一种高含量碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种碳纤维增强尼龙复合材料，属于复合材料领域，尤其涉及一种高含量碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法，具体适用于增强碳纤维与树脂的界面结合性，且提高复合材料中的碳纤维含量。

背景技术：

碳纤维具有高比强度、高比模量的特点，是一种良好的增强材料。目前，碳纤维增强热固性复合材料主要是通过真空导入的方式将热固性树脂均匀分散在碳纤维单丝之间，但由于碳纤维本身价格较高，使用热固性树脂制备的复合材料不能够回收利用，造成了资源浪费。

同时，现有技术中也有采用热塑性树脂，但由于热塑性树脂粘度较大，不仅增加加工难度，而且会导致碳纤维与热塑性树脂界面结合较差，尤其当碳纤维含量较高时，碳纤维与热塑性树脂的界面结合更差，极大地阻碍了碳纤维增强热塑性树脂的发展。

此外，现有的碳纤维增强尼龙复合材料，碳纤维含量大多在60%以下，不能充分发挥碳纤维优异的力学性能。

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的碳纤维与树脂界面结合较差、碳纤维含量较低的缺陷与问题，提供一种碳纤维与树脂界面结合较好、碳纤维含量较高的高含量碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种高含量碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法；所述制备方法包括以下步骤：

第一步：去除尼龙无纺布中的水分以得到无水尼龙无纺布，同时，去除碳纤维布的表面杂质以得到无杂质碳纤维布；

第二步：先将无杂质碳纤维布浸渍在醇溶尼龙无水乙醇溶液中以得到浸渍后碳纤维布，再将浸渍后碳纤维布取出，并烘干除去水分以得到干燥后碳纤维布；

第三步：先选取若干块上述干燥后碳纤维布与若干块无水尼龙无纺布，干燥后碳纤维布的质量占干燥后碳纤维布、无水尼龙无纺布质量之和的65%―80%，再将干燥后碳纤维布、无水尼龙无纺布交替叠加以得到层叠体，然后将层叠体放入模具中，再热压成型以得到所述的复合材料。

所述醇溶尼龙无水乙醇溶液的质量百分比浓度为0.5%―3%。

所述无杂质碳纤维布在醇溶尼龙无水乙醇溶液中的浸渍时间为8―16h。

所述热压成型包括依次进行的热压阶段、第一冷却阶段、第二冷却阶段；

所述热压阶段是指：在模具中对层叠体从上、下两个方向进行热压；

所述第一冷却阶段是指：在模具中对层叠体进行加压冷却；

所述第二冷却阶段是指：在模具中对层叠体进行冷却；

所述第二冷却阶段的冷却速率大于第一冷却阶段。

所述热压阶段中：加工温度为230―280℃，加工压力为5―30mpa，保压时间为20―40min。

所述第一冷却阶段中：冷却至170―200℃，冷却速率为1―5℃/min，且在170―200℃之间保压1―2h；

所述第二冷却阶段中：冷却至室温，冷却速率为20―30℃/min。

所述去除碳纤维布的表面杂质是指：先将碳纤维布放入丙酮溶液中浸泡4―6h，再超声10―30min，以去除碳纤布的表面杂质。

所述去除尼龙无纺布中的水分是指：先将尼龙无纺布放入烘箱中，再设置温度为80℃，然后保温8―12h，以去除尼龙无纺布中的水分。

所述尼龙无纺布是指尼龙6无纺布或尼龙66无纺布，其单位面积质量为40—120g/m²。

一种高含量碳纤维增强尼龙复合材料，所述复合材料采取上述一种高含量碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法所制作；所述复合材料中，每根碳纤维单丝上都浸润有尼龙树脂，该尼龙树脂由无水尼龙无纺布在热压成型时熔融后所得。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种高含量碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法中，先将无杂质碳纤维布浸渍在醇溶尼龙无水乙醇溶液中以得到浸渍后碳纤维布，再取出、烘干以得到干燥后碳纤维布，然后对干燥后碳纤维布、无水尼龙无纺布交替叠加所得的层叠体进行热压成型以得到所述的复合材料，在整个制备过程中，无杂质碳纤维布浸渍在醇溶尼龙无水乙醇溶液中能使碳纤维单丝表面附着有醇溶尼龙，以提高碳纤维单丝表面活性基团的数量，该醇溶尼龙在热压成型时能与尼龙无纺布的熔融体发生交联，利于尼龙无纺布的熔融体对碳纤维单丝进行充分的浸润，以形成良好的界面层，从而极大地提高碳纤维增强尼龙复合材料的力学性能，此外，该种浸润方式能确保碳纤维布的组织结构不因尼龙树脂的流动（尼龙无纺布的熔融体）而遭到破坏，进一步提升复合材料的力学性能。因此，本发明中碳纤维与树脂界面结合较好，制作的复合材料的力学性能较佳。

