一种聚丙烯-碳纤维复合材料及其制备方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种聚丙烯-碳纤维复合材料，特别是涉及一种用于自行车配件的聚 丙烯-碳纤维复合材料及其制备方法。
【背景技术】：
[0002] 碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维，是由有机母体纤维(聚丙烯睛、粘胶 丝或沥青等)采用高温分解法在1000_3000°C高温的惰性气体下碳化制成的。它是一种力学 性能优异的新材料，比重不到钢的1/4,能像铜那样导电，比不锈钢还耐腐蚀，而其复合材料 抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为23000-43000Mpa，也高于 钢。碳纤维按其原料可分为三类:聚丙烯腈基(PAN)碳纤维、石油沥青基碳纤维和人造丝碳 纤维三类，其中聚丙烯腈基碳纤维用途最广，需求也最大。
[0003] 碳纤维/聚合物复合材料，也就是通常说的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)，是 目前最先进的复合材料之一，它以轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛 用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料，是其他纤维增强复合材料所无法比拟的。这些材料在 上世纪60、70年代开始应用，现在技术已经非常成熟了。CFRP中的树脂基体包括环氧树脂、 聚丙烯、双马来酰亚胺树脂、聚酯树脂、氰酸树脂等，CFRP的性能受树脂基体性能的影响比 较大。
[0004] 例如，公开号为CN10439873A、公开日为2014.09.10、申请人为东丽株式会社的中 国专利公开了"一种碳纤维增强聚丙烯片材及其成型品"，其包含质量平均纤维长度为 1.5mm~20mm的碳纤维和含有聚丙烯及酸改性聚丙烯的基体树脂，碳纤维呈单纤维状分散， 并且碳纤维和基体树脂的界面剪切强度为5.50~10.5MPa。该片材能成型复杂的形状，力学 特性为各项同性，可得到力学特性和耐冲击性能优异的成型品，从力学特性的观点考虑，优 选用于电气、电子设备用的机箱、土木、建材用的面板、汽车用的结构部件、航空器用的部 件，尤其是从力学特性及耐冲击性的观点考虑，优选用于汽车、自行车用结构部件。不过，该 发明存在阻燃性能较差的缺陷，在用于自行车配件方面时这一点不如金属材料。
【发明内容】
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[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种聚丙烯-碳纤维复合材料，其具有很好的阻 燃性能。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
[0007] 一种聚丙烯-碳纤维复合材料，其组份以及重量份数为：聚丙烯树脂50~60份，润 滑剂0.5~1份，相容剂3~5份，增韧剂4~6份，防老剂1~2份，抗静电剂2~4份，耐腐蚀剂1 ~3份，增塑剂3~5份，碳纤维15~20份，纳米氧化钙16~20份，PEI 9~12份。
[0008] 优选地，本发明所述聚丙烯树脂为均聚型聚丙烯树脂。
[0009 ]优选地，本发明所述润滑剂为聚乙烯蜡。
[0010]优选地，本发明所述相容剂为PP-g-MAH〇
[0011] 优选地，本发明所述增韧剂为POE或EPR。
[0012] 优选地，本发明所述防老剂为硫代二丙酸双十八酯。
[0013] 优选地，本发明所述抗静电剂为离子液体类抗静电剂。
[0014] 优选地，本发明所述耐腐蚀剂为聚四氟乙烯。
[0015] 优选地，本发明所述增塑剂为邻苯二甲酸酯。
[0016] 本发明要解决的另一技术问题是提供上述聚丙烯-碳纤维复合材料的制备方法。
[0017] 为解决上述技术问题，技术方案是：
[0018] -种聚丙烯-碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0019] (1)按配方量称取各组分，将碳纤维与纳米氧化钙粉体加入搅拌机搅拌5小时，取 出后加入无水乙醇中制得质量分数为4 %的混合溶液，将十八醇加入混合溶液中，球磨16小 时后超声分散1小时，静置10小时后8000r/min下离心30分钟，取出下层浆液，置于真空干燥 箱中110 °C下干燥8小时，得到改性混合物；
[0020] (2)将聚丙烯树脂、润滑剂、增韧剂、防老剂、抗静电剂、耐腐蚀剂、增塑剂以及步骤 (1)得到的改性混合物加入高混机，混合6分钟后将相容剂、PEI加入高混机继续混合6分钟， 得到混合料；
