本发明属于塑料复合材料领域，具体涉及一种碳纤维增强尼龙材料和制备原料及其制备方法和应用。
背景技术：
：碳纤维增强尼龙材料具有极高的比强度、自润滑性以及耐化学腐蚀性，被广泛应用于机械工业、交通运输和电子电器等行业，由于其良好的机械强度、极低的密度，常被作为轻量化材料替代金属材料用于制作机械齿轮、传动连杆、结构支撑件等受复杂应力的部件。这些部件在正常工作状态下，需要不停地受到交变应力的作用，极有可能在远低于材料屈服强度或断裂强度的情况下发生断裂。关于材料疲劳强度的研发集中在金属材料上，金属材料内部结构由于结晶和杂质分布并不均匀，从而造成应力传递的不平衡，在局部高应力区域形成微小的裂纹，微小的裂纹顶部形成应力集中区，在交变应力作用下，裂纹不断拓展，直至失稳断裂。与金属材料相比，塑料复合材料的断裂机理更加复杂。第一，金属为单相体系，不需要考虑两相及界面对复合材料的影响；第二，金属的工作温度远低于熔点，在工作温度下，金属的强度不发生变形，塑料的工作温度有可能高于塑料本身的玻璃化转变温度，塑料在正常工作状态下有可能发生蠕变和应力松弛。目前，为了提高碳纤维增强尼龙材料的疲劳强度，现有技术主要通过添加POE-G-MAH等相容剂。然而，采用这种方式提高碳纤维增强尼龙材料的疲劳强度，仅考虑了两相的界面，没有考虑到相容剂对碳纤维增强尼龙材料机械强度和耐热温度降低的影响，即，所得材料无法兼具优异的耐疲劳强度和力学强度并保持较高的耐热温度。技术实现要素：本发明的目的是为了克服现有的碳纤维增强尼龙材料通过添加相容剂的方式无法兼具优异的耐疲劳强度和力学强度并保持较高的耐热温度的缺陷，而提供一种能够兼具优异的耐疲劳强度和力学强度并保持较高的耐热温度的碳纤维增强尼龙材料和制备原料及其制备方法和应用。具体地，本发明提供了一种碳纤维增强尼龙材料的制备原料，其中，所述碳纤维增强尼龙材料的制备原料由尼龙、碳纤维、官能团为2的异氰酸酯类化合物、聚碳化二亚胺、抗氧剂和润滑剂组成，所述碳纤维为表面经聚氨酯进行包覆处理后的碳纤维，所述尼龙、碳纤维、官能团为2的异氰酸酯类化合物和聚碳化二亚胺的重量比为(25～160):(10～80):(1～10):1，且所述官能团为2的异氰酸酯类化合物独立保存。进一步的，所述碳纤维增强尼龙材料的制备原料由尼龙50～80重量份、碳纤维20～40重量份、官能团为2的异氰酸酯类化合物2～5重量份、聚碳化二亚胺0.5～2重量份、抗氧剂0.5～1重量份和润滑剂0.2～0.6重量份组成。进一步的，所述尼龙选自尼龙66、尼龙6、尼龙612和尼龙12中的至少一种。进一步的，所述尼龙在温度为40℃±0.1℃、参比介质为96±0.15wt％的硫酸水溶液条件下的相对粘度为2.5～3.0。进一步的，所述尼龙的水分含量小于500ppm。进一步的，所述碳纤维为单丝直径5～10μm、长度4～8mm的短切碳纤维。进一步的，所述碳纤维表面包覆的聚氨酯的量为1.5～3wt％。进一步的，所述碳纤维的水分含量小于500ppm。进一步的，所述官能团为2的异氰酸酯类化合物为二苯甲烷二异氰酸酯和/或甲苯二异氰酸酯。进一步的，所述抗氧剂为N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺与双(2,4-二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯的混合物。进一步的，所述润滑剂为有机硅润滑剂和/或乙烯丙烯酸共聚物。本发明还提供了一种碳纤维增强尼龙材料的制备方法，其中，所述碳纤维增强尼龙材料以上述碳纤维增强尼龙材料的制备原料作为原料且制备方法包括：S1、将所述尼龙、聚碳化二亚胺、抗氧剂和润滑剂置于低速混料器中混合均匀，得到预混料；S2、将所述预混料和碳纤维分别从双螺杆挤出机的主喂料口和第一侧喂料口加入以进行熔融共混得到尼龙碳纤维共混物，所述官能团为2的异氰酸酯类化合物经熔融之后从双螺杆挤出机的第二侧喂料口加入以与所述尼龙碳纤维共混物继续进行熔融共混，之后将所得熔融共混产物进行挤出即得碳纤维增强尼龙材料。