环保阻燃碳纤维增强聚酰胺复合材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于改性高分子材料领域，特别涉及一种环保阻燃碳纤维增强聚酰胺复合 材料及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 聚酰胺是分子主链上含有重复酰胺基团-[NHC0]-的热塑性树脂总称。这类聚合 物具有耐磨、耐油、自润滑、耐冲击等诸多优良性能，而被广泛应用于机械设备、汽车制造、 仪器仪表等领域。脂肪族聚酰胺分子结构中的高极性酰胺基团和长的柔性脂肪族链段使这 类材料具有极限氧指数低，遇火容易燃烧等缺点。尤其是一些玻纤或者碳纤维增强的聚酰 胺材料在做薄壁制品时，由于玻璃纤维或者碳纤维的灯芯效应，这类材料很难实现材料阻 燃和韧性的平衡。因此，如何提高聚酰胺材料的使用温度和环保阻燃性能，是聚酰胺材料改 性领域一个重要的研究课题。
[0003] 碳纤维是一种含碳量在95%以上的新型纤维材料，它是以有机纤维，如腈纶丝 (PAN)、沥青及粘胶纤维等做原料，在惰性气体中经过高温煅烧石墨后得到的微晶石墨纤维 材料。由于碳纤维在物理性能上具有比重小、强度大、模量高、线膨胀系数小、导电性强、导 热率高等特点，这类材料已经广泛应用于热塑性和热固性树脂的增强和功能化改性中。利 用碳纤维进行改性的热塑性塑料其物理力学性能和耐热性都有极大的提高，如聚酰胺66 材料加入20 %的碳纤维之后材料的拉伸强度提高近3倍，弯曲模量提高近4倍，热变形温度 提高至250°C。通过对碳纤维表面处理方式和复合加工工艺的优化，提高碳纤维改性聚酰胺 材料的使用性能，将是未来增强聚酰胺发展的一个重要研究方向。
[0004] 针对当前电子电气领域对材料的轻薄化和高性能化要求越来越高的特点，本发明 开发了一种环保阻燃碳纤维增强聚酰胺复合材料，该复合材料适合于通过注塑成型制备轻 量化要求较高的薄壁制品，应用于要求环保阻燃、抗静电，且对材料力学性能要求较高的电 子器件和电动工具。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种环保阻燃 碳纤维增强聚酰胺复合材料。本发明的复合材料具有高强度、高阻燃等级、低密度、低翘曲 率等特点。
[0006] 本发明另一目的在于提供一种上述环保阻燃碳纤维增强聚酰胺复合材料的制备 方法。
[0007] 本发明再一目的在于提供上述环保阻燃碳纤维增强聚酰胺复合材料在电子电器、 高铁制造、电动工具等领域的应用。本发明的复合材料制备的薄壁制品具有强度高、阻燃性 能好、翘曲率低等特点，特别适合于制备笔记本电脑、手机外壳、电容器等需要用到薄壁材 料的领域。
[0008] 本发明的目的通过下述方案实现：
[0009] -种环保阻燃的碳纤维增强聚酰胺复合材料，包含以下质量分数的组分：
[0010] 聚酰胺（PA) 7.7~70:,7% 碳纤维（CF) 丨5~55 % 聚偏氟乙烯（PVDF) 10~25 % 复合阻燃剂 4~15 % 分散剂 0.2~1 % 其它助剂 0.1~0.3 %。
[0011] 上述的聚酰胺的质量分数优选为40~50%。
[0012] 上述的聚酰胺可为聚酰胺6 (PA6)和聚酰胺66 (PA66)中的至少一种，优选为聚酰 胺6。
[0013] 更优选的，上述的聚酰胺为粘度为2. 0~2. 8Pa?s的低粘度聚酰胺6。
[0014] 上述的碳纤维的质量分数优选为30~40%。
[0015] 上述的碳纤维可为聚丙烯腈基材的碳纤维、黏胶丝碳纤维和沥青丝碳纤维中的至 少一种。
[0016] 优选的，上述的碳纤维为聚丙烯腈基材的碳纤维。
[0017] 更优选的，上述的碳纤维为单丝直径4~8ym，束丝线密度200~800tex的聚丙 烯腈基材的碳纤维。该碳纤维强度高，能有效提高聚酰胺的抗冲击性能。
