高浸润性高强度连续碳纤维增强聚偏氟乙烯复合材料及制法
【专利摘要】本发明涉及高浸润性高强度连续碳纤维增强聚偏氟乙烯复合材料及其制备方法，将60-90份PVDF树脂、0.1-0.5份抗氧剂、0.1-0.6份润滑剂加入到高混机中，混合好的物料加入到双螺杆挤出机中；采用连接于挤出机头的连续纤维增强PVDF树脂的浸渍设备，将挤出机挤出的熔体从浸渍设备的熔体入口处挤入到浸渍槽中；连续碳纤维先从浸渍设备的纤维入口处进入到浸渍设备中的表面处理室，进行表面处理，然后进入浸渍设备的浸渍槽中，与所得PVDF熔体进行充分浸润；通过牵引机从浸渍设备的定型口模牵出，并通过切粒机切粒得到复合材料产品。与现有技术相比，本发明再生碳纤维增强PVDF复合材料密度低，强度高，力学性能优异，具有节能环保、成本低等优点。
【专利说明】高浸润性高强度连续碳纤维增强聚偏氟乙烯复合材料及制 法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高分子材料回收【技术领域】，具体涉及一种高浸润性高强度连续碳纤维 增强聚偏氟乙烯复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 聚偏氟乙烯（PVDF)在氟塑料中具有最强韧性、低摩擦系数、耐腐蚀性强、耐老化 性、耐气候，耐辐照性能好等特点，因此被广泛的应用于涂料、石油化工设备管道、功能膜等 领域。但是PVDF自身强度低，限制了其在某些对制品强度要求较高领域的应用。
[0003] 连续纤维增强聚偏氟乙烯复合材料是以连续纤维，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维 等无机或有机纤维作为增强材料，以聚偏氟乙烯树脂为基体，通过特殊工艺制造的新型复 合材料；与短纤维或长纤维增强的聚偏氟乙烯复合材料相比，连续纤维增强的聚偏氟乙烯 复合材料力学性能有了质的飞跃，具有重量轻、比强度高、比模量高、耐腐蚀性好等优异性 能，特别适合用于汽车、飞机、防护及其他对力学性能要求较高、需要减轻重量的用途，是当 今复合材料市场中发展最快的材料之一。
[0004] 碳纤维是一种具有很高强度和模量的耐高温纤维、密度低，这些优异的特性赋予 了碳纤维复合材料具有很高的力学性能，是其他玻璃纤维等增强复合材料所无法比拟的， 因此被广泛的应用于航空航天、汽车工业、轨道交通、新能源、体育用品等高新技术产业领 域。而采用连续碳纤维增强的复合材料性能与其他连续纤维增强复合材料相比，具有更高 的力学性能，同时重量轻，具有很广的应用领域。
[0005] 但是连续碳纤维增强PVDF复合材料制备的技术关键在于纤维的分散与浸渍。纤 维分散效果的好坏、树脂能否完全浸润到纤维当中、以及纤维与树脂的相容性直接决定着 最终产品性能的优劣。而对现有专利技术检索发现，并未有连续碳纤维增强PVDF复合材料 的相关报道。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种节能环保的高 浸润性高强度连续碳纤维增强聚偏氟乙烯复合材料及其制备方法。
[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高浸润性高强度连续碳纤维增 强聚偏氟乙烯复合材料，其特征在于，包含以下重量份的组分：
[0008] PVDF 树脂 60-90 份， 连续碳纤维 KMO份， 抗氧剂 0,1-0.7份， 润滑剂 0.1-0.6份，
[0009] 纤维表面处理剂，其含量为相对于连续碳纤维的质量百分含量为1-3%。
[0010] 所述的连续碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维或浙青基碳纤维。
[0011] 所述的纤维表面处理剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或 一种以上。
