专利名称：一种热塑性树脂基碳纤维复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及到热塑性树脂基复合材料的应用领域，特别是涉及一种热塑性树脂基碳纤维复合材料及其制备方法。
背景技术：
随着碳纤维复合材料的发展，以通用工程塑料和高性能工程塑料为基体树脂的热 塑性树脂基碳纤维复合材料越来越受到人们的关注，并已成为复合材料领域异常活跃的研 究热点。与热固性树脂基碳纤维复合材料相比，热塑性树脂基碳纤维复合材料有许多优点 例如，断裂韧性高、断裂伸长率大；成型过程中无化学反应，因此成型速度快，成型周期短； 预浸料可以无限期存放，且对存放无特殊要求，即不必在零度以下存放；半结晶的热塑性树 脂有相当好的耐溶剂性，因此以其为基体的碳纤维复合材料极易回收再加工，无环境污染； 能够实现快速、无污染、自动化生产等。所以，热塑性树脂基碳纤维复合材料在很大程度上 弥补了热固性树脂基碳纤维复合材料所固有的缺点例如，断裂韧性、损伤容限低，环境适 应性差，加工周期长，难以回收等，为树脂基碳纤维复合材料的发展开辟了广阔的空间。但是，热塑性树脂的熔融粘度一般都超过100帕斯卡秒(Pa · s)，通常为500 5000Pa.s,因此在加工过程中不利于碳纤维的分布和树脂基体的浸渍。采用传统的复合材 料加工方法来加工热塑性树脂基碳纤维复合材料很难满足碳纤维与树脂基体的均勻分布 和树脂基体对碳纤维完全浸渍的要求。例如，中国发明专利申请公开说明书CN1580101就 公开了一种热塑性树脂基碳纤维复合材料片材的制备方法，该方法是将热塑性树脂涂覆在 碳纤维上，然后通过浸渍、辊压定性，经自然冷却后牵引、收卷而得到热塑性树脂基碳纤维 复合材料。利用该方法提高了制品的抗冲击强度，韧性和延伸率，但是仍然存在碳纤维与热 塑性树脂的分布不均勻，以及热塑性树脂对碳纤维的浸渍不完全的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术不足的现状，提供一种热塑性树脂基 碳纤维复合材料及其制备方法。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种热塑性树脂基碳纤维复合材 料，由碳纤维和热塑性树脂组成，以体积百分比计，碳纤维的含量是50% 70%，热塑性树 脂的含量是30% 50%。本发明一种热塑性树脂基碳纤维复合材料的制备方法包括如下步骤步骤1 将上下叠放的层状碳纤维织物和热塑性树脂薄膜依次通过红外灯和加热 辊加热，使所述的热塑性树脂薄膜熔融并浸润所述的碳纤维织物；所述的红外灯和加热辊 的加热温度介于所述的热塑性树脂的熔融温度和分解温度之间；步骤2 将步骤1中得到的产物通过压辊，使所述的碳纤维和热塑性树脂完全浸润 并被压成单层结构；步骤3 将步骤2中得到的碳纤维和热塑性树脂的单层结构通过冷却辊冷却至室温，然后通过收卷辊收卷，得到单层的热塑性树脂基碳纤维复合材料。为优化上述技术方案，采取的措施还包括上述热塑性树脂是聚丙烯树脂、聚酰胺树脂、聚氯乙烯树脂、聚苯乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、聚苯醚树脂或者聚砜树脂。上述步骤3中得到的至少两层单层的热塑性树脂基碳纤维复合材料叠合放置在 平板硫化机上加热加压，在0. 1 IMPa的压力下加热5 30分钟，得到层合状的热塑性树 脂基碳纤维复合材料；加热温度介于所述的热塑性树脂的熔融温度和分解温度之间。上述层合状的热塑性树脂基碳纤维复合材料在预热温度下预热，使热塑性树脂熔 融，然后快速放入室温模具内加压成型，最后经过冷却、脱模、修边；该预热温度介于所述的 热塑性树脂的熔融温度和分解温度之间。上述碳纤维织物是平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、单向织物或者多层多轴向织 物；该多层多轴向织物是多轴向缝编织物、经编织物、直接定向结构织物或者无卷曲织物。