专利名称：稀土改性碳纤维/聚丙烯复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料的制备方法，尤其涉及一种稀土改性碳纤维/聚丙烯复合材料的制备方法，采用经过稀土表面处理的碳纤维填充聚丙烯复合材料，以获得比较高的界面结合力，提高聚丙烯树脂基体的硬度，进而提高复合材料的力学性能和耐磨损性能。
背景技术：
聚丙烯(PP)是一种性能优良的热塑性合成树脂，具有比重小、无毒、易加工、抗冲击强度和抗扰曲性以及电绝缘性好等优点，是通用树脂中耐热性最好的产品，在汽车工业、家用电器、电子、包装及建材、家具等方面具有广泛的应用。但是聚丙烯也有一些不足，如具有较大的成型收缩率、低温易脆裂、耐磨性不足、热变形温度不高、耐候性差等。在实际生产中常采用改性的方法来赋予聚丙烯新的性能，其中主要包括使用共聚改性、接枝改性、交联改性以及填充改性的方法来改善聚丙烯的性能。在填充改性中已经使用了滑石粉填充改性、碳酸钙填充改性、硅灰石填充改性、玻璃微珠填充改性等方法。
碳纤维是60年代以来迅速发展的新型增强材料，具有强度高、质量轻、耐疲劳、性能优良、模量大和热膨胀系数低等优点，在复合材料领域里有广泛的应用。但碳纤维表面由于碳碳之间以非极性共价键相连接，碳纤维晶界间呈平行的石墨微晶的乱层结构，导致碳纤维比表面度很小、表面化学惰性和憎液性。碳纤维与基体材料的结合力不够大。聚丙烯是非极性聚烯烃，因而聚丙烯和碳纤维两者的相容性很差，界面结合力很弱，复合时容易在界面上形成空隙和缺陷，增强体与基体树脂难以形成有效粘结。复合材料界面是增强相与基体联系的纽带，也是增强相发挥有效能力的桥梁。为此，必须通过对碳纤维的表面改性以及对基体进行物理、化学改性等方法，来改善纤维与基体之间的浸润性，甚至在纤维与基体之间形成化学结合，以提高纤维与基体之间的界面结合程度，获得层间剪切强度高的复合材料。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种稀土改性碳纤维/聚丙烯复合材料的制备方法，具有工艺简单，增强效果优良的特点，能很好的改善碳纤维和聚丙烯基体的界面结合力，从而提高复合材料的综合性能。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中，先在室温下采用稀土改性剂对碳纤维进行表面改性处理，然后将处理后的碳纤维同聚丙烯复合，加入二硫化钼，进行机械共混，控制碳纤维的重量百分比为混合粉料的10～20％，再将混合粉料放入不锈钢模具中压制成型，经过高温烧结制成稀土改性碳纤维/聚丙烯复合材料。其中，稀土改性剂的组分包括稀土化合物、乙醇、乙二胺四乙酸、氯化铵、硝酸和尿素。
本发明的方法具体步骤为先将碳纤维在室温下浸入稀土改性剂中浸泡2～4小时，过滤后烘干。所采用的稀土改性剂的组分重量百分比为稀土化合物0.1～2％，乙醇95～99.7％，乙二胺四乙酸0.05～0.5％，氯化铵0.1～1％，硝酸0.02～0.5％，尿素0.03～1％。
然后将聚丙烯、碳纤维和二硫化钼按照一定比例混合，进行机械强力粉碎搅拌，搅拌均匀后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，先将炉温升温至110℃，保持60分钟，对预成型坯料进行预塑，此时压力控制在10～14MPa，然后再以60℃/小时的速度升温至190～220℃，保温1小时，使模压料成型，随后进行降温，采用随炉降温的方式，降温到80℃，具体降温时间视环境条件而定，在整个过程中压力始终保持在恒定压力下，当温度降到80℃以下后将压力去掉，将模压成型后的复合材料连同模具一起取出，随室温冷却，获得稀土改性碳纤维/聚丙烯复合材料。可以再机械加工成碳纤维/聚丙烯复合材料试样或零件。
其中，复合材料中聚丙烯、碳纤维和二硫化钼的重量百分比如下
聚丙烯79％～89％，碳纤维10％～20％，二硫化钼1％～10％。
本发明所述的稀土化合物为氯化镧、氯化铈、氧化镧或氧化铈。
本发明适用于各种碳纤维增强聚丙烯复合材料，其中碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，聚丙烯包括均聚型聚丙烯以及共聚型聚丙烯。
本发明可以解决碳纤维聚丙烯复合材料界面结合力差的问题，提高复合材料的力学性能和摩擦学性能，工艺方法简单，成本低，对环境无污染。采用经过稀土表面处理的碳纤维填充聚丙烯制成的复合材料和普通的同类材料相比，具有更好的力学性能和摩擦学性能。
具体实施例方式
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述，但不构成对本发明的限定。
实施例1所用的原材料包括聚丙烯粉粒，PP-K8303，北京燕山石油化工公司。碳纤维上海新卡碳素有限公司。所采用的稀土改性剂的组分重量百分比为稀土化合物0.1％，乙醇99.7％，乙二胺四乙酸0.05％，氯化铵0.1％，硝酸0.02％，尿素0.03％。
原材料各组分重量百分比如下聚丙烯89％碳纤维10％二硫化钼1％先在室温下将碳纤维浸入稀土改性剂中浸泡2小时，过滤后烘干。
然后将聚丙烯、碳纤维及二硫化钼按照上述比例混合，进行机械强力搅拌，搅拌均匀后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，先将炉温升温至110℃左右，保持60分钟，对预成型坯料进行预塑，此时压力控制在10MPa左右，然后再以60℃/小时的速度升温至220℃左右，保温1小时，使模压料成型，随后进行降温，采用随炉降温的方式，降温到80℃，在整个过程中压力始终保持在10MPa，当温度降到80℃以下后将压力去掉，将模压成型后的复合材料连同模具一起取出，随室温冷却。按照上述制得的复合材料按照标准测得其拉伸强度为80MPa。
