本發(fā)明屬于復(fù)合新材料及其制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著國家對環(huán)境和生命安全的重視，工業(yè)領(lǐng)域要求降低能耗的壓力越來越大，同時，對產(chǎn)品性能的提升和保證也迫在眉睫。因此，開發(fā)一些特殊的新型高性能材料來代替金屬以及其他傳統(tǒng)材料的趨勢也越來越明顯。目前，在增強(qiáng)聚酰胺材料應(yīng)用領(lǐng)域，玻纖增強(qiáng)材料基本都是簡單的玻纖和普通聚酰胺樹脂混合改性而成，這一方面導(dǎo)致材料的性能一般，在許多重要領(lǐng)域不能使用，同時，玻纖增強(qiáng)聚酰胺材料密度較大，在某些領(lǐng)域（例如輕量化的高剛性材料在汽車方面的應(yīng)用）不滿足輕量化的要求。
現(xiàn)有的專利文獻(xiàn)中，有涉及到碳纖維增強(qiáng)聚酰胺的改性方法，但這些現(xiàn)有技術(shù)及研究主要涉及阻燃性能的改善和提升，很少有涉及到如何解決碳纖維增強(qiáng)聚酰胺的表面光澤問題及剛性偏低問題；在某些輕量化應(yīng)用領(lǐng)域中，要求在降低材料比重的同時還要保證獲得高剛性和高光澤表面，而這在現(xiàn)有技術(shù)中更加沒有涉及，這也一直成為本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的技術(shù)難題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服以上背景技術(shù)中提到的不足和缺陷，提供一種剛性高、高光澤、比重輕、耐腐蝕和抗靜電的碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料，還相應(yīng)提供一種操作簡單的該碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料的制備方法。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種高剛性高光澤碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料，所述碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料主要由如下質(zhì)量份數(shù)的原料組分制備得到：
基體聚酰胺樹脂 50～90 份
碳纖維 10～50份
改性助劑 2～20份 和
加工助劑 0.1～2份；
所述基體聚酰胺樹脂為支化聚酰胺樹脂，所述支化聚酰胺樹脂為粘度低于2.0的高流動性聚酰胺樹脂。。
本發(fā)明的上述技術(shù)方案主要基于以下原理：1）在高剛性方面，本發(fā)明選用高流動性的支化聚酰胺樹脂作為基材，通過配合加入剛性極高的碳纖維（特別優(yōu)選經(jīng)過表面偶聯(lián)劑處理過的碳纖維）增強(qiáng)后，其性能尺寸穩(wěn)定性、耐熱性、耐老化性能有明顯提高，耐疲勞強(qiáng)度是未增強(qiáng)的2-5倍，這種性能完全可以滿足高強(qiáng)度的要求；2）在高光澤方面，本發(fā)明一方面采用了高流動性的支化聚酰胺樹脂作為基材，能有效地對碳纖進(jìn)行浸潤，抑制浮纖的出現(xiàn)，同時改性助劑及加工助劑的加入，也能有效改善碳纖的析出，提高復(fù)合材料的光澤；3）碳纖維本身的高剛性和導(dǎo)電性能賦予了復(fù)合材料具有較高的剛性以及抗靜電性能，同時比碳纖維比玻纖纖維比重輕的特點，還較好地滿足了復(fù)合材料輕量化的要求。
上述的碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料，優(yōu)選的，所述碳纖維為長碳纖維和/或短切碳纖維，由于長纖維在加工時長短不一，不易控制，而短纖維材料做成制品的表面效果更好，因此最優(yōu)選為短切碳纖維。
上述的碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料，優(yōu)選的，所述碳纖維為經(jīng)過偶聯(lián)劑處理過的直徑為3-15微米的碳纖維。更優(yōu)選的，所述偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑中的一種或幾種混合物，最優(yōu)選為硅烷偶聯(lián)劑，因為我們的實驗表明，硅烷偶聯(lián)劑在碳纖和樹脂復(fù)合時的相容效果最好。