[0012] 所述的抗氧剂为四（β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸季戊四醇酯）（抗氧 剂1010)、3, 5-二叔丁基-4-羟基苯丙酰-己二胺（抗氧剂1098)、磷酸三-(2,4-二叔丁基 苯酚酯）（抗氧剂168)中的一种或一种以上。
[0013] 所述的润滑剂为硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸锌、乙撑双硬脂酰胺（EBS)、芥酸酰胺中 的一种或一种以上。
[0014] 一种高浸润性高强度连续碳纤维增强聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在 于，该方法包括以下步骤：
[0015] (1)将60-90份PVDF树脂、0· 1-0. 5份抗氧剂、0· 1-0. 6份润滑剂加入到高混机中， 常温下高速混合3-5min后停止，然后将混合好的物料加入到双螺杆挤出机中；
[0016] (2)采用连接于挤出机头的连续纤维增强PVDF树脂的浸渍设备，将挤出机挤出的 熔体从浸渍设备的熔体入口处挤入到浸渍槽中；
[0017] (3)连续碳纤维先从浸渍设备的纤维入口处进入到浸渍设备中的表面处理室，表 面处理室中的纤维表面处理剂对连续碳纤维进行表面处理，然后表面处理好的碳纤维紧接 着进入浸渍设备的浸渍槽中，在浸渍槽中碳纤维进行分散并与步骤（2)所得PVDF熔体进行 充分浸润；
[0018] (4)步骤（3)所得充分浸润有PVDF树脂后的碳纤维通过牵引机从浸渍设备的定 型口模牵出，并通过切粒机切粒得到复合材料产品。
[0019] 所述的双螺杆挤出机的螺杆直径为50mm，长径比为44 : 1，挤出机温度为 160-2KTC，浸渍设备的浸渍槽温度设定在220°C ;
[0020] 所述的复合材料产品中碳纤维含量通过调节浸渍设备的定型口模尺寸在2-5mm 和挤出机的转速及喂料速度来控制在10-40%之间；通过调节切粒机切刀转速，使最终 制备得到的连续碳纤维增强聚丙烯复合材料产品的颗粒长度控制在8-12mm，粒径控制在 1-5mm η
[0021] 与现有技术相比，本发明实现了纤维的表面处理、纤维分散和与树脂浸润复合在 一个浸渍设备中连续完成，简化了生产工艺；得到的复合材料中碳纤维与PVDF不仅具有很 好的浸润性，而且碳纤维与PVDF在浸润前通过表面处理剂处理，使两者有了很好的界面结 合性；制备得到的连续碳纤维增强PVDF复合材料力学性能优异，同时密度低，复合材料可 以广泛的应用于航空航天，汽车，机械，电子电器，家电等产品零部件。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
[0023] 以下实施例中，弯曲性能测试标准为ASTM D790,无缺口冲击强度测试标准为ASTM D256。
[0024] 实施例1
[0025] 称取60份PVDF树脂、0. 3份抗氧剂1010、0. 1份抗氧剂168、0. 1份润滑剂EBS在 高混机中常温混合5min，然后加入到双螺杆挤出机挤出，所得熔体从浸渍设备的熔体进入 口挤入到浸渍设备的浸渍槽中；
[0026] 将连续碳纤维（日本东丽公司，牌号T300)从浸渍设备的纤维入口处引入，进入 浸渍设备的表面处理室，控制表面处理剂娃烧偶联剂KH560相对于碳纤维的重量含量为 1%，然后将经表面处理剂处理后的碳纤维引入到浸渍设备的浸渍槽中，实现碳纤维的分 散并与PVDF树脂进行复合；通过选择定型口模的尺寸（2_)，同时调整挤出机的主机转速 13-14取，喂料速度在9-10取，控制连续碳纤维含量在40%左右；调节切粒机的转速，使制 备得到的连续碳纤维增强PVDF复合材料的长度在IOmm左右，粒径在3mm左右；
[0027] 双螺杆挤出机的直接为50mm，螺杆长径比44 : 1，双螺杆机各区温度为：1区 160°C，2 区 170°C，3 区 170°C，4 区 180°C，5 区 180°C，6 区 190°C，7 区 190°C，8 区 200°C，9 区210°C，浸渍槽220°C。
[0028] 实施例2
