比，得到的材料綜合性能更加優(yōu)異，具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
實(shí)施例1：碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料制備
將聚酮(m330a，韓國曉星)87.9wt％，相容劑1wt％(佳易容，9801)，分散劑(dowcorning，4-7081)1wt％，抗氧劑0.1wt％(亞膦酸酯類抗氧劑168)加入到高速攪拌機(jī)中攪拌混合，混合溫度不高于80℃，混合時(shí)間15min；將攪拌均勻的物料加入到長(zhǎng)徑比l/d為40:1，螺桿直徑為30mm的平行雙螺桿擠出機(jī)的料斗中，設(shè)定擠出機(jī)從料斗到模頭的各段溫度分別為(共九區(qū))：150℃，190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為350r/min，料斗進(jìn)料螺桿的轉(zhuǎn)速為28r/min。同時(shí)將碳纖維10wt％(px35cao250-65，日本東麗)通過雙螺桿擠出機(jī)的側(cè)喂料口加入。材料經(jīng)過熔融共混擠出、經(jīng)過水槽冷卻，風(fēng)干后進(jìn)入切粒機(jī)進(jìn)行切粒，得到碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料，注塑成測(cè)試樣條后按照gb或者iso標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試性能。
實(shí)施例2：碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料制備
將聚酮(m330a，韓國曉星)77.9wt％，相容劑1wt％(佳易容，9801)，分散劑(dowcorning，4-7081)1wt％，抗氧劑0.1wt％(亞膦酸酯類抗氧劑168)加入到高速攪拌機(jī)中攪拌混合，混合溫度不高于80℃，混合時(shí)間15min；將攪拌均勻的物料加入到長(zhǎng)徑比l/d為40:1，螺桿直徑為30mm的平行雙螺桿擠出機(jī)的料斗中，設(shè)定擠出機(jī)從料斗到模頭的各段溫度分別為(共九區(qū))：150℃， 190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為350r/min，料斗進(jìn)料螺桿的轉(zhuǎn)速為28r/min。同時(shí)將碳纖維20wt％(px35cao250-65，日本東麗)通過雙螺桿擠出機(jī)的側(cè)喂料口加入。材料經(jīng)過熔融共混擠出、經(jīng)過水槽冷卻，風(fēng)干后進(jìn)入切粒機(jī)進(jìn)行切粒，得到碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料，注塑成測(cè)試樣條后按照gb或者iso標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試性能。
實(shí)施例3：碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料制備
將聚酮(m330a，韓國曉星)67.9wt％，相容劑1wt％(佳易容，9801)，分散劑(dowcorning，4-7081)1wt％，抗氧劑0.1wt％(亞膦酸酯類抗氧劑168)加入到高速攪拌機(jī)中攪拌混合，混合溫度不高于80℃，混合時(shí)間15min；將攪拌均勻的物料加入到長(zhǎng)徑比l/d為40:1，螺桿直徑為30mm的平行雙螺桿擠出機(jī)的料斗中，設(shè)定擠出機(jī)從料斗到模頭的各段溫度分別為(共九區(qū))：150℃，190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為350r/min，料斗進(jìn)料螺桿的轉(zhuǎn)速為28r/min。同時(shí)將碳纖維30wt％(px35cao250-65，日本東麗)通過雙螺桿擠出機(jī)的側(cè)喂料口加入。材料經(jīng)過熔融共混擠出、經(jīng)過水槽冷卻，風(fēng)干后進(jìn)入切粒機(jī)進(jìn)行切粒，得到碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料，注塑成測(cè)試樣條后按照gb或者iso標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試性能。
實(shí)施例4：碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料制備
將聚酮(m330a，韓國曉星)57.9wt％，相容劑1wt％(佳易容，9801)，分散劑(dowcorning，4-7081)1wt％，抗氧劑0.1wt％(亞膦酸酯類抗氧劑168)加入到高速攪拌機(jī)中攪拌混合，混合溫度不高于80℃，混合時(shí)間15min；將攪拌均勻的物料加入到長(zhǎng)徑比l/d為40:1，螺桿直徑為30mm的平行雙螺桿擠出機(jī)的料斗中，設(shè)定擠出機(jī)從料斗到模頭的各段溫度分別為(共九區(qū))：150℃，190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為350r/min，料斗進(jìn)料螺桿的轉(zhuǎn)速為28r/min。同時(shí)將碳纖維40wt％(px35cao250-65，日本東麗)通過雙螺桿擠出機(jī)的側(cè)喂料口加入。材料經(jīng)過熔融共混擠出、經(jīng)過水槽冷卻，風(fēng)干后進(jìn)入切粒機(jī)進(jìn)行切粒，得到碳纖維增強(qiáng) 聚酮復(fù)合材料，注塑成測(cè)試樣條后按照gb或者iso標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試性能。