上述碳纤维织物的单丝束碳纤维含量规格是单丝束中含碳纤维3根、6根或者12 根；上述碳纤维织物的幅宽小于600毫米。上述红外灯和加热辊的加热温度可以调控，且不大于350°C ；压辊的压力范围为 0 20MPa。上述加热辊、压辊、冷却辊和收卷辊的卷速范围为1 10米/分钟。上述加热辊、冷却辊和收卷辊的辊数分别大于等于1 ；压辊由至少一对辊组成；力口 热辊、压辊、冷却辊和收卷辊中每个辊的直径在200 400毫米之间。与现有技术相比，本发明一种热塑性树脂基碳纤维复合材料的结构简单，具有较 好的界面结合性能和耐冲击性能，并且可回收再利用；本发明一种热塑性树脂基碳纤维复 合材料的制备方法可以实现碳纤维与热塑性树脂分布均勻，并且该热塑性树脂完全浸渍该 碳纤维，从而克服了现有方法中的不足，另外，该方法简单易实现、生产成本低、生产周期 短，从而提高了生产效率。
图1是实施例1中单层的聚丙烯基碳纤维复合材料的制备方法示意图；图2是实施例1中层合状的聚丙烯基碳纤维复合材料的制备方法示意图；图3a是图2得到的层合状的聚丙烯基碳纤维复合材料经过预热后送至模具内；图3b是图3a得到的层合状聚丙烯基碳纤维复合材料在模具内合模成型；图3c是图3b得到的成型件冷却后得到聚丙烯基碳纤维复合材料的异型件。
具体实施例方式以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。图1至图3c所示为实施例1的制备方法示意图。其中的附图标记为层状碳纤维织物1、上层聚丙烯树脂薄膜21、下层聚丙烯树脂 薄膜22、红外灯3、第一加热辊41、第二加热辊42、第三加热辊43、第一组压辊51、第二组压 辊52、第一冷却辊61、第二冷却辊62、第三冷却辊63、第一导辊71、第一导辊72、收卷辊8、 单层的聚丙烯基碳纤维复合材料片9、上层加热板10、下层加热板11、层合状的聚丙烯基碳 纤维复合材料片12。
本发明一种热塑性树脂基碳纤维复合材料是由碳纤维和热塑性树脂组成，以体积百分比计，碳纤维的含量是50% 70%，热塑性树脂的含量是30% 50%，其中的一种组 成方式是碳纤维的含量是60%，热塑性树脂的含量是40%。热塑性树脂是聚丙烯树脂、聚 酰胺树脂、聚氯乙烯树脂、聚苯乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、聚苯醚树脂或者聚砜树脂。上述热塑性树脂基碳纤维复合材料的制备方法是根据热塑性树脂的流变性能，利 用热辊热压连续化设备，通过调整加工温度、加工压力和加工时间等工艺条件，得到单层的 热塑性树脂基碳纤维复合材料，该单层的热塑性树脂基碳纤维复合材料中碳纤维与热塑性 树脂均勻分布，并且该热塑性树脂完全浸渍该碳纤维。利用该单层的热塑性树脂基碳纤维 复合材料进而制备得到层合状的热塑性树脂基碳纤维复合材料以及该热塑性树脂基碳纤 维复合材料的异型件。具体的制备过程包括制备单层的热塑性树脂基碳纤维复合材料、制备层合状的热 塑性树脂基碳纤维复合材料以及制备热塑性树脂基碳纤维复合材料的异型件的过程。实施例1 原材料碳纤维斜纹织物与聚丙烯树脂薄膜碳纤维斜纹织物的幅宽是500毫米，单丝束碳纤维含量规格是单丝束中含碳纤维 3根，厚度是0. 24毫米，单位面积质量是209克/米2 ；聚丙烯树脂薄膜的密度是0. 92克/ 厘米3，厚度是0. 2毫米，幅宽是500毫米。