本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维掺杂聚丙烯复合材料及其制备方法与应用。
背景技术：
聚丙烯(pp)是一种重要的塑料，其原料丰富、价格低廉、工艺简便、应用广泛。然而，聚丙烯的冲击韧性较低，收缩率较大，导致聚丙烯在使用过程中易受到拉伸、弯曲、冲击等外力的影响而出现应力发白现象，严重时还会影响产品的性能和质量，因而在一定程度上限制了它应用的广泛性。
技术实现要素：
本发明提供了一种碳纤维掺杂聚丙烯复合材料及其制备方法与应用，解决了现有的聚丙烯材料的冲击韧性较低，收缩率较大，导致聚丙烯在使用过程中易受到拉伸、弯曲、冲击等外力的影响而出现应力发白现象，严重时还会影响产品的性能和质量的问题。
其具体技术方案如下：
本发明提供了一种碳纤维掺杂聚丙烯复合材料，按重量份计，包括以下组分：
pp树脂45-80份；
碳纤维8-34份；
聚酰亚胺树脂14-27份；
纳米二氧化硅2-10份；
抗氧剂3-6份；
相容剂1-2份。
碳纤维是一种高比强度、高比模量、耐高温、抗腐蚀、抗蠕变性能好、导电、导热及热膨胀系数小的优异材料，同时聚酰亚胺本身也具有的耐热性和耐低温性、化学稳定性以及耐磨性高的特性。本发明通过结合pp树脂、碳纤维和聚酰亚胺，制备得到拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、缺口冲击强度、导电性能和流动性方面均表现良好，且轻量化、耐高温耐磨损的复合材料。其中，复合材料拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量的提高，主要是由碳纤维来提供，碳纤维材料本身就具备高强度的特性；缺口冲击强度的提高，由碳纤维和增韧剂共同提供，由于碳纤维在加工过程中并没有被剪切破坏，使得复合材料抵抗缺口冲击破坏能力加强；流动性的提高，是因为碳纤维内部是类似石墨的层状结构，相比玻璃纤维的针状结构，润滑性更好，宏观表现流动性要稍高。
优选地，按重量份计，pp树脂50～80份；
碳纤维10～30份；
聚酰亚胺树脂15～25份；
纳米二氧化硅4～8份；
抗氧剂3～6份；
相容剂1～2份。
本发明中，pp树脂为环氧改性的pp树脂，在制备pp树脂的过程中通过添加增韧剂对其进行改性。增韧剂填充在纤维与基体树脂的缝隙中，吸收较多冲击能量，使得复合材料抵抗缺口冲击破坏能力进一步加强。所述增韧剂的添加量优选为pp树脂的8wt％～10wt％。所述增韧剂优选为液体端羧基丁腈橡胶，其中，液体端羧基丁腈橡胶中丙烯腈的含量控制在15～25wt％时复合材料的效果较好。此外在环氧改性pp树脂在制备过程中还加入了纳米二氧化硅，其中，所述纳米二氧化硅的添加量优选为所述pp树脂的28wt％。
本发明中，所述碳纤维的长度为40-60nm；
所述纳米二氧化硅的粒径为15-25nm。
本发明中，所述抗氧化剂选自受阻酚类抗氧化剂、硫代酯类抗氧化剂或亚磷酸酯类抗氧剂。
所述受阻酚类抗氧化剂为1,3,5-三(4-叔丁基-3-羟基-2,6-二甲基苯基)-三嗪酮；
所述硫代酯类抗氧化剂为硫代二丙酸二硬脂醇酯；
所述亚磷酸酯类抗氧化剂为三月桂基亚磷酸酯。
所述相容剂选自马来酸酐接枝聚丙烯pp-g-mah或丙烯-醋酸乙烯接枝马来酸酐。
本发明还提供了上述碳纤维掺杂聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将pp树脂和纳米二氧化硅混合，然后加入溶剂进行混合，依次进行超声分散、静置、离心后，取下层浆液，得到改性pp树脂；
步骤2：将改性pp树脂与抗氧化剂和第一份碳纤维进行混合，再加入聚酰亚胺树脂和相容剂进行混合，得到混合物料，然后采用双螺杆挤出机熔融挤出，得到挤出物料；
步骤3：将第二份碳纤维进行预热处理后，取所述第二份碳纤维与所述挤出物料加入双螺旋挤出机中进行熔融共混，挤出后切粒，得到所述碳纤维掺杂聚丙烯复合材料。
本发明提供的碳纤维掺杂聚丙烯复合材料的制备方法简单，且加工设备成本不高。该制备方法中，碳纤维分多次加入的方式填补了碳纤维丝之间的缝隙，碳纤维自身具备一定的导电性，通过多次加料的方式，使得制得的复合材料的内部填充形成了导电通路，极大了材料的导电系数，降低了复合材料的电阻率。
本发明步骤1中，pp树脂和纳米二氧化硅混合过程中，优选还加入增韧剂共同混合；