上述的碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料，優(yōu)選的，所述改性助劑包括相容劑和抗氧劑；所述相容劑選自乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸縮水甘油酯共聚物（GMA）、馬來酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物（POE-g-MAH）中的一種或者兩種混合物；所述抗氧劑由質(zhì)量比為1:1-1:5的抗氧劑1098和亞磷酸鹽類材料復(fù)合而成。前述復(fù)配型的抗氧劑是我們反復(fù)實驗后優(yōu)化的最佳方案，其它抗氧劑由于耐溫或者內(nèi)部質(zhì)量問題，在滿足本發(fā)明要求的高剛性高光澤效果上都表現(xiàn)相對遜色。
上述的碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料，優(yōu)選的，所述加工助劑包括潤滑劑，所述潤滑劑為改性乙撐雙脂肪酸酰胺（TAF）系列和/或硅酮系列的光亮潤滑劑。
以上優(yōu)選的改性助劑、加工助劑的添加更有利于保證基體樹脂和碳纖維之間的分散和相容，使得復(fù)合材料最終表現(xiàn)出高性能以及高光澤。
作為一個總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述的碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：
（1）按所述質(zhì)量份數(shù)將基體樹脂、改性助劑和加工助劑混合均勻，得到第一中間產(chǎn)物：
（2）將所述第一中間產(chǎn)物經(jīng)喂料器送入雙螺桿擠出機(jī)中，并在雙螺桿擠出機(jī)的輔助加料口中加入所述質(zhì)量份數(shù)的碳纖維，共混擠出以制成第二中間產(chǎn)物；
（3）將第二中間產(chǎn)物拉條、冷卻、切粒、干燥處理，得到高剛性高光澤碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料。
上述的制備方法，優(yōu)選的，所述基體樹脂為經(jīng)過干燥處理的支化聚酰胺樹脂，所述干燥處理是指在120℃-140℃下鼓風(fēng)干燥2-4小時。
上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟（1）是在高攪機(jī)中攪拌混合均勻；所述步驟（2）中喂料器的轉(zhuǎn)速為150-250 rpm；所述雙螺桿擠出機(jī)的溫度控制在200℃-300℃；雙螺桿擠出機(jī)的轉(zhuǎn)速為250-400rpm。在雙螺桿擠出機(jī)存在多段的情況下，所述雙螺桿擠出機(jī)的溫度是指雙螺桿擠出機(jī)所有各段的溫度控制范圍，即雙螺桿擠出機(jī)每一段的溫度可以相同或不同，但雙螺桿擠出機(jī)每一段的溫度均優(yōu)選控制在200℃-300℃的范圍內(nèi)。
本發(fā)明通過對設(shè)備和制備工藝的改進(jìn)，在解決了碳纖維與基體樹脂的界面結(jié)合問題的同時，保證了碳纖維的長度和分散性，材料的耐磨和耐疲勞性能也可以滿足使用要求。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明的高剛性高光澤碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料不僅具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和剛性，還能很好地保證材料的光澤，其具體表現(xiàn)在：
1.強(qiáng)度高：材料剛性得到了大幅提升，相比普通聚酰胺改性材料，本發(fā)明復(fù)合材料的性能至少高出一倍以上，能代替部分金屬材料的使用；
2.比重輕：與傳統(tǒng)的玻纖增強(qiáng)材料比較，同樣質(zhì)量份數(shù)配比的纖維增強(qiáng)材料，玻纖增強(qiáng)材料密度一般為1.35kg/m3左右，而碳纖維增強(qiáng)材料密度僅為1.22 kg/m3左右，本發(fā)明復(fù)合材料的重量減少達(dá)10%以上，能夠較好地起到輕量化的效果；
3.高光澤：與傳統(tǒng)的玻纖增強(qiáng)聚酰胺材料相比，傳統(tǒng)材料由于玻纖浮纖的原因，表面粗糙，一些外觀件上限制使用，而該本發(fā)明復(fù)合材料中選用的基體樹脂材料粘度較低，在加工過程中能較好地對碳纖維進(jìn)行浸漬將碳纖維包覆在中心，因此表面光滑，光澤好，能廣泛適用于各種外觀件中；
