碳纤维增强聚甲醛复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新型高性能碳纤复合材料技术领域，具体涉及一种碳纤维增强聚 甲醛复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 碳纤维是含碳量在90%以上的高强度高模量纤维，是用分解温度低于熔融温度的 纤维聚合物，通过千度以上固相热解而制成。其种类包括有聚丙烯腈基碳纤维（PAN基碳 纤)、浙青基碳纤维、粘胶基碳纤维。60年代以来碳纤维迅速发展的新型增强材料，具有高强 度、质量轻、耐疲劳、性能优良、模量大和热膨胀系数低等优点，在复合材料领域里广泛的应 用。但是，纤维中的碳分子平面是沿纤维轴取向，表面呈化学惰性，与热塑性树脂基体之间 亲和力较差，难以形成化学键连接并且界面存在不相容组分，界面粘结强度低，复合时容易 在界面上形成孔隙和缺陷，增强体与基体树脂难以形成有效粘结，影响复合材料综合性能 的发挥。因此，需要通过表面处理来提高增强体和基体树脂界面的粘结度，以达到提高碳纤 维增强复合材料性能的目的。
【发明内容】
[0003] 本发明提供一种质量轻、导电好、耐磨性好适合用于齿轮、轴承、汽车配件、电子零 配件等产品的碳纤维增强聚甲醛碳纤复合材料。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种碳纤维增强聚甲醛复合材料，其特征 在于，按重量百分比包括以下组分：
[0005] 聚甲醛72%~76%、加工助剂1%以及经低温等离子处理的碳纤维23~27%。
[0006] 优选的，所述加工助剂包括抗氧剂、润滑剂及/或相容剂。
[0007] 优选的，所述抗氧剂为抗氧剂1010 (四[e- (3,5_二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸 酯]季戊四醇酯）或抗氧剂168 (三[2. 4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯)。
[0008] 优选的，所述润滑剂为亲水性高分子化合物（PEG)。
[0009] 优选的，所述相容剂为N，N'-乙撑双硬脂酰胺（EBS)或硅铜粉。
[0010] 还提供了一种碳纤维增强聚甲醛复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0011] 碳纤维经低温等离子处理；
[0012] 按配比把碳纤维与聚甲醛和加工助剂混合均匀，然后熔融剪切、混炼、挤出造粒得 到碳纤复合材料粒料。
[0013] 优选的，所述低温等离子处理为介质阻挡放电（DBD)等离子体方式。
[0014] 优选的，按配比把聚甲醛和加工助剂混合均匀，通过双螺杆挤出造粒机在145°C~ 190°C温度下挤出造粒，并且在挤出过程中，通过中间的加料孔加入已处理好的碳纤维。
[0015] 优选的，在挤出过程中，挤出机的螺杆转速为300转/min、喂料转速为305转/ min、切料速度为450转/min。
[0016] 本发明提供的碳纤维增强聚甲醛复合材料，比普通聚甲醛具有更好的抗热强度、 弯曲强度、耐疲劳性强度，具有更好的耐磨性和尺寸稳定，并具有优良的导电性能，25%碳纤 维增强聚甲醛表面电阻率和体积电阻率均可小于1X102数量级。
【附图说明】
[0017] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明的不当限定，在附图中：
[0018] 图1为本发明实施例提供的碳纤维增强聚甲醛复合材料的制备方法处理碳纤维 的示意图。
【具体实施方式】
[0019] 下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例 以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0020] 碳纤维增强聚甲醛复合材料实施例
[0021] 一种碳纤维增强聚甲醛复合材料，按重量百分比包括以下组分：
[0022] 聚甲醛72%~76%、加工助剂1%以及经低温等离子处理的碳纤维23~27%，其中 碳纤维为购自市售的日本东丽公司生产的碳纤维，聚甲醛为日本宝理的M90-44树脂，其拉 伸强度为60MPa，弯曲强度为90MPa，弯曲模量为2580MPa，密度：1. 41g/cm3,悬臂梁缺口冲 击强度为63J/m，热变形温度（1. 82MPa)为110°C。
[0023] 优选的，所述加工助剂包括抗氧剂、润滑剂及/或相容剂。
[0024] 所述抗氧剂可以是抗氧剂1010 (四[0- (3, 5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯] 季戊四醇酯）或抗氧剂168 (三[2. 4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯)。
[0025] 所述的润滑剂可以是亲水性高分子化合物（PEG)。
[0026] 所述的相容剂可以是N，N' -乙撑双硬脂酰胺（EBS)或硅铜粉等。
[0027] 本发明所述的抗氧剂、润滑剂和相容剂三者在总组分中的重量百分比为：抗氧剂 〇. 3%，润滑剂0. 3%，相容剂0. 4%。
[0028] 用于制备齿轮、轴承、汽车配件、电子零配件等产品的碳纤维增强聚甲醛复合材料 的制备方法：
[0029] 实施例1
[0030] (1)碳纤维的处理：如图1所示，在室温条件下，5根12K碳纤维束1以2m/s的速 度通过低温等离子处理箱陶瓷电极2之间的等离子处理区域3,完成后放入塑料箱中待用；
[0031] (2)然后按配比把步骤（1)处理后的碳纤维与聚甲醛和加工助剂，混合均匀，然后 经双螺杆挤出机在145°C~190°C温度下熔融剪切、混炼、挤出造粒即得到碳纤复合材料粒 料。