加入溶剂后得到的混合溶液，所述混合溶液中混合物的质量浓度为9％；所述溶剂为十八醇；
所述超声分散的时间优选为30min，所述静置的时间优选为3h，所述离心的速率优选为6000r/min，所述离心的时间优选为50min；
所述取下层浆液后，还包括：对所述下层浆液进行干燥，得到改性pp树脂；所述干燥的温度优选为150℃，时间优选为6h。
本发明步骤2中，所述双螺杆挤出机的工作参数为：前段温度150～170℃、中段温度190～230℃、后段温度140～160℃、机头温度190～205℃；螺杆转速380～450r/min。
本发明中，步骤2所述第一份碳纤维与步骤3中所述第二份碳纤维质量比为1：2。
本发明步骤3中，预热处理的温度优选为80℃-85℃，时间优选为35～55min；
所述熔融共混分两次进行：
取二分之一的所述预热处理后的第二份碳纤维与所述挤出物料加入双螺旋挤出机中进行第一次熔融共混；
然后加入剩余二分之一所述预热后的第二份碳纤维进行第二次熔融共混；
所述第一次熔融共混的温度为80℃-85℃，时间为35min～50min；所述第二次熔融共混的温度为80℃-85℃，时间为50min～55min，两次熔融共混的温度相同。
本发明还提供了上述碳纤维掺杂聚丙烯复合材料在避雷接闪器中的应用。
本发明提供的碳纤维掺杂聚丙烯复合材料可以作为避雷接闪器的的接闪环及杆部部位的材料。由于本发明提供的碳纤维掺杂聚丙烯复合材料具有良好的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、缺口冲击强度、流动性和材料电阻率，从而保证了接闪器优异的性能，且实现了接闪器的轻量化和易携带的目的。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供了一种碳纤维掺杂聚丙烯复合材料，按重量份计，包括以下组分：pp树脂45-80份、碳纤维8-34份、聚酰亚胺树脂14-27份、纳米二氧化硅2-10份、抗氧剂3-6份和相容剂1-2份。
本发明通过结合pp树脂、碳纤维和聚酰亚胺，制备得到拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、缺口冲击强度、导电性能和流动性方面均表现良好，且轻量化、耐高温耐磨损的复合材料。其中，碳纤维的加入，使得复合材料具有较高的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量；同时，由于碳纤维内部是类似石墨的层状结构，相比于玻璃纤维的针状结构，润滑性更好，宏观表现流动性要稍高；碳纤维在加工过程中并没有被剪切破坏，使得复合材料抵抗缺口冲击破坏能力加强。本发明提供的碳纤维掺杂聚丙烯复合材料可以应用在接闪器中，作为接闪器的接闪环及杆部的材料，使得接闪器具有优异的性能，且实现了接闪器的轻量化和易携带的目的。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种碳纤维掺杂聚丙烯复合材料及其制备方法与应用，用于解决现有的聚丙烯材料的冲击韧性较低，收缩率较大，导致聚丙烯在使用过程中易受到拉伸、弯曲、冲击等外力的影响而出现应力发白现象，严重时还会影响产品的性能和质量的问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
按重量份计，碳纤维掺杂聚丙烯复合材料的配方组分如下：
pp树脂50份；碳纤维10份(长度为40-60nm)；聚酰亚胺树脂15份；纳米二氧化硅2份(粒径为15-25nm)；抗氧剂3份；增韧剂(液体端羧基丁腈橡胶ctbn，cnbn中丙烯腈含量控制在15wt％)4份；相容剂1份。
其制备方法如下：
(1)按上述配比称取各个组分，将pp树脂、纳米二氧化硅粉体、增韧剂(液体端羧基丁腈橡胶ctbn)加入搅拌机搅拌3小时，取出后加入十八醇制得质量分数为9％的混合溶液，经超声分散30min后，静置3小时，在6000r/min下离心50min，取出下层浆液，置于干燥箱中150℃干燥6小时，得到改性混合物；
(2)将步骤(1)得到的改性混合物与其他原料进行球磨干燥，随后在混合料中加入三分之一的碳纤维与抗氧剂进行混料处理，处理完成后加入聚酰亚胺树脂和相容剂进行搅拌，得到混合物料。采用双螺杆在前段温度150℃、中段温度190℃、后段温度140℃、机头温度190℃，螺杆转速380r/min的条件下将混合物料熔融挤出，得到挤出物料；