[0029] 称取80份PVDF树脂、0. 5份抗氧剂1098、0. 2份抗氧剂168、0. 3份润滑剂硬脂酸 钙在高混机中常温混合3min，然后加入到双螺杆挤出机挤出，将熔体从浸渍设备的熔体进 入口挤入到浸渍设备的浸渍槽中；
[0030] 将连续碳纤维（日本东丽公司，牌号T300J)从浸渍设备的纤维入口处引入，进入 浸渍设备的表面处理室，控制表面处理剂钛酸酯偶联剂异丙基三异十八酰钛酸酯相对于碳 纤维的重量含量为2%，然后将经表面处理剂处理后的碳纤维引入到浸渍设备的浸渍槽中， 实现碳纤维的分散并与PVDF脂进行复合；通过选择定型口模的尺寸（4_)，同时调整挤出 机的主机转速13-14!12，喂料速度在9-10取，控制连续碳纤维含量在20%左右 ；调节切粒机 的转速，使制备得到的连续碳纤维增强PVDF复合材料的长度在IOmm左右，粒径在3mm左 右；
[0031] 双螺杆挤出机的直接为50mm，螺杆长径比44 : 1，双螺杆机各区温度为：1区 160°C，2 区 170°C，3 区 170°C，4 区 180°C，5 区 180°C，6 区 190°C，7 区 190°C，8 区 200°C，9 区210°C，浸渍槽220°C。
[0032] 实施例3
[0033] 称取90份PVDF树脂、0. 3份抗氧剂1098、0. 1份抗氧剂168、0. 6份润滑剂硬脂酸 在高混机中常温混合5min，然后加入到双螺杆挤出机挤出，将熔体从浸渍设备的熔体进入 口挤入到浸渍设备的浸渍槽中；
[0034] 将连续碳纤维（日本东丽公司，牌号T700S)从浸渍设备的纤维入口处引入，进入 浸渍设备的表面处理室，控制表面处理剂铝酸酯偶联剂二硬脂酰氧异丙基铝酸酯相对于碳 纤维的重量含量为3%，然后将经表面处理剂处理后的碳纤维引入到浸渍设备的浸渍槽中， 实现碳纤维的分散并与PVDF树脂进行复合；通过选择定型口模的尺寸（5_)，同时调整挤 出机的主机转速15-16取，喂料速度在11-12取，控制连续碳纤维含量在5%左右；调节切粒 机的转速，使制备得到的连续碳纤维增强PVDF复合材料的长度在IOmm左右，粒径在3mm左 右；
[0035] 双螺杆挤出机的直接为50mm，螺杆长径比44 : 1，双螺杆机各区温度为：1区 160°C，2 区 170°C，3 区 170°C，4 区 180°C，5 区 180°C，6 区 190°C，7 区 190°C，8 区 200°C，9 区210°C，浸渍槽220°C。
[0036] 实施例4
[0037] 称取70份PVDF树脂、0. 3份抗氧剂1010、0. 1份抗氧剂168、0. 6份润滑剂硬脂酸 锌在高混机中常温混合5min，然后加入到双螺杆挤出机挤出，将熔体从浸渍设备的熔体进 入口挤入到浸渍设备的浸渍槽中；
[0038] 将连续碳纤维（日本东丽公司，牌号T800H)从浸渍设备的纤维入口处引入，进入 浸渍设备的表面处理室，控制表面处理剂铝酸酯偶联剂二硬脂酰氧异丙基铝酸酯相对于碳 纤维的重量含量为2%，然后将经表面处理剂处理后的碳纤维引入到浸渍设备的浸渍槽中， 实现碳纤维的分散并与PVDF树脂进行复合；通过选择定型口模的尺寸（3_)，同时调整挤 出机的主机转速13-14取，喂料速度在8-9取，控制连续碳纤维含量在30%左右；调节切粒 机的转速，使制备得到的连续碳纤维增强PVDF复合材料的长度在IOmm左右，粒径在3mm左 右；
[0039] 双螺杆挤出机的直接为50mm，螺杆长径比44 : 1，双螺杆机各区温度为：1区 160°C，2 区 170°C，3 区 170°C，4 区 180°C，5 区 180°C，6 区 190°C，7 区 190°C，8 区 200°C，9 区210°C，浸渍槽220°C。
[0040] 对比例
[0041] 称取100份PVDF树脂、0. 5份抗氧剂1098、0. 2份抗氧剂168、0. 3份润滑剂芥酸酰 胺在高混机中常温混合3min，然后加入到双螺杆挤出机挤出，冷却切粒，得到长度在4mm左 右,粒径在3mm左右；