4.因本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料還含有碳纖維，因此具有較好的抗腐蝕性和抗靜電性能。
綜上，本發(fā)明提供的碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料具有剛性高、高光澤、比重輕、耐腐蝕和抗靜電等特點，且制備工藝簡單，能夠替代傳統(tǒng)的玻纖增強(qiáng)聚酰胺材料，對于汽車等領(lǐng)域的高端需求而言具有較好的應(yīng)用前景。
具體實施方式
為了便于理解本發(fā)明，下文將結(jié)合較佳的實施例對本發(fā)明作更全面、細(xì)致地描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于以下具體的實施例。
除非另有定義，下文中所使用的所有專業(yè)術(shù)語與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中所使用的專業(yè)術(shù)語只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
除非另有特別說明，本發(fā)明中用到的各種原材料、試劑、儀器和設(shè)備等均可通過市場購買得到或者可通過現(xiàn)有方法制備得到。
下列實施例和對比例中所用的支化聚酰胺樹脂為XC030（粘度低于2.0的高流動性聚酰胺樹脂），購自株洲時代新材料科技股份有限公司；碳纖維為TRO6NR短切碳纖維（直徑為3-15微米），購自泰山碳纖維有限公司，本發(fā)明中實施例的碳纖維經(jīng)過了硅烷偶聯(lián)劑的處理；相容劑為馬來酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物（POE接枝馬來酸酐HS-110A），購自廣州合誠化學(xué)有限公司；抗氧劑1098購自山東三豐化工有限公司；加工助劑為潤滑劑TAF，購自蘇州興泰國光化學(xué)助劑有限公司。
實施例1：
一種本發(fā)明的高剛性高光澤碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料，該碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料由如下質(zhì)量份數(shù)的原料組分制備得到：
基體聚酰胺樹脂 65份
碳纖維TRO6NR 30份
相容劑 3份
抗氧劑1098 0.5份
抗氧劑 6260（亞磷酸鹽類材料的一種） 0.5份
加工助劑 0.8份；
基體聚酰胺樹脂為支化聚酰胺樹脂。
本實施例上述的碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：
（1）按上述質(zhì)量份數(shù)將基體聚酰胺樹脂、相容劑、抗氧劑和加工助劑在高攪機(jī)中混合均勻，得到第一中間產(chǎn)物：其中的基體聚酰胺樹脂是在130℃下經(jīng)過鼓風(fēng)干燥3小時處理后的樹脂；
（2）將上述第一中間產(chǎn)物經(jīng)喂料器送入雙螺桿擠出機(jī)中，并在雙螺桿擠出機(jī)的輔助加料口中加入上述質(zhì)量份數(shù)的碳纖維，共混擠出以制成第二中間產(chǎn)物；喂料器轉(zhuǎn)速為150rpm，雙螺桿擠出機(jī)的各段溫度在200℃-300℃的范圍內(nèi)，雙螺桿擠出機(jī)的轉(zhuǎn)速為250rpm；
（3）將第二中間產(chǎn)物拉條、冷卻、切粒、干燥處理，得到高剛性高光澤碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料。
對本實施例制得的高剛性高光澤碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料進(jìn)行各項性能測試，拉伸性能按照GB/T1040-2006進(jìn)行測試；彎曲性能按照GB/T1449-2005進(jìn)行測試；沖擊性能按照GB/T1043-93進(jìn)行測試；阻燃性能按照GB/T2408-2008進(jìn)行測試；熔體流動速率按照GB/T3682-2000進(jìn)行測試。經(jīng)過測試，制得的高剛性高光澤碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)249MPa，彎曲強(qiáng)度達(dá)293MPa，彎曲模量達(dá)12800MPa。高光澤是由檢測的面板可以確定。
實施例2：
一種本發(fā)明的高剛性高光澤碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料，該碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料由如下質(zhì)量份數(shù)的原料組分制備得到：