實(shí)施例5：碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料制備
將聚酮(m330a，韓國曉星)65.9wt％，相容劑3wt％(佳易容，9801)，分散劑(dowcorning，4-7081)1wt％，抗氧劑0.1wt％(亞膦酸酯類抗氧劑168)加入到高速攪拌機(jī)中攪拌混合，混合溫度不高于80℃，混合時(shí)間15min；將攪拌均勻的物料加入到長(zhǎng)徑比l/d為40:1，螺桿直徑為30mm的平行雙螺桿擠出機(jī)的料斗中，設(shè)定擠出機(jī)從料斗到模頭的各段溫度分別為(共九區(qū))：150℃，190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為350r/min，料斗進(jìn)料螺桿的轉(zhuǎn)速為28r/min。同時(shí)將碳纖維30wt％(px35cao250-65，日本東麗)通過雙螺桿擠出機(jī)的側(cè)喂料口加入。材料經(jīng)過熔融共混擠出、經(jīng)過水槽冷卻，風(fēng)干后進(jìn)入切粒機(jī)進(jìn)行切粒，得到碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料，注塑成測(cè)試樣條后按照gb或者iso標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試性能。
實(shí)施例6：碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料制備
將聚酮(m330a，韓國曉星)65.9wt％，相容劑1wt％(佳易容，9801)，分散劑(dowcorning，4-7081)3wt％，抗氧劑0.1wt％(亞膦酸酯類抗氧劑168)加入到高速攪拌機(jī)中攪拌混合，混合溫度不高于80℃，混合時(shí)間15min；將攪拌均勻的物料加入到長(zhǎng)徑比l/d為40:1，螺桿直徑為30mm的平行雙螺桿擠出機(jī)的料斗中，設(shè)定擠出機(jī)從料斗到模頭的各段溫度分別為(共九區(qū))：150℃，190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為350r/min，料斗進(jìn)料螺桿的轉(zhuǎn)速為28r/min。同時(shí)將碳纖維30wt％(px35cao250-65，日本東麗)通過雙螺桿擠出機(jī)的側(cè)喂料口加入。材料經(jīng)過熔融共混擠出、經(jīng)過水槽冷卻，風(fēng)干后進(jìn)入切粒機(jī)進(jìn)行切粒，得到碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料，注塑成測(cè)試樣條后按照gb或者iso標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試性能。
實(shí)施例7：碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料制備
將聚酮(m330a，韓國曉星)65.7wt％，相容劑1wt％(佳易容，9801)，分散劑(dowcorning，4-7081)3wt％，抗氧劑0.3wt％(亞膦酸酯類抗氧劑168) 加入到高速攪拌機(jī)中攪拌混合，混合溫度不高于80℃，混合時(shí)間15min；將攪拌均勻的物料加入到長(zhǎng)徑比l/d為40:1，螺桿直徑為30mm的平行雙螺桿擠出機(jī)的料斗中，設(shè)定擠出機(jī)從料斗到模頭的各段溫度分別為(共九區(qū))：150℃，190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為350r/min，料斗進(jìn)料螺桿的轉(zhuǎn)速為28r/min。同時(shí)將碳纖維30wt％(px35cao250-65，日本東麗)通過雙螺桿擠出機(jī)的側(cè)喂料口加入。材料經(jīng)過熔融共混擠出、經(jīng)過水槽冷卻，風(fēng)干后進(jìn)入切粒機(jī)進(jìn)行切粒，得到碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料，注塑成測(cè)試樣條后按照gb或者iso標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試性能。
上述制得的碳纖維增強(qiáng)聚酮復(fù)合材料密度按照iso1183-1測(cè)試，熔體質(zhì)量流動(dòng)指數(shù)按照iso1133(300℃，1.2kg)測(cè)試，拉伸性能測(cè)試按照iso527測(cè)試，彎曲性能測(cè)試按照iso178，缺口沖擊性能測(cè)試按照iso180(23℃，kj/m2)測(cè)試，具體的測(cè)試結(jié)果如下表所示。
由上表中的數(shù)據(jù)可見，本發(fā)明采用丙烯腈基碳纖維作為增強(qiáng)材料提高聚酮(pok)材料的強(qiáng)度的同時(shí)能夠賦予聚合物材料導(dǎo)電和抗靜電的特性。
上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí) 施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。