一种碳纤维增强复合材料及其制备方法

1.本发明涉及一种碳纤维增强复合材料及其制备方法，属于复合材料领域。


背景技术：

2.热塑性树脂及其复合材料近十多年来得到了迅速发展。与热固性材料相比,热塑性树脂具有优异的抗冲击韧性、耐疲劳损伤性能、成型周期短、生产效率高、可长期贮存、可进行修补和回收再利用等一系列优点。
3.目前，纤维增强复合材料存在着增强纤维造树脂基材中分布不均等缺陷，这极大地影响了材料的性能。传统的纤维增强树脂材料也存在着工序复杂、价格高昂的缺陷。以传统碳纤维增强树脂为例，其制备方法包括：以悬浮液为媒介，结合粉末浸渍和溶液浸渍的优点，纤维在悬浮液中分散性较好，结合热塑性树脂粉末充分，且溶液浸渍可起接枝改性作用，结合两种有点以悬浮液为媒介得到碳纤维复合材料。粉末浸渍和溶液浸渍各有优缺点，且价格过高限制了纤维增强树脂材料的大量应用。
4.目前碳纤维增强热塑性树脂基复合材料主要存在的问题是浸渍不均匀，这很大程度上影响复合材料的性能。


技术实现要素：

5.为克服上述不足，本发明的目的是提供一种碳纤维增强复合材料及其制备方法，本发明的制备方法以悬浮液作为媒介，结合溶液浸渍和粉末浸渍的优点。
6.本发明所提供的碳纤维增强复合材料通过包括如下步骤的方法制备得到：1）将易溶树脂溶解到混合溶剂中得到溶液1，向得到的溶液1中加入乙醇配制成溶液2；2）向得到的溶液2中加入peg-100000，增加溶液2的密度；3）将难溶的热塑性树脂粉末添加到溶液2中，搅动和超声振荡后,得到树脂粉末悬浮液；4）将短碳纤维加入所得树脂粉末悬浮液中，搅动和超声振荡后，得到碳纤维悬浮液；5）将碳纤维悬浮液取出，过滤烘干制成碳纤维毡，经模压成型得到碳纤维增强复合材料。
7.上述方法步骤1）中，所述混合溶剂由有机化合物与丙酮混和制得，其中，有机化合物与丙酮的质量比可为1-3：7-9，具体可为3:7或2:8；所述有机化合物为聚丙烯酸、n,n二甲基乙酰胺、n,n二甲基甲酰胺中的至少一种；所述易溶树脂为聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚醚酰亚胺中的至少一种；所述易溶树脂占混合溶剂的质量分数范围为2-8％;溶液1与乙醇的质量比可为1:1-3。
8.所述易溶树脂以粉末形式加入，所述粉末的粒径为50-100目。
9.上述方法步骤2）中，peg-100000以溶液2质量的1-1.5％（具体可为1.25%）的比例加入；所述方法步骤3）中，所述难溶的热塑性树脂粉末为尼龙、聚醚醚酮、聚丙烯、聚乳酸中的至少一种；所述难溶的热塑性树脂粉末粒径为300-500目；所述难溶的热塑性树脂粉末与步骤1）中易溶树脂的质量比可为30-50：1-3；所述搅动通过机械臂实现，所述机械臂是几组相对的，前端是个爪，中前端宽度与爪的宽度一致，来回搅动；所述搅动和超声振荡的时间可为10-20min；上述方法步骤4）中，所述碳纤维可为pan基碳纤维、沥青基碳纤维、人造丝碳纤维、回收碳纤维中的至少一种；所述碳纤维的长度为30-80mm；所述碳纤维与步骤3）中难溶的热塑性树脂的质量比可为4-6：4-6；所述搅动通过机械臂实现，所述机械臂是几组相对的，前端是个爪，中前端宽度与爪的宽度一致，来回搅动；所述搅动和超声振荡的时间可为10-20min；上述方法步骤5）中，先采用抽滤或热干法将碳纤维悬浮液干燥得到碳纤维毡，然后模压成型，即碳纤维增强复合材料；具体地，将碳纤维悬浮液热干法烘干，将烘干的碳纤维混料进行针刺，得到碳纤维毡，模压得到碳纤维复合材料；其中所述的烘干温度为150-200℃，时间为0.5-1h；所述的模压采用热压，所述热压的条件为热压温度200-400℃；热压时间0.5-10min，优选5min。
