環(huán)保阻燃碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于改性高分子材料領(lǐng)域，特別涉及一種環(huán)保阻燃碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合 材料及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 聚酰胺是分子主鏈上含有重復(fù)酰胺基團(tuán)-[NHC0]-的熱塑性樹脂總稱。這類聚合 物具有耐磨、耐油、自潤滑、耐沖擊等諸多優(yōu)良性能，而被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備、汽車制造、 儀器儀表等領(lǐng)域。脂肪族聚酰胺分子結(jié)構(gòu)中的高極性酰胺基團(tuán)和長的柔性脂肪族鏈段使這 類材料具有極限氧指數(shù)低，遇火容易燃燒等缺點。尤其是一些玻纖或者碳纖維增強(qiáng)的聚酰 胺材料在做薄壁制品時，由于玻璃纖維或者碳纖維的燈芯效應(yīng)，這類材料很難實現(xiàn)材料阻 燃和韌性的平衡。因此，如何提高聚酰胺材料的使用溫度和環(huán)保阻燃性能，是聚酰胺材料改 性領(lǐng)域一個重要的研究課題。
[0003] 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，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，如聚酰胺66 材料加入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，熱變形溫度 提高至250°C。通過對碳纖維表面處理方式和復(fù)合加工工藝的優(yōu)化，提高碳纖維改性聚酰胺 材料的使用性能，將是未來增強(qiáng)聚酰胺發(fā)展的一個重要研究方向。
[0004] 針對當(dāng)前電子電氣領(lǐng)域?qū)Σ牧系妮p薄化和高性能化要求越來越高的特點，本發(fā)明 開發(fā)了一種環(huán)保阻燃碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料，該復(fù)合材料適合于通過注塑成型制備輕 量化要求較高的薄壁制品，應(yīng)用于要求環(huán)保阻燃、抗靜電，且對材料力學(xué)性能要求較高的電 子器件和電動工具。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種環(huán)保阻燃 碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料。本發(fā)明的復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高阻燃等級、低密度、低翹曲 率等特點。
[0006] 本發(fā)明另一目的在于提供一種上述環(huán)保阻燃碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料的制備 方法。
[0007] 本發(fā)明再一目的在于提供上述環(huán)保阻燃碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料在電子電器、 高鐵制造、電動工具等領(lǐng)域的應(yīng)用。本發(fā)明的復(fù)合材料制備的薄壁制品具有強(qiáng)度高、阻燃性 能好、翹曲率低等特點，特別適合于制備筆記本電腦、手機(jī)外殼、電容器等需要用到薄壁材 料的領(lǐng)域。
[0008] 本發(fā)明的目的通過下述方案實現(xiàn)：
[0009] -種環(huán)保阻燃的碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料，包含以下質(zhì)量分?jǐn)?shù)的組分：
[0010] 聚酰胺（PA) 7.7~70:,7% 碳纖維（CF) 丨5~55 % 聚偏氟乙烯（PVDF) 10~25 % 復(fù)合阻燃劑 4~15 % 分散劑 0.2~1 % 其它助劑 0.1~0.3 %。
[0011] 上述的聚酰胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選為40~50%。
[0012] 上述的聚酰胺可為聚酰胺6 (PA6)和聚酰胺66 (PA66)中的至少一種，優(yōu)選為聚酰 胺6。
[0013] 更優(yōu)選的，上述的聚酰胺為粘度為2. 0~2. 8Pa?s的低粘度聚酰胺6。
[0014] 上述的碳纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選為30~40%。
[0015] 上述的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至 少一種。
[0016] 優(yōu)選的，上述的碳纖維為聚丙烯腈基材的碳纖維。