进一步的，所述双螺杆挤出机的长径比为(36～48):1，挤出温度为265～300℃，螺杆转速为350～500r/min。本发明还提供了由上述方法制得的碳纤维增强尼龙材料。此外，本发明还提供了所述碳纤维增强尼龙材料作为机械齿轮、传动连杆或结构支撑件的制造材料的应用。本发明的发明人经过深入研究之后发现，碳纤维增强尼龙材料的应力集中点主要在内部碳纤维的两端，在交变应力下，碳纤维两端的界面首先发生脱粘，产生微裂纹，进一步引发应力集中，而往碳纤维增强尼龙材料体系中同时添加官能团为2的异氰酸酯类化合物以及聚碳化二亚胺、通过两者的协同配合作用可以在保持力学强度和耐高温性能的同时提高碳纤维和塑料基体的粘结力，延缓微裂纹的发生，提高疲劳强度并延长使用寿命。推测其原因，可能是由于：一方面，官能团为2的异氰酸酯类化合物的每条分子链上均包括两个活性官能团，反应活性大，不仅能够与尼龙上的羧基、羟基、酰胺基反应以及与聚氨酯包覆碳纤维上的羟基反应，提高材料两相间的相容性，从而获得均一体系以保持力学强度和耐高温性能，而且由于异氰酸酯类化合物为两官能团组分，不易形成交联结构而使材料的加工性能劣化，变长的分子链可以更有效传递应力；另一方面，在正常工作状态下，高频的交变应力会使材料发热以使温度升高，从而进一步使得线性复合材料发生高温降解，而聚碳化二亚胺的加入能够提高材料基体抵抗裂纹扩展的能力，从而提高材料的疲劳强度。此外，在本发明提供的碳纤维增强尼龙材料的制备方法中，尼龙塑料基体与碳纤维在双螺杆挤出机前段已均匀混合，而所述官能团为2的异氰酸酯类化合物经熔融之后从位于双螺杆挤出机后段的第二侧喂料口加入，在该位置加入所述官能团为2的异氰酸酯类化合物能够使得熔体粘度增加，但由于剪切力小，亦不会使碳纤维折断，从而避免了碳纤维平均长度变短，大大保持了碳纤维增强尼龙材料的力学性能。具体实施方式下面详细描述本发明。在本发明中，所述尼龙、碳纤维、官能团为2的异氰酸酯类化合物和聚碳化二亚胺的重量比为(25～160):(10～80):(1～10):1。此外，相对于50～80重量份的尼龙，抗氧剂的含量可以为0.5～1重量份，所述润滑剂的含量可以为0.2～0.6重量份。在本发明的最优选实施方式中，所述碳纤维增强尼龙材料的制备原料由尼龙50～80重量份、碳纤维20～40重量份、官能团为2的异氰酸酯类化合物2～5重量份、聚碳化二亚胺0.5～2重量份、抗氧剂0.5～1重量份和润滑剂0.2～0.6重量份组成。此外，所述官能团为2的异氰酸酯类化合物应该独立保存，即与其他组分分开保存，这样能够在后续制备碳纤维增强尼龙材料的过程中实现在前段加入尼龙、碳纤维、聚碳化二亚胺、抗氧剂和润滑剂，而在后段加入官能团为2的异氰酸酯类化合物，从而使所得碳纤维增强尼龙材料具有非常优异的抗疲劳强度和力学强度以及耐热性能。在本发明中，所述尼龙的具体实例包括但不限于尼龙66、尼龙6、尼龙612和尼龙12中的至少一种，特别优选为尼龙66。所述尼龙的相对粘度优选为2.5～3.0。在本发明中，所述相对粘度的测试温度为40℃±0.1℃，参比介质为96±0.15wt％的硫酸水溶液。此外，所述尼龙的水分含量优选小于500ppm。在本发明中，所述碳纤维优选为单丝直径5～10μm、长度4～8mm的短切碳纤维。所述碳纤维的表面需要经聚氨酯进行包覆处理。其中，所述聚氨酯的包覆量为1.5～3wt％。此外，所述碳纤维的水分含量优选小于500ppm。在本发明中，所述官能团为2的异氰酸酯类化合物兼作相容剂和应力传递剂，从而一方面提高力学强度和耐高温性能，另一方面提高尼龙塑料基体和碳纤维之间的粘结力，延缓微裂纹的产生，改善耐疲劳性能，延长使用寿命。所述官能团为2的异氰酸酯类化合物的添加效果优于马来酸酐接枝聚烯烃弹性体(POE-g-MAH)，POE-g-MAH的接枝率一般为1～3wt％，活性官能团的有效含量低，一条分子链上可能含有多个官能团或者是没有官能团，当发生化学反应时，有可能有些部分形成交联结构，而有些部分为与尼龙基体不相容的POE，从而使得材料内部的不均匀性加大。