2、本发明一种高含量碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法中，复合材料由干燥后碳纤维布、无水尼龙无纺布交替叠加所得的层叠体进行热压成型而得，其中，干燥后碳纤维布的质量占干燥后碳纤维布、无水尼龙无纺布质量之和的65%―80%，该设计能确保最终所得的复合材料含有较大质量的碳纤维，充分发挥碳纤维优异的力学性能，从而提高所得复合材料的力学性能。因此，本发明中的碳纤维含量较高，制作的复合材料的力学性能较佳。

3、本发明一种高含量碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法中，对层叠体进行的热压成型优选为依次进行的热压阶段、第一冷却阶段、第二冷却阶段，其中，第二冷却阶段的冷却速率大于第一冷却阶段，该设计既能在第一冷却阶段提高尼龙树脂的结晶度，以提高复合材料的力学性能，又能在第二冷却阶段因尼龙树脂已结晶充分，为节省时间，而采用速冷，以提高冷却效率。因此，本发明不仅制作的复合材料的力学性能较佳，而且工作效率较高。

4、本发明一种高含量碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法中，被热压的层叠体由干燥后碳纤维布、无水尼龙无纺布构成，其中，干燥后碳纤维布、无水尼龙无纺布都不含有水分，该设计能避免材料热压成型过程中，因发生水分蒸发而使材料内部出现空洞等缺陷。因此，本发明的热压成型效果较好。

5、本发明一种高含量碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法中，主要包括无杂质碳纤维布在醇溶尼龙无水乙醇溶液中的浸渍步骤，以及最后进行的层叠体的热压成型步骤，不仅步骤数量较少，前后衔接性较好，而且制备方法易于操作，并能对热压成型时的压力、温度、时间进行控制，产品尺寸稳定性较好。因此，本发明不仅易于操作，而且产品可控性较强。

附图说明

图1是本发明中层叠体的结构示意图。

图中：空白的方块指的是无水尼龙无纺布，网格的方块指的是干燥后碳纤维布。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1，一种高含量碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

第一步：去除尼龙无纺布中的水分以得到无水尼龙无纺布，同时，去除碳纤维布的表面杂质以得到无杂质碳纤维布；

第二步：先将无杂质碳纤维布浸渍在醇溶尼龙无水乙醇溶液中以得到浸渍后碳纤维布，再将浸渍后碳纤维布取出，并烘干除去水分以得到干燥后碳纤维布；

第三步：先选取若干块上述干燥后碳纤维布与若干块无水尼龙无纺布，干燥后碳纤维布的质量占干燥后碳纤维布、无水尼龙无纺布质量之和的65%―80%，再将干燥后碳纤维布、无水尼龙无纺布交替叠加以得到层叠体，然后将层叠体放入模具中，再热压成型以得到所述的复合材料。

所述醇溶尼龙无水乙醇溶液的质量百分比浓度为0.5%―3%。

所述无杂质碳纤维布在醇溶尼龙无水乙醇溶液中的浸渍时间为8―16h。

所述热压成型包括依次进行的热压阶段、第一冷却阶段、第二冷却阶段；

所述热压阶段是指：在模具中对层叠体从上、下两个方向进行热压；

所述第一冷却阶段是指：在模具中对层叠体进行加压冷却；

所述第二冷却阶段是指：在模具中对层叠体进行冷却；

所述第二冷却阶段的冷却速率大于第一冷却阶段。

所述热压阶段中：加工温度为230―280℃，加工压力为5―30mpa，保压时间为20―40min。

所述第一冷却阶段中：冷却至170―200℃，冷却速率为1―5℃/min，且在170―200℃之间保压1―2h；

所述第二冷却阶段中：冷却至室温，冷却速率为20―30℃/min。

所述去除碳纤维布的表面杂质是指：先将碳纤维布放入丙酮溶液中浸泡4―6h，再超声10―30min，以去除碳纤布的表面杂质。

所述去除尼龙无纺布中的水分是指：先将尼龙无纺布放入烘箱中，再设置温度为80℃，然后保温8―12h，以去除尼龙无纺布中的水分。

所述尼龙无纺布是指尼龙6无纺布或尼龙66无纺布，其单位面积质量为40—120g/m²。

一种高含量碳纤维增强尼龙复合材料，所述复合材料采取上述一种高含量碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法所制作；所述复合材料中，每根碳纤维单丝上都浸润有尼龙树脂，该尼龙树脂由无水尼龙无纺布在热压成型时熔融后所得。