[0032] 实施例2
[0033] (1)碳纤维的处理：在室温条件下，碳纤维束以2m/s的速度通过低温等离子处理 箱，以介质阻挡放电（DBD)等离子体方式处理碳纤维，并且装箱备用；
[0034] (2)按比例配比聚甲醛和加工助剂，混合均匀；
[0035] (3)把混合物通过双螺杆挤出造粒机在145°C~190°C温度下挤出造粒，并且在挤 出过程中，通过中间的加料孔加入低温等离子处理过的碳纤维，使混合材料中碳纤的含量 达到客户要求的指标。
[0036] 实施例3
[0037] (1)碳纤维的处理：在室温条件下，碳纤维束以2m/s的速度通过低温等离子处理 箱，并且装箱备用；
[0038] (2)按比例配比原料，混合均匀；
[0039] (3)把混合物通过双螺杆挤出造粒机在145°C~190°C温度下挤出造粒，在挤出过 程中，挤出机的螺杆转速为300转/min、喂料转速为305转/min、切料速度为450转/min。
[0040] 实施例4
[0041] (1)碳纤维的处理：在室温条件下，碳纤维束以2m/s的速度通过低温等离子处理 箱，并且装箱备用；
[0042] (2)按比例配比聚甲醛和加工助剂，混合均匀；
[0043] (3)把混合物通过双螺杆挤出造粒机在145°C~190°C温度下挤出造粒，并且在挤 出过程中，通过中间的加料孔加入低温等离子处理过的碳纤维，使混合材料中碳纤的含量 达到客户要求的指标；
[0044] 在挤出过程中，挤出机的螺杆转速为300转/min、喂料转速为305转/min、切料速 度为450转/min，生产收集后即为本发明的碳纤维增强聚甲醛复合材料。
[0045] 本发明所述的碳纤维通过大气低温等离子体处理。当碳纤维通过低温等离子处理 设备时，低温等离子体中的电子从电场中获得能量成为自由的高能电子，它与气体中的原 子和分子碰撞产生激发和电离现象，由此生成的激发分子，原子，离子和游离基都是极不稳 定的具有较高的化学反应性，很容易与碳纤维发生一般情况下无法生成的反应，去除可能 阻碍碳纤表面一些活性点的表面污物(事实上碳纤维活性表面暴露于空气中时，会导致一 个很强的物理吸附水分层，这将阻碍纤维与环氧树脂的反应，因为水分有阻聚作用）；或使 纤维表表面层发生刻蚀而形成微孔和刻蚀沟槽，使表面积增大，有利于两相之问的物理聚 合；或生成新化合物或反应性的基团以及形成与树脂起反应的中间层，从而改善炭纤维与 基体之间的结合力。并且低温等离子体在性质上与普通气体有很大的差别。低温等离子 体中电子温度可高达数千到数万K，而气体温度很低，大致在室温至上百摄氏度，而电子能 量约为几个至十几个电子伏特。这个能量大于聚合物材料的结合键能（几个至十几电子 伏特），完全可以打断有机大分子的化学键而形成新键；但远低于高能射线，只涉及材料表 面，所以不影响基体的性能。
[0046] 表1本发明实施例制备的碳纤维增聚甲醛复合材料样品的力学和理化性能
[0047]
【主权项】
1. 一种碳纤维增强聚甲醛复合材料，其特征在于，按重量百分比包括以下组分： 聚甲醛72%~76%、加工助剂1%以及经低温等离子处理的碳纤维23~27%。
2. 根据权利要求1所述的碳纤维增强聚甲醛复合材料，其特征在于： 所述加工助剂包括抗氧剂、润滑剂及/或相容剂。
3. 根据权利要求1所述的碳纤维增强聚甲醛复合材料，其特征在于： 所述抗氧剂为抗氧剂1010 (四[0- (3, 5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸酯]季戊四 醇酯）或抗氧剂168 (三[2. 4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯)。
4. 根据权利要求1所述的碳纤维增强聚甲醛复合材料，其特征在于： 所述润滑剂为亲水性高分子化合物（PEG)。
5. 根据权利要求1所述的碳纤维增强聚甲醛复合材料，其特征在于： 所述相容剂为N，N' -乙撑双硬脂酰胺（EBS)或硅铜粉。
6. -种碳纤维增强聚甲醛复合材料的制备方法，包括如下步骤： 碳纤维经低温等离子处理； 按配比把碳纤维与聚甲醛和加工助剂混合均匀，然后熔融剪切、混炼、挤出造粒得到碳 纤复合材料粒料。
7. 根据权利要求6所述的碳纤维增强聚甲醛复合材料的制备方法，其特征在于： 所述低温等离子处理为介质阻挡放电（DBD)等离子体方式。
8. 根据权利要求6所述的碳纤维增强聚甲醛复合材料的制备方法，其特征在于： 按配比把聚甲醛和加工助剂混合均匀，通过双螺杆挤出造粒机在145°C~190°C温度 下挤出造粒，并且在挤出过程中，通过中间的加料孔加入已处理好的碳纤维。
9. 根据权利要求6所述的碳纤维增强聚甲醛复合材料的制备方法，其特征在于： 在挤出过程中，挤出机的螺杆转速为300转/min、喂料转速为305转/min、切料速度为 450 转 /min〇
【专利摘要】本发明公开了一种碳纤维增强聚甲醛复合材料及其制备方法，其按重量百分比包括聚甲醛72%~76%、加工助剂1%以及经低温等离子处理的碳纤维23~27%。本发明提供的碳纤维增强聚甲醛复合材料，比普通聚甲醛具有更好的抗热强度、弯曲强度、耐疲劳性强度，具有更好的耐磨性和尺寸稳定，并具有优良的导电性能，25%碳纤维增强聚甲醛表面电阻率和体积电阻率均可小于1×102数量级。
【IPC分类】C08L59-00, C08K9-00, C08K7-06, B29B9-06
【公开号】CN104710723
【申请号】CN201310672251
【发明人】李志刚, 虞建玲
【申请人】宁波博利隆复合材料科技有限公司
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2013年12月11日