而所述官能团为2的异氰酸酯类化合物上的官能团较马来酸杆的反应活性大，不仅能够实现一端连接至尼龙上而另一端连接至碳纤维上以提高两相间的相容性，而且由于所述异氰酸酯类化合物仅含有两个官能团，只会增长分子链长度而不易形成交联结构，变长的分子链可以有效传递应力，从而实现抗疲劳强度的提高。所述官能团为2的异氰酸酯类化合物的具体实例包括但不限于：二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)和/或甲苯二异氰酸酯(TDI)，特别优选为二苯甲烷二异氰酸酯。本发明对所述抗氧剂的种类没有特别的限定，可以为现有的各种能够提高碳纤维增强尼龙材料抗氧化性能的物质，特别优选为N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺(1098)与双(2,4-二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯(9228)的混合物。其中，该混合物中N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺与双(2,4-二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯的重量比优选为(0.5～2):1。本发明对所述润滑剂的种类没有特别的限定，其具体实例包括但不限于：有机硅润滑剂、乙烯丙烯酸共聚物、聚乙烯蜡、乙撑双硬脂酰胺(EBS)和季戊四醇硬脂酸酯中的至少一种，优选为有机硅润滑剂和/或乙烯丙烯酸共聚物。其中，所述有机硅润滑剂例如可以为改性高分子量有机硅润滑剂TegomerE525。所述乙烯丙烯酸共聚物例如可以为霍尼韦尔AC540A。本发明提供的碳纤维增强尼龙材料以碳纤维增强尼龙材料的制备原料作为原料且制备方法包括：S1、将所述尼龙、聚碳化二亚胺、抗氧剂和润滑剂置于低速混料器中混合均匀，得到预混料；S2、将所述预混料和碳纤维分别从双螺杆挤出机的主喂料口和第一侧喂料口加入以进行熔融共混得到尼龙碳纤维共混物，所述官能团为2的异氰酸酯类化合物经熔融之后从双螺杆挤出机的第二侧喂料口加入以与所述尼龙碳纤维共混物继续进行熔融共混，之后将所得熔融共混产物进行挤出即得碳纤维增强尼龙材料。其中，所述主喂料口和第一侧喂料口位于所述双螺杆挤出机的前段。所述第二侧喂料口位于所述双螺杆挤出机的后段，靠近机头。例如，当所述双螺杆挤出机为包括八区至十区的双螺杆挤出机时，所述主喂料口和第一侧喂料口可以位于一区，所述第二侧喂料口可以位于五区或者六区。此外，所述双螺杆挤出机的长径比可以为(36～48):1，挤出温度可以为265～300℃，螺杆转速可以为350～500r/min。本发明还提供了由上述方法制得的碳纤维增强尼龙材料。此外，本发明还提供了所述碳纤维增强尼龙材料作为机械齿轮、传动连杆或结构支撑件的制造材料的应用。以下将通过实施例对本发明进行详细描述。实施例1S1、将尼龙(PA66，在温度为40℃±0.1℃、参比介质为96±0.15wt％的硫酸水溶液条件下的相对粘度为2.7)、碳纤维(单丝直径5～10μm、长度4～8mm且表面经1.5wt％的聚氨酯进行包覆处理后的短切碳纤维)在100℃的鼓风干燥箱中干燥至水分含量小于500ppm，备用。将尼龙66、聚碳化二亚胺、抗氧剂和润滑剂在低速混料器中以400rpm的速率(下同)混合均匀，得到预混料。S2、将所述预混料从双螺杆挤出机(总共包括十区)的一区主喂料口加入，同时将碳纤维从双螺杆挤出机的一区侧喂料口加入，MDI置于恒温60℃熔融之后通过熔体泵从双螺杆挤出机的五区侧喂料加入，双螺杆挤出机的长径比为48:1，双螺杆挤出机各段的温度控制在265～300℃，转速控制在350～500rpm，经挤出造粒后即得碳纤维增强尼龙材料。其中，各组分的用量如表1所示。实施例2S1、将尼龙(PA66，在温度为40℃±0.1℃、参比介质为96±0.15wt％的硫酸水溶液条件下的相对粘度为2.5)、碳纤维(单丝直径5～10μm、长度4～8mm且表面经3wt％的聚氨酯进行包覆处理后的短切碳纤维)在100℃的鼓风干燥箱中干燥至水分含量小于500ppm，备用。