[0042] 双螺杆挤出机的直接为50mm，螺杆长径比44 : 1，双螺杆机各区温度为：1区 160°C，2 区 170°C，3 区 170°C，4 区 180°C，5 区 180°C，6 区 190°C，7 区 190°C，8 区 200°C，9 区210°C，浸渍槽220°C。
[0043] 各实施例力学性能测试结果如下表1所示：
[0044] 表1力学性能测试结果
[0045]
【权利要求】
1. 一种高浸润性高强度连续碳纤维增强聚偏氟乙烯复合材料，其特征在于，包含以下 重量份的组分： PVDF 树脂 60-90 份， 连续碳纤维 KMO份， 抗氧剂 0.1-0.7份， 润滑剂 0.1-0.6份， 纤维表面处理剂，其含量为相对于连续碳纤维的质量百分含量为1-3%。
2. 根据权利要求1所述的高浸润性高强度连续碳纤维增强聚偏氟乙烯复合材料，其特 征在于，所述的连续碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维或浙青基碳纤维。
3. 根据权利要求1所述的高浸润性高强度连续碳纤维增强聚偏氟乙烯复合材料，其特 征在于，所述的纤维表面处理剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或一 种以上。
4. 根据权利要求1所述的高浸润性高强度连续碳纤维增强聚偏氟乙烯复合材料，其特 征在于，所述的抗氧剂为四（β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸季戊四醇酯）（抗氧剂 1010)、3, 5-二叔丁基-4-羟基苯丙酰-己二胺（抗氧剂1098)、磷酸三-(2,4-二叔丁基苯 酚酯）（抗氧剂168)中的一种或一种以上。
5. 根据权利要求1所述的高浸润性高强度连续碳纤维增强聚偏氟乙烯复合材料，其特 征在于，所述的润滑剂为硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸锌、乙撑双硬脂酰胺（EBS)、芥酸酰胺中 的一种或一种以上。
6. -种如权利要求1所述的高浸润性高强度连续碳纤维增强聚偏氟乙烯复合材料的 制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： (1) 将60-90份PVDF树脂、0. 1-0. 5份抗氧剂、0. 1-0. 6份润滑剂加入到高混机中，常温 下高速混合3-5min后停止，然后将混合好的物料加入到双螺杆挤出机中； (2) 采用连接于挤出机头的连续纤维增强PVDF树脂的浸渍设备，将挤出机挤出的熔体 从浸渍设备的熔体入口处挤入到浸渍槽中； (3) 连续碳纤维先从浸渍设备的纤维入口处进入到浸渍设备中的表面处理室，表面处 理室中的纤维表面处理剂对连续碳纤维进行表面处理，然后表面处理好的碳纤维紧接着进 入浸渍设备的浸渍槽中，在浸渍槽中碳纤维进行分散并与步骤（2)所得PVDF熔体进行充分 浸润； (4) 步骤（3)所得充分浸润有PVDF树脂后的碳纤维通过牵引机从浸渍设备的定型口模 牵出，并通过切粒机切粒得到复合材料产品。
7. 根据权利要求6所述的高浸润性高强度连续碳纤维增强聚偏氟乙烯复合材料， 其特征在于，所述的双螺杆挤出机的螺杆直径为50mm，长径比为44 : 1，挤出机温度为 160-2KTC，浸渍设备的浸渍槽温度设定在220°C。
8. 根据权利要求6所述的高浸润性高强度连续碳纤维增强聚偏氟乙烯复合材料，其 特征在于，所述的复合材料产品中碳纤维含量通过调节浸渍设备的定型口模尺寸在2-5mm 和挤出机的转速及喂料速度来控制在10-40 %之间；通过调节切粒机切刀转速，使最终 制备得到的连续碳纤维增强聚丙烯复合材料产品的颗粒长度控制在8-12mm，粒径控制在 l-5mm〇
【文档编号】B29C47/92GK104371229SQ201410620345
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】宋晨晨, 袁角亮, 杨斌, 王新灵 申请人:上海交通大学