本发明的原理说明如下：

现有技术中，当碳纤维织物作为增强体时，由于碳纤排布较为致密，尼龙树脂不能充分浸润碳纤维单丝，同时，由于碳纤维表面官能团较少，纤维与树脂的界面结合效果较差，尤其当碳纤维含量较高时，缺陷更为明显，针对这个缺陷，本发明提供一种高含量碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，不仅能确保碳纤维的含量高于65%，而且能显著地提高复合材料的力学性能，其主要技术方案是：先对碳纤布进行预处理（浸渍），以使碳纤维单丝表面附着有部分尼龙树脂（即醇溶尼龙），从而提高碳纤维单丝表面活性基团的数量，该醇溶尼龙在热压成型时能与尼龙无纺布的熔融体发生交联，利于热压过程中尼龙树脂充分的浸润到碳纤维单丝中，以形成良好的界面层，使得复合材料力学性能提升明显。同时，该种浸润过程还能对碳纤布的组织结构进行保护，使其不会因树脂的流动而遭到破坏，从而极大地提高碳纤维增强尼龙复合材料的力学性能。

本发明中的碳纤维布优选为碳纤维平纹布、斜纹布、缎纹布或单向布，纤维直径为5―10μm。

本发明中碳纤布的表面杂质主要是指碳纤布表面的上浆剂（主要是环氧类浆料）与灰尘，环氧类浆料在热压过程中不利于尼龙树脂浸润碳纤维。

本发明中的层叠体中，相邻的两层无水尼龙无纺布之间为一层干燥后碳纤维布，相邻的两层干燥后碳纤维布之间为一层无水尼龙无纺布，具体结构可参见图1，此外，本发明中“若干块上述干燥后碳纤维布与若干块无水尼龙无纺布”是指：干燥后碳纤维布、无水尼龙无纺布的数量都为自然数。

实施例1：

一种高含量碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步：去除尼龙无纺布中的水分以得到无水尼龙无纺布，同时，去除碳纤维布的表面杂质以得到无杂质碳纤维布；

第二步：先将无杂质碳纤维布浸渍在醇溶尼龙无水乙醇溶液中以得到浸渍后碳纤维布，再将浸渍后碳纤维布取出，并烘干除去水分以得到干燥后碳纤维布；优选醇溶尼龙无水乙醇溶液的质量百分比浓度为0.5%―3%；优选无杂质碳纤维布在醇溶尼龙无水乙醇溶液中的浸渍时间为8―16h；

第三步：先选取若干块上述干燥后碳纤维布与若干块无水尼龙无纺布，干燥后碳纤维布的质量占干燥后碳纤维布、无水尼龙无纺布质量之和的65%―80%，再将干燥后碳纤维布、无水尼龙无纺布交替叠加以得到层叠体，然后将层叠体放入模具中，再热压成型以得到所述的复合材料。

一种高含量碳纤维增强尼龙复合材料，所述复合材料采取上述一种高含量碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法所制作；所述复合材料中，每根碳纤维单丝上都浸润有尼龙树脂，该尼龙树脂由无水尼龙无纺布在热压成型时熔融后所得。

实施例2：

基本内容同实施例1，不同之处在于：

所述热压成型包括依次进行的热压阶段、第一冷却阶段、第二冷却阶段；

所述热压阶段是指：在模具中对层叠体从上、下两个方向进行热压；

所述第一冷却阶段是指：在模具中对层叠体进行加压冷却；

所述第二冷却阶段是指：在模具中对层叠体进行冷却；

所述第二冷却阶段的冷却速率大于第一冷却阶段。

实施例3：

基本内容同实施例2，不同之处在于：

所述热压阶段中：加工温度为230―280℃，加工压力为5―30mpa，保压时间为20―40min。

所述第一冷却阶段中：冷却至170―200℃，冷却速率为1―5℃/min，且在170―200℃之间保压1―2h；所述第二冷却阶段中：冷却至室温，冷却速率为20―30℃/min。

实施例4：

基本内容同实施例1，不同之处在于：

所述去除碳纤维布的表面杂质是指：先将碳纤维布放入丙酮溶液中浸泡4―6h，再超声10―30min，以去除碳纤布的表面杂质。

所述去除尼龙无纺布中的水分是指：先将尼龙无纺布放入烘箱中，再设置温度为80℃，然后保温8―12h，以去除尼龙无纺布中的水分。

实施例5：

基本内容同实施例1，不同之处在于：

所述尼龙无纺布是指尼龙6无纺布或尼龙66无纺布，其单位面积质量为40—120g/m²。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。