基體聚酰胺樹脂 75份
碳纖維TRO6NR 20份
相容劑 3份
抗氧劑1098 0.5份
抗氧劑 6260 0.75份 和
加工助劑 0.8份；
基體聚酰胺樹脂為支化聚酰胺樹脂。
本實施例上述的碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：
（1）按上述質(zhì)量份數(shù)將基體聚酰胺樹脂、相容劑、抗氧劑和加工助劑在高攪機(jī)中混合均勻，得到第一中間產(chǎn)物：其中的基體聚酰胺樹脂是在130℃下經(jīng)過鼓風(fēng)干燥3小時處理后的樹脂；
（2）將上述第一中間產(chǎn)物經(jīng)喂料器送入雙螺桿擠出機(jī)中，并在雙螺桿擠出機(jī)的輔助加料口中加入上述質(zhì)量份數(shù)的碳纖維，共混擠出以制成第二中間產(chǎn)物；喂料器轉(zhuǎn)速為150rpm，雙螺桿擠出機(jī)的各段溫度在200℃-300℃的范圍內(nèi)，雙螺桿擠出機(jī)的轉(zhuǎn)速為250rpm；
（3）將第二中間產(chǎn)物拉條、冷卻、切粒、干燥處理，得到高剛性高光澤碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料。
對本實施例制得的高剛性高光澤碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料進(jìn)行各項性能測試，拉伸性能按照GB/T1040-2006進(jìn)行測試；彎曲性能按照GB/T1449-2005進(jìn)行測試；沖擊性能按照GB/T1043-93進(jìn)行測試；阻燃性能按照GB/T2408-2008進(jìn)行測試；熔體流動速率按照GB/T3682-2000進(jìn)行測試。經(jīng)過測試，制得的高剛性高光澤碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)217MPa，彎曲強(qiáng)度達(dá)254MPa，彎曲模量達(dá)8430MPa。
實施例3：
一種本發(fā)明的高剛性高光澤碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料，該碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料由如下質(zhì)量份數(shù)的原料組分制備得到：
基體聚酰胺樹脂 85份
碳纖維TRO6NR 10份
相容劑 3份
抗氧劑1098 0.5份
抗氧劑 6260 0.5份 和
加工助劑 0.8份；
基體聚酰胺樹脂為支化聚酰胺樹脂。
本實施例上述的碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：
（1）按上述質(zhì)量份數(shù)將基體聚酰胺樹脂、相容劑、抗氧劑和加工助劑在高攪機(jī)中混合均勻，得到第一中間產(chǎn)物：其中的基體聚酰胺樹脂是在130℃下經(jīng)過鼓風(fēng)干燥3小時處理后的樹脂；
（2）將上述第一中間產(chǎn)物經(jīng)喂料器送入雙螺桿擠出機(jī)中，并在雙螺桿擠出機(jī)的輔助加料口中加入上述質(zhì)量份數(shù)的碳纖維，共混擠出以制成第二中間產(chǎn)物；喂料器轉(zhuǎn)速為150rpm，雙螺桿擠出機(jī)的各段溫度在200℃-300℃的范圍內(nèi)，雙螺桿擠出機(jī)的轉(zhuǎn)速為250rpm；
（3）將第二中間產(chǎn)物拉條、冷卻、切粒、干燥處理，得到高剛性高光澤碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料。
對本實施例制得的高剛性高光澤碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料進(jìn)行各項性能測試，拉伸性能按照GB/T1040-2006進(jìn)行測試；彎曲性能按照GB/T1449-2005進(jìn)行測試；沖擊性能按照GB/T1043-93進(jìn)行測試；阻燃性能按照GB/T2408-2008進(jìn)行測試；熔體流動速率按照GB/T3682-2000進(jìn)行測試。經(jīng)過測試，制得的高剛性高光澤碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)170MPa，彎曲強(qiáng)度達(dá)200MPa，彎曲模量達(dá)6000MPa。