制备过程如图1所示，本实施例中制备单层的聚丙烯基碳纤维复合材料的步骤 如下将一卷碳纤维斜纹织物1放在架子上，与该碳纤维上下垂直的位置处分别放置一卷 上层聚丙烯树脂薄膜21与一卷下层聚丙烯树脂薄膜22，碳纤维斜纹织物1与上层聚丙烯树 脂薄膜21与下层聚丙烯树脂薄膜22经第一导辊71输运后形成上层聚丙烯树脂薄膜21、 碳纤维斜纹织物1和下层聚丙烯树脂薄膜22的三层上下叠合的位置关系；该碳纤维斜纹织 物1、上层聚丙烯树脂薄膜21和下层聚丙烯树脂薄膜22在输运过程中首先经过红外灯3加 热，然后依次经过第一加热辊41、第二加热辊42和第三加热辊43加热，使上层聚丙烯树脂 薄膜21和下层聚丙烯树脂薄膜22熔融，并浸润碳纤维斜纹织物1，本实施例中红外灯3、第 一加热辊41、第二加热辊42和第三加热辊43的加热温度都是220°C ；然后，将碳纤维斜纹 织物1、上层聚丙烯树脂薄膜21和下层聚丙烯树脂薄膜22经过第一组压辊51和第二组压 辊52使碳纤维斜纹织物1、上层聚丙烯树脂薄膜21和下层聚丙烯树脂薄膜22完全浸润并 形成单层结构；接着将该碳纤维斜纹织物1、上层聚丙烯树脂薄膜21和下层聚丙烯树脂薄 膜22构成的单层结构依次通过第一冷却辊61、第二冷却辊62和第三冷却辊63进行冷却， 冷却至室温后通过第二导辊72输运至收卷辊8，经收卷辊8收卷后即得到单层的聚丙烯基 碳纤维复合材料，其碳纤维的体积百分比含量为59. 3%，聚丙烯树脂的体积百分比含量为 40. 7%。如图2所示，本实施例中制备层合状的聚丙烯基碳纤维复合材料的步骤如下将 上述制备得到的单层的聚丙烯基碳纤维复合材料裁成尺寸为500X500毫米2的单层聚丙 烯基碳纤维复合材料片9，上下叠放12层，然后放入平板硫化机上加热加压，其中，上层加 热板10和下层加热板11的加热温度均设为220°C、施加压力设为0. 5MPa，热压15分钟后， 接着经循环冷却降温至室温，即得到层合状的聚丙烯基碳纤维复合材料12。如图3所示，本实施例中制备热聚丙烯基碳纤维复合材料的异型件的步骤如下 (a)将上述制备得到的层合状的聚丙烯基碳纤维复合材料12在220°C的预热温度下预热10分钟，然后快速放入室温模具内；(b)在室温模具内将该层合状的聚丙烯基碳纤维复合材 料12加压成型；(c)经过冷却、脱模、修边后即得到该聚丙烯基碳纤维复合材料的异型件。实施例2 原材料碳纤维斜纹织物和聚碳酸酯树脂薄膜；碳纤维斜纹织物的幅宽 是500毫米，单丝束碳纤维含量规格是单丝束中含碳纤维6根，厚度是0. 38毫米，单位面积 质量是406克/m2 ；聚碳酸酯树脂薄膜的密度是1. 19克/厘米3，厚度是0. 4毫米，幅宽是 500毫米。制备过程本实施例中制备单层的聚碳酸酯基碳纤维复合材料的步骤类似上述实 施例1中制备单层的聚丙烯基碳纤维复合材料的步骤，所不同的是红外灯3和第一加热辊 41、第二加热辊42和第三加热辊43的加热温度都是260°C。本实施例中制备层合状的聚碳酸酯基碳纤维复合材料的步骤类似上述实施例1 中制备层合状的聚丙烯基碳纤维复合材料的步骤，具体如下将上述制备得到的单层的聚 碳酸酯基碳纤维复合材料裁成尺寸为400X400毫米2的单层聚碳酸酯基碳纤维复合材料 片，上下叠至20层，然后放入平板硫化机上加热加压，其中，上层加热板10和下层加热板11 的加热温度均设为260°C、施加压力设为0. 4MPa，热压15分钟后，接着经循环冷却降温至室 温，即得到层合状的聚碳酸酯基碳纤维复合材料，其碳纤维的体积百分比含量为63. 8%，聚 碳酸酯基的体积百分比含量为36. 2%。本实施例中制备聚碳酸酯基碳纤维复合材料的异型件的步骤类似于上述实施例1中制备热聚丙烯基碳纤维复合材料的异型件的步骤，具体如下(a)将上述制备得到的层 合状的聚碳酸酯基碳纤维复合材料在260°C的预热温度下预热15分钟，然后快速放入室温 模具内；(b)在室温模具内将该层合状的聚碳酸酯基碳纤维复合材料加压成型；(c)经过冷 却、脱模、修边后即得到该聚碳酸酯基碳纤维复合材料的异型件。实施例3 其他条件同实施例1，所不同的是将实施例1中的碳纤维斜纹织物1与 一卷聚丙烯树脂薄膜叠合，即将一匹碳纤维斜纹织物1放在架子上，与该碳纤维上部垂直 的位置处放置一卷上层聚丙烯树脂薄膜21，碳纤维斜纹织物1与上层聚丙烯树脂薄膜21经 第一导辊71输运后形成上层聚丙烯树脂薄21与碳纤维斜纹织物1上下叠合的位置关系。实施例4 其他条件同实施例1，所不同的是将实施例1中的碳纤维斜纹织物1与 一卷聚丙烯树脂薄膜叠合，即将一匹碳纤维斜纹织物1放在架子上，与该碳纤维下部垂直 的位置处放置一卷下层聚丙烯树脂薄膜22，碳纤维斜纹织物1与下层聚丙烯树脂薄膜22经 第一导辊71输运后形成碳纤维斜纹织物1与下层聚丙烯树脂薄21上下叠合的位置关系。