[0017] 更優(yōu)選的，上述的碳纖維為單絲直徑4~8ym，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。
[0018] 上述的聚偏氟乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選為12~20%。
[0019] 上述的聚偏氟乙烯（PVDF)優(yōu)選為分子量大于等于100萬的高分子量PVDF，如包 括：美國蘇威的530U9009等，其中更優(yōu)選為5301。由于聚偏氟乙烯具有較高的極限氧指 數(shù)，可以提高復(fù)合材料的難燃性；另外高分子量的聚偏氟乙烯能夠在復(fù)合材料中形成網(wǎng)狀 結(jié)構(gòu)，可防止材料在燃燒過程中產(chǎn)生滴落現(xiàn)象。此外，高分子量聚偏氟乙烯還能作為增韌劑 有效提高材料的抗沖擊性能。
[0020] 上述的復(fù)合阻燃劑由無鹵阻燃劑和協(xié)效阻燃劑復(fù)配而成。
[0021] 上述的無鹵阻燃劑為三嗪類的膨脹型阻燃劑。
[0022] 優(yōu)選的，上述的無鹵阻燃劑可為氰脲酸、氰脲酸衍生物、三聚氰胺聚磷酸鹽、胍鹽 和雙氰胺鹽中的至少一種。
[0023] 更優(yōu)選的，上述的無鹵阻燃劑為三聚氰胺聚磷酸鹽。
[0024] 上述的阻燃協(xié)效劑為可在堿性條件下受熱發(fā)生分解反應(yīng)的無機(jī)鹽類化合物。
[0025] 優(yōu)選的，上述的阻燃協(xié)效劑為氯化鐵（FeCl3)、硼酸鋅（2Zn0 ? 3B203 ? 3. 5H20)、氧化 鎂（MgO)和氧化鋁（A1203)中的至少一種。
[0026] 更優(yōu)選的，上述的阻燃協(xié)效劑為FeCl3。
[0027] 上述的復(fù)合阻燃劑中無鹵阻燃劑和協(xié)效阻燃劑的質(zhì)量比為5:1~2:1，優(yōu)選為 3:1〇
[0028] 上述的分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選為〇.5~0.8%。
[0029] 上述的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。
[0030]優(yōu)選的，上述的分散劑為季戊四醇油酸酯、季戊四醇硬脂酸酯（PETS)、乙撐雙硬酯 酰胺（EBS)和有機(jī)硅類分散劑（如E525，Evonik)中的至少一種。
[0031] 更優(yōu)選的，上述的分散劑為有機(jī)硅類分散劑（如E525,Evonik)。
[0032] 上述的其它助劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選為0. 2%。
[0033] 上述的其它助劑可為本領(lǐng)域常見的適用于聚酰胺體系的加工助劑中的至少一種， 如加工穩(wěn)定劑、抗氧劑。
[0034] 優(yōu)選的，上述的抗氧劑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] ^烷（S9228)，三（2, 4-二叔丁基苯基）亞 磷酸酯（168))。
[0035] 更優(yōu)選的，上述的抗氧劑為三（2, 4-二叔丁基苯基）亞磷酸酯（抗氧劑168)。
[0036] 本發(fā)明還提供了一種上述環(huán)保阻燃碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料的制備方法，包括 以下具體操作步驟：
[0037] (1)將聚酰胺、聚偏氟乙烯、復(fù)合阻燃劑、分散劑和其它助劑加入高速攪拌機(jī)中混 合均勻；
[0038] (2)將步驟⑴中的混合物料通過主喂料口加入雙螺桿擠出機(jī)中，碳纖維經(jīng)雙螺 桿擠出機(jī)排氣口加入雙螺桿擠出機(jī)中，熔融共混，擠出造粒，即得到環(huán)保阻燃碳纖維增強(qiáng)聚 酰胺復(fù)合材料。
[0039]步驟⑴中所述的混合的優(yōu)選條件指混合溫度為室溫~80°C，在200~400r/min 的速度下攪拌10~30min。
[0040] 步驟（2)中所述的雙螺桿擠出機(jī)的主機(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。
[0041] 步驟（2)中所述的熔融共混的溫度優(yōu)選為擠出機(jī)各加熱段的溫度為180~255°C。
[0042] 步驟（2)中所述的擠出造粒優(yōu)選經(jīng)過水浴冷卻系統(tǒng)后再擠出造粒。
[0043] 本發(fā)明制備得到的環(huán)保阻燃碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料的物理力學(xué)性能、加工性 能、表面外觀性能良好，相對普通碳纖維增強(qiáng)聚酰胺材料具有更高的抗翹曲性，可應(yīng)用于電 子電器、高鐵制造、電動工具等領(lǐng)域中。特別適合于應(yīng)用在制備一些對材料強(qiáng)度和輕量化要 求尚的薄壁制品。
[00