10.由上述方法制得的碳纤维增强复合材料也属于本发明的保护范围。
11.本专利的悬浮液粉末浸渍法适用于各种纤维的均匀混合、综合了液相浸渍法与粉末浸渍法的优点，适用于规模化生产，生产流程操作方便，工艺简单，设备投资小，便于提高生产效率，进行灵活性生产。
具体实施方式
12.以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
13.实施例1、一种碳纤维增强复合材料的制备将聚醚酰亚胺树脂粉末（200目）溶解到n,n二甲基乙酰胺与丙酮比例为3:7的混合溶剂中充分溶解得到溶液1；其中，聚醚酰亚胺树脂占混合溶剂的质量分数为5％；按质量比为1:2向得到的溶液1中加入乙醇配制成溶液2；向得到的溶液2中加入溶液2质量1.25％的peg-100000，增加溶液2的密度；将难溶的尼龙6树脂粉末（400目）（尼龙6树脂与聚醚酰亚胺树脂的质量配比30：1）添加到溶液2中，机械臂搅动和超声振荡10min，得到树脂粉末悬浮液；将短碳纤维（长度50mm）加入树脂粉末悬浮液中得到碳纤维悬浮液（短碳纤维与尼龙6树脂的质量比为5：5）；机械臂搅动和超声波装置辅助振动10min，得到混合均匀的碳纤维悬浮液；
将碳纤维悬浮液通过热干法高温加热，150℃，时间为1h，得到烘干的碳纤维毡；将烘干的碳纤维毡模压成型，热压温度300℃；热压时间5min，得到碳纤维增强复合材料。
14.实施例2、一种碳纤维增强复合材料的制备聚氯乙烯树脂粉末（80目）溶解到n,n二甲基甲酰胺与丙酮质量比例为2:8的混合溶剂中充分溶解得到溶液1；聚氯乙烯树脂粉末与混合溶剂的质量分数为5％；按质量比为1:3向得到的溶液1中加入乙醇配制成溶液2；向得到的溶液2中加入质量含量1.25％的peg-100000，增加悬浮液的密度；将难溶的聚丙烯树脂粉末添加到溶液2中，机械臂搅动和超声振荡10min，聚丙烯树脂与聚氯乙烯树脂的质量配比50：1）得到树脂粉末悬浮液；将短碳纤维（长度40mm）加入树脂粉末悬浮液中得到碳纤维悬浮液（所述的碳纤维与聚丙烯树脂比例为4:6）；机械臂搅动和超声波装置辅助振动10min，得到混合均匀的碳纤维悬浮液；将碳纤维悬浮液通过热干法高温加热，150℃，时间为1h，得到烘干的碳纤维毡；将烘干的碳纤维毡模压成型，热压温度350℃；热压时间5min，得到碳纤维增强复合材料。
15.实施例3、一种碳纤维增强复合材料的制备将聚醚酰亚胺树脂粉末（100目）溶解到n,n二甲基乙酰胺与丙酮质量比为3:7的混合溶剂中充分溶解得到溶液1；聚醚酰亚胺树脂与混合溶剂的质量分数为6％；按质量比为1:3向得到的溶液1中加入乙醇配制成溶液2；向得到的溶液2中加入质量含量1.25％的peg-100000，增加悬浮液的密度；将难溶的聚乳酸树脂粉末添加到溶液中2中，机械臂搅动和超声振荡10min，得到树脂粉末悬浮液；将短碳纤维（长度30mm）加入树脂粉末悬浮液中得到碳纤维悬浮液（所述的短碳纤维与聚乳酸树脂质量比为5:5）；机械臂搅动和超声波装置辅助振动10min，得到混合均匀的碳纤维悬浮液；将碳纤维悬浮液通过热干法高温加热，150℃，时间为1h，得到烘干的碳纤维毡；将烘干的碳纤维毡模压成型，热压温度300℃；热压时间5min，得到碳纤维增强复合材料。
16.本发明是以悬浮液为媒介结合溶液浸渍和粉末浸渍，起到接枝改性并且有一定密度的悬浮液可以将碳纤维分散均匀，使其与树脂粉末浸渍充分，得到性能优异的复合材料，由表1中优异的碳纤维复合材料冲击性能可知，碳纤维与树脂浸渍均匀。
17.表1实施例1-3制备的碳纤维增强树脂复合材料性能测试数据
18.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。