(3)将剩余三分之二的碳纤维在80℃的温度下进行预热处理10min，取其中三分之一与步骤(2)得到的挤出物料加入到双螺旋挤出机主喂料口中，80℃下熔融共混35min，随后将侧喂料口中加入剩余的三分之一碳纤维，继续熔融共混50min，经挤出机真空挤出，拉条过水切粒，调节切粒机切刀转速为13r/min，干燥后得到复合材料。
实施例2
按重量份计，碳纤维掺杂聚丙烯复合材料的配方组分如下：
pp树脂60份；碳纤维20份(长度为40-60nm)；聚酰亚胺树脂19份；纳米二氧化硅4份(粒径为15-25nm)；抗氧剂4份；增韧剂(液体端羧基丁腈橡胶ctbn，cnbn的丙烯腈含量控制在15wt％)5份；相容剂1.5份。
其制备方法如下：
(1)按上述配比称取各个组分，将pp树脂、纳米二氧化硅粉体、增韧剂(液体端羧基丁腈橡胶ctbn)加入搅拌机搅拌3小时，取出后加入十八醇制得质量分数为9％的混合溶液，经超声分散30min后，静置3小时，在6000r/min下离心50min，取出下层浆液，置于干燥箱中150℃干燥6小时，得到改性混合物；
(2)将步骤(1)得到的改性混合物与其他原料进行球磨干燥，随后在混合料中加入三分之一的碳纤维与抗氧剂进行混料处理，处理完成后加入聚酰亚胺树脂和相容剂进行搅拌，得到混合物料。采用双螺杆在前段温度160℃、中段温度210℃、后段温度150℃、机头温度200℃，螺杆转速420r/min的条件下将混合物料熔融挤出，得到挤出物料；
(3)将剩余三分之二的碳纤维在82℃的温度下进行预热处理10min，取其中三分之一与步骤(2)得到的挤出物料加入到双螺旋挤出机主喂料口中，82℃下熔融共混35min，随后将侧喂料口中加入剩余的三分之一碳纤维，继续熔融共混50min，经挤出机真空挤出，拉条过水切粒，调节切粒机切刀转速为18r/min，干燥后得到复合材料。
实施例3
按重量份计，碳纤维掺杂聚丙烯复合材料的配方组分如下：
pp树脂80份；碳纤维30份(长度为40-60nm)；聚酰亚胺树脂25份；纳米二氧化硅8份(粒径为15-25nm)；抗氧剂6份；增韧剂(液体端羧基丁腈橡胶ctbn，cnbn的丙烯腈含量控制在15wt％)8份；相容剂2份。
其制备方法如下：
(1)按上述配比称取各个组分，将pp树脂、纳米二氧化硅粉体、增韧剂(液体端羧基丁腈橡胶ctbn)加入搅拌机搅拌3小时，取出后加入十八醇制得质量分数为9％的混合溶液，经超声分散30min后，静置3小时，在6000r/min下离心50min，取出下层浆液，置于干燥箱中150℃干燥6小时，得到改性混合物；
(2)将步骤(1)得到的改性混合物与其他原料进行球磨干燥，随后在混合料中加入三分之一的碳纤维与抗氧剂进行混料处理，处理完成后加入聚酰亚胺树脂和相容剂进行搅拌，得到混合物料。采用双螺杆在前段温度170℃、中段温度220℃、后段温度160℃、机头温度205℃；螺杆转速450r/min的条件下将混合物料熔融挤出，得到挤出物料；
(3)将剩余三分之二的碳纤维在85℃的温度下进行预热处理10min，取其中三分之一与步骤(2)得到的挤出物料加入到双螺旋挤出机主喂料口中，85℃下熔融共混35min，随后将侧喂料口中加入剩余的三分之一碳纤维，继续熔融共混50min，经挤出机真空挤出，拉条过水切粒，调节切粒机切刀转速为20r/min，干燥后得到复合材料。
实施例4
对实施例1～3制得的碳纤维掺杂聚丙烯复合材料按astm标准注塑成型成各种标准力学性能测试样条，按美国ul标准注塑成标准燃烧试样条，测试方法为：
拉伸强度(50mm/min)采用astmd638测试方法；弯曲强度(3mm/min)采用astmd790测试方法；弯曲模量(3mm/min)采用astmd790测试方法；izod缺口冲击强度(3.2mm)采用astmd256测试方法；熔融指数(g/10min)采用astmd1238测试方法；电阻率(ohm.cm)采用iec60093测试方法。
经测试，实施例1～3的碳纤维掺杂聚丙烯复合材料性能测试结果如表1所示。由表1可知，实施例1～3制备的碳纤维掺杂聚丙烯复合材料的注塑成的astm标准样条在拉伸强度，弯曲强度，弯曲模量，缺口冲击强度，流动性，材料电阻率方面均表现良好。
表1实施例1～3提供的碳纤维掺杂聚丙烯复合材料的性能测试结果
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。