作为对照例，在相同的纤维含量及复合材料制备工艺条件下，未处理的碳纤维增强聚丙烯复合材料拉伸强度为65MPa，可以看出，稀土改性剂处理对于复合材料拉伸性能提高最明显。
实施例2所用的原材料包括聚丙烯粉粒北京燕山石油化工公司生产的PP-K8303树脂粉粒。碳纤维上海新卡碳素有限公司生产。所采用的稀土改性剂的组分重量百分比为稀土化合物1.5％，乙醇96％，乙二胺四乙酸0.2％，氯化铵0.8％，硝酸0.5％，尿素1％。
原材料各组分重量百分比如下聚丙烯79％碳纤维11％二硫化钼10％先将碳纤维在室温下浸入稀土改性剂中浸泡4小时，过滤后烘干。
然后将聚丙烯、碳纤维、二硫化钼按照上述比例混合，进行机械强力搅拌，搅拌均匀后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，先将炉温升温至110℃左右，保持60分钟，对预成型坯料进行预塑，此时压力控制在12MPa左右，然后再以60℃/小时的速度升温至200℃左右，保温1小时，使模压料成型，随后进行降温，采用随炉降温的方式，降温到80℃，在整个过程中压力始终保持在12MPa，当温度降到80℃以下后将压力去掉，将模压成型后的复合材料连同模具一起取出，随室温冷却，制得碳纤维/聚丙烯耐磨复合材料。将上述材料机械加工成冲击试验样品和摩擦试验样品。
利用MMD-10型墙面磨损试验机，对复合材料进行摩擦磨损性能测试，并同偶联剂处理的碳纤维/聚丙烯复合材料相对比，实验结果表明经稀土处理的碳纤维/聚丙烯复合材料的摩擦磨损性能优于未表面处理的碳纤维/聚丙烯复合材料。
实施例3采用的原料比例同实施例1，只改变稀土改性剂的配比所采用的稀土改性剂的组分重量百分比为稀土化合物2％，乙醇95％，乙二胺四乙酸0.5％，氯化铵1％，硝酸0.5％，尿素1％。
先将碳纤维在室温下浸入稀土改性剂中浸泡3小时，过滤后烘干。
然后将聚丙烯、碳纤维、二硫化钼按照上述比例混合，进行机械强力搅拌，搅拌均匀后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，先将炉温升温至110℃左右，保持60分钟，对预成型坯料进行预塑，此时压力控制在14MPa左右，然后再以60℃/小时的速度升温至190℃左右，保温1小时，使模压料成型，随后进行降温，采用随炉降温的方式，降温到80℃，在整个过程中压力始终保持在14MPa，当温度降到80℃以下后将压力去掉，将模压成型后的复合材料连同模具一起取出，随室温冷却，制得碳纤维/聚丙烯耐磨复合材料。
将上述材料机械加工成复合材料试样，复合材料摩擦系数和磨损量的测定在MPV200型摩擦磨损试验机上进行，每次试验前，将样品及对偶环表面用丙酮棉球擦洗干净。试验结果摩擦系数小于0.2，载荷在500牛顿时，磨损量为200m/mg。
权利要求
1.一种稀土改性碳纤维/聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于先将碳纤维浸入稀土改性剂中浸泡2～4小时，过滤后烘干；将处理后的碳纤维按重量百分比10～20％同79～89％的聚丙烯、1～10％的二硫化钼进行机械共混，然后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，先将炉温升温至110℃，保持60分钟，对预成型坯料进行预塑，压力控制在10～14MPa，然后再以60℃/小时的速度升温至190～220℃，保温1小时，使模压料成型，随后采用随炉降温的方式降温到80℃后将压力去掉，将模压成型后的复合材料连同模具一起取出，随室温冷却，获得稀土改性碳纤维/聚丙烯复合材料；其中所述稀土改性剂的组分重量百分比为稀土化合物0.1～2％，乙醇95～99.7％，乙二胺四乙酸0.05～0.5％，氯化铵0.1～1％，硝酸0.02～0.5％，尿素0.03～1％。
2.如权利要求1的稀土改性碳纤维/聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于所述的稀土化合物为氯化镧、氯化铈、氧化镧或氧化铈。
3.如权利要求1的稀土改性碳纤维/聚丙烯复合材料制备方法，其特征在于所述的碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，聚丙烯为均聚型聚丙烯或共聚型聚丙烯。
全文摘要
本发明涉及一种稀土改性碳纤维/聚丙烯复合材料的制备方法，先在室温下采用稀土改性剂对碳纤维进行表面改性处理，然后将处理后的碳纤维同聚丙烯复合，加入二硫化钼，进行机械共混，控制碳纤维的重量百分比为混合粉料的10～20％，再将混合粉料放入不锈钢模具中压制成型，经过高温烧结制成稀土改性碳纤维/聚丙烯复合材料。其中，稀土改性剂的组分包括稀土化合物、乙醇、乙二胺四乙酸、氯化铵、硝酸和尿素。本发明工艺方法简单，成本低，对环境无污染，制得的复合材料具有很好的力学性能和摩擦学性能。
文档编号C08K7/06GK1807496SQ200610023248
公开日2006年7月26日 申请日期2006年1月12日 优先权日2006年1月12日
发明者程先华, 李健, 梁木子, 蒋喆 申请人:上海交通大学