将尼龙66、聚碳化二亚胺、抗氧剂和润滑剂在低速混料器中混合均匀，得到预混料。S2、将所述预混料从双螺杆挤出机(总共包括十区)的一区主喂料口加入，同时将碳纤维从双螺杆挤出机的一区侧喂料口加入，MDI置于恒温60℃熔融之后通过熔体泵从双螺杆挤出机的五区侧喂料加入，双螺杆挤出机的长径比为48:1，双螺杆挤出机各段的温度控制在265～300℃，转速控制在350～500rpm，经挤出造粒后即得碳纤维增强尼龙材料。其中，各组分的用量如表1所示。实施例3S1、将尼龙(PA66，在温度为40℃±0.1℃、参比介质为96±0.15wt％的硫酸水溶液条件下的相对粘度为3.0)、碳纤维(单丝直径5～10μm、长度4～8mm且表面经2wt％的聚氨酯进行包覆处理后的短切碳纤维)在100℃的鼓风干燥箱中干燥至水分含量小于500ppm，备用。将尼龙66、聚碳化二亚胺、抗氧剂和润滑剂在低速混料器中混合均匀，得到预混料。S2、将所述预混料从双螺杆挤出机(总共包括十区)的一区主喂料口加入，同时将碳纤维从双螺杆挤出机的一区侧喂料口加入，MDI置于恒温60℃熔融之后通过熔体泵从双螺杆挤出机的五区侧喂料加入，双螺杆挤出机的长径比为48:1，双螺杆挤出机各段的温度控制在265～300℃，转速控制在350～500rpm，经挤出造粒后即得碳纤维增强尼龙材料。其中，各组分的用量如表1所示。对比例1按照实施例1的方法制备碳纤维增强尼龙材料，不同的是，将二苯甲烷二异氰酸酯采用相同重量份的POE-g-MAH(接枝率为3wt％)替代，其余条件与实施例1相同，得到参比碳纤维增强尼龙材料。其中，各组分的用量如表1所示。对比例2按照实施例1的方法制备碳纤维增强尼龙材料，不同的是，未加入聚碳化二亚胺和二苯甲烷二异氰酸酯，其余条件与实施例1相同，得到参比碳纤维增强尼龙材料。其中，各组分的用量如表1所示。对比例3按照实施例1的方法制备碳纤维增强尼龙材料，不同的是，在双螺杆挤出机中进行熔融挤出的过程中，将二苯甲烷二异氰酸酯与所述预混料同时从双螺杆挤出机的一区主喂料口加入，同时将碳纤维从双螺杆挤出机的一区侧喂料口加入，其余条件与实施例1相同，得到参比碳纤维增强尼龙材料。其中，各组分的用量如表1所示。表1原料名称实施例1实施例2实施例3对比例1对比例2对比例3尼龙76.865.151.476.878.676.8碳纤维203040202020MDI532--5POE-g-MAH---5--聚碳化二亚胺210.52-2抗氧剂10980.50.30.20.50.50.5抗氧剂92280.50.30.30.50.50.5润滑剂AC540A0.60.30.20.60.60.6测试例将实施例1～3所得碳纤维增强尼龙材料以及对比例1～3所得参比碳纤维增强尼龙材料的拉伸强度、弯曲强度、热变形温度和耐疲劳性能分别按照以下方法进行测定，所得结果如表2所示。(1)拉伸强度：按照ISO572-2进行测试；(2)弯曲强度：按照ISO178进行测试；(3)热变形温度：按照ISO075-2(A法)进行测试；(4)耐疲劳性能(拉压疲劳-失效循环)：按照ISO178制备标准I型样条，之后在150MPa、80Hz的条件下进行耐疲劳性能测试直至样条断裂。表2测试项目实施例1实施例2实施例3对比例1对比例2对比例3拉伸强度(MPa)223275297194218197弯曲强度(MPa)298363392278277274热变形温度(℃)252251253237250250拉压疲劳-失效循环(次)4.3E+61.4E+75.76E+67.6E+54.2E+63.3E+6从表2的结果可以看出，采用本发明提供的原料和方法制得的碳纤维增强尼龙材料具有优异的耐疲劳强度和力学强度以及耐热性能。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。当前第1页1 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