[0021] (3)将步骤(2)得到的混合料放入平板硫化机的模具中，将炉温升至140°C后保温1 小时，压力为12MPa，然后以50°C/小时的速度升温至220-240°C，保温1小时，随炉降温至90 °C后泄压，将模具取出，自然冷却至室温，得到聚丙烯-碳纤维复合材料。
[0022] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0023] 1)纳米氧化钙是一种阻燃耐火性能优异的无机材料，不过其与碳纤维的表面一样 均含有羟基呈亲水性，表面自由能高，容易团聚，与聚丙烯基体相容性不佳，因此本发明先 将二者混合，再用十八醇对其进行表面改性，十八醇与纳米氧化钙、碳纤维表面的羟基发生 酯化反应，降低了表面自由能，在二者的表面形成了一层有机包覆膜，将二者表面的亲水性 变成了亲油性，改善了二者与聚丙烯基体之间的相容性，在复合材料处于燃烧环境中时纳 米氧化钙会在复合材料表面形成一层氧化膜，有效隔绝了复合材料与氧气的接触，从而大 大提高了复合材料的阻燃性能。
[0024] 2)PEI是聚醚酰亚胺的英文简写，是一种阻燃性优异的工程塑料，其氧指数高达47 左右，不过其与聚丙烯基体之间的相容性也不是很好，因此本发明添加了相容剂以改善二 者的相容性，使得PEI能更好地与聚丙烯基体相结合，提高了复合材料的氧指数，从而进一 步提高复合材料的阻燃性能。
【具体实施方式】：
[0025] 下面将结合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。
[0026] 实施例1
[0027]聚丙烯-碳纤维复合材料，其组份以及重量份数为：均聚型聚丙烯树脂55份，聚乙 烯蜡0.6份，PP-g-MAH 3份，Ρ0Ε 6份，硫代二丙酸双十八酯1.4份，离子液体类抗静电剂3.5 份，聚四氟乙烯1.5份，邻苯二甲酸酯4份，碳纤维15份，纳米氧化钙17份，PEI 10份。
[0028]其制备方法包括以下步骤：
[0029] (1)按配方量称取各组分，将碳纤维与纳米氧化钙粉体加入搅拌机搅拌5小时，取 出后加入无水乙醇中制得质量分数为4 %的混合溶液，将十八醇加入混合溶液中，球磨16小 时后超声分散1小时，静置10小时后8000r/min下离心30分钟，取出下层浆液，置于真空干燥 箱中110 °C下干燥8小时，得到改性混合物；
[0030] (2)将均聚型聚丙烯树脂、聚乙烯蜡、Ρ0Ε、硫代二丙酸双十八酯、离子液体类抗静 电剂、聚四氟乙烯、邻苯二甲酸酯以及步骤(1)得到的改性混合物加入高混机，混合6分钟后 将PP-g-MAH、PEI加入高混机继续混合6分钟，得到混合料；
[0031] (3)将步骤(2)得到的混合料放入平板硫化机的模具中，将炉温升至140°C后保温1 小时，压力为12MPa，然后以50°C/小时的速度升温至220-240°C，保温1小时，随炉降温至90 °C后泄压，将模具取出，自然冷却至室温，得到聚丙烯-碳纤维复合材料。
[0032] 实施例2
[0033]聚丙烯-碳纤维复合材料，其组份以及重量份数为：均聚型聚丙烯树脂54份，聚乙 烯蜡0.9份，PP-g-MAH 5份，EPR 4份，硫代二丙酸双十八酯1.2份，离子液体类抗静电剂2.5 份，聚四氟乙烯2份，邻苯二甲酸酯4.5份，碳纤维17份，纳米氧化钙19份，PEI 12份。
[0034]其制备方法包括以下步骤：
[0035] (1)按配方量称取各组分，将碳纤维与纳米氧化钙粉体加入搅拌机搅拌5小时，取 出后加入无水乙醇中制得质量分数为4 %的混合溶液，将十八醇加入混合溶液中，球磨16小 时后超声分散1小时，静置10小时后8000r/min下离心30分钟，取出下层浆液，置于真空干燥 箱中110 °C下干燥8小时，得到改性混合物；
[0036] (2)将均聚型聚丙烯树脂、聚乙烯蜡、EPR、硫代二丙酸双十八酯、离子液体类抗静 电剂、聚四氟乙烯、邻苯二甲酸酯以及步骤(1)得到的改性混合物加入高混机，混合6分钟后 将PP-g-MAH、PEI加入高混机继续混合6分钟，得到混合料；
[0037] (3)将步骤(2)得到的混合料放入平板硫化机的模具中，将炉温升至140°C后保温1 小时，压力为12MPa，然后以50°C/小时的速度升温至220-240°C，保温1小时，随炉降温至90 °C后泄压，将模具取出，自然冷却至室温，得到聚丙烯-碳纤维复合材料。
[0038] 实施例3
[0039]聚丙烯-碳纤维复合材料，其组份以及重量份数为：均聚型聚丙烯树脂56份，聚乙 烯蜡0.8份，PP-g-MAH 3.5份，Ρ0Ε 4.5份，硫代二丙酸双十八酯1份，离子液体类抗静电剂4 份，聚四氟乙烯3份，邻苯二甲酸酯3份，碳纤维19份，纳米氧化钙16.5份，PEI 10.5份。
[0040] 其制备方法包括以下步骤：
[0041] (1)按配方量称取各组分，将碳纤维与纳米氧化钙粉体加入搅拌机搅拌5小时，取 出后加入无水乙醇中制得质量分数为4 %的混合溶液，将十八醇加入混合溶液中，球磨16小 时后超声分散1小时，静置10小时后8000r/min下离心30分