[0018] 上述的聚偏氟乙烯的质量分数优选为12~20%。
[0019] 上述的聚偏氟乙烯（PVDF)优选为分子量大于等于100万的高分子量PVDF，如包 括：美国苏威的530U9009等，其中更优选为5301。由于聚偏氟乙烯具有较高的极限氧指 数，可以提高复合材料的难燃性；另外高分子量的聚偏氟乙烯能够在复合材料中形成网状 结构，可防止材料在燃烧过程中产生滴落现象。此外，高分子量聚偏氟乙烯还能作为增韧剂 有效提高材料的抗冲击性能。
[0020] 上述的复合阻燃剂由无卤阻燃剂和协效阻燃剂复配而成。
[0021] 上述的无卤阻燃剂为三嗪类的膨胀型阻燃剂。
[0022] 优选的，上述的无卤阻燃剂可为氰脲酸、氰脲酸衍生物、三聚氰胺聚磷酸盐、胍盐 和双氰胺盐中的至少一种。
[0023] 更优选的，上述的无卤阻燃剂为三聚氰胺聚磷酸盐。
[0024] 上述的阻燃协效剂为可在碱性条件下受热发生分解反应的无机盐类化合物。
[0025] 优选的，上述的阻燃协效剂为氯化铁（FeCl3)、硼酸锌（2Zn0 ? 3B203 ? 3. 5H20)、氧化 镁（MgO)和氧化铝（A1203)中的至少一种。
[0026] 更优选的，上述的阻燃协效剂为FeCl3。
[0027] 上述的复合阻燃剂中无卤阻燃剂和协效阻燃剂的质量比为5:1~2:1，优选为 3:1〇
[0028] 上述的分散剂的质量分数优选为〇.5~0.8%。
[0029] 上述的分散剂可为季戊四醇酯类分散剂、硅酮类分散剂和树枝状化合物中的至少 一种。
[0030]优选的，上述的分散剂为季戊四醇油酸酯、季戊四醇硬脂酸酯（PETS)、乙撑双硬酯 酰胺（EBS)和有机硅类分散剂（如E525，Evonik)中的至少一种。
[0031] 更优选的，上述的分散剂为有机硅类分散剂（如E525,Evonik)。
[0032] 上述的其它助剂的质量分数优选为0. 2%。
[0033] 上述的其它助剂可为本领域常见的适用于聚酰胺体系的加工助剂中的至少一种， 如加工稳定剂、抗氧剂。
[0034] 优选的，上述的抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂（如3, 9-二（2, 4-二枯基苯氧 基）-2, 4, 8, 10-四氧杂-3, 9-二磷杂螺[5. 5] ^烷（S9228)，三（2, 4-二叔丁基苯基）亚 磷酸酯（168))。
[0035] 更优选的，上述的抗氧剂为三（2, 4-二叔丁基苯基）亚磷酸酯（抗氧剂168)。
[0036] 本发明还提供了一种上述环保阻燃碳纤维增强聚酰胺复合材料的制备方法，包括 以下具体操作步骤：
[0037] (1)将聚酰胺、聚偏氟乙烯、复合阻燃剂、分散剂和其它助剂加入高速搅拌机中混 合均匀；
[0038] (2)将步骤⑴中的混合物料通过主喂料口加入双螺杆挤出机中，碳纤维经双螺 杆挤出机排气口加入双螺杆挤出机中，熔融共混，挤出造粒，即得到环保阻燃碳纤维增强聚 酰胺复合材料。
[0039]步骤⑴中所述的混合的优选条件指混合温度为室温~80°C，在200~400r/min 的速度下搅拌10~30min。
[0040] 步骤（2)中所述的双螺杆挤出机的主机的螺杆转速为350~430r/min，料斗进料 螺杆的转速为24~35r/min。
[0041] 步骤（2)中所述的熔融共混的温度优选为挤出机各加热段的温度为180~255°C。
[0042] 步骤（2)中所述的挤出造粒优选经过水浴冷却系统后再挤出造粒。
[0043] 本发明制备得到的环保阻燃碳纤维增强聚酰胺复合材料的物理力学性能、加工性 能、表面外观性能良好，相对普通碳纤维增强聚酰胺材料具有更高的抗翘曲性，可应用于电 子电器、高铁制造、电动工具等领域中。特别适合于应用在制备一些对材料强度和轻量化要 求尚的薄壁制品。
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