本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不 会脱离本发明的范围。
权利要求
一种热塑性树脂基碳纤维复合材料，由碳纤维和热塑性树脂组成，其特征是以体积百分比计，碳纤维的含量是50％～70％，热塑性树脂的含量是30％～50％。
2.根据权利要求1所述的一种热塑性树脂基碳纤维复合材料，其特征是所述的热塑 性树脂是聚丙烯树脂、聚酰胺树脂、聚氯乙烯树脂、聚苯乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、聚苯醚树 脂或者聚砜树脂。
3.—种如权利要求1所述的热塑性树脂基碳纤维复合材料的制备方法，其特征是包 括如下步骤步骤1 将上下叠放的层状碳纤维织物和热塑性树脂薄膜依次通过红外灯和加热辊加 热，使所述的热塑性树脂薄膜熔融并浸润所述的碳纤维织物；所述的红外灯和加热辊的加 热温度介于所述的热塑性树脂的熔融温度和分解温度之间；步骤2 将步骤1中得到的产物通过压辊，使所述的碳纤维和热塑性树脂完全浸润并被 压成单层结构；步骤3 将步骤2中得到的碳纤维和热塑性树脂的单层结构通过冷却辊冷却至室温，然 后通过收卷辊收卷，得到单层的热塑性树脂基碳纤维复合材料。
4.根据权利要求3所述的一种热塑性树脂基碳纤维复合材料的制备方法，其特征是 将所述的步骤3中得到的至少两层单层的热塑性树脂基碳纤维复合材料叠合放置在平板 硫化机上加热加压，在0. 1 IMPa的压力下加热5 30分钟，得到层合状的热塑性树脂基 碳纤维复合材料；所述的加热温度介于所述的热塑性树脂的熔融温度和分解温度之间。
5.根据权利要求4所述的一种热塑性树脂基碳纤维复合材料的制备方法，其特征是 将所述的层合状的热塑性树脂基碳纤维复合材料在预热温度下预热，使热塑性树脂熔融， 然后快速放入室温模具内加压成型，最后经过冷却、脱模、修边；所述的预热温度介于所述 的热塑性树脂的熔融温度和分解温度之间。
6.根据权利要求3所述的一种热塑性树脂基碳纤维复合材料的制备方法，其特征是 所述的碳纤维织物是平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、单向织物或者多层多轴向织物；所述 的多层多轴向织物是多轴向缝编织物、经编织物、直接定向结构织物或者无卷曲织物。
7.根据权利要求6所述的一种热塑性树脂基碳纤维复合材料的制备方法，其特征是 所述的碳纤维织物的单丝束碳纤维含量规格是单丝束中含碳纤维3根、6根或者12根；所 述的碳纤维织物的幅宽小于600毫米。
8.根据权利要求3所述的一种热塑性树脂基碳纤维复合材料的制备方法，其特征是 所述的红外灯和加热辊的加热温度可以调控，且不大于350°C ；所述的压辊的压力范围为 0 20MPao
9.根据权利要求3所述的一种热塑性树脂基碳纤维复合材料的制备方法，其特征是 所述的加热辊、压辊、冷却辊和收卷辊的卷速范围为1 10米/分钟。
10.根据权利要求3所述的一种热塑性树脂基碳纤维复合材料的制备方法，其特征是 所述的加热辊、冷却辊和收卷辊的辊数分别大于等于1 ；所述的压辊由至少一对辊组成；所 述的加热辊、压辊、冷却辊和收卷辊中每个辊的直径在200 400毫米之间。
全文摘要
本发明公开了一种热塑性树脂基碳纤维复合材料及其制备方法。本发明一种热塑性树脂基碳纤维复合材料由碳纤维和热塑性树脂组成，以体积百分比计，碳纤维的含量是50％～70％，热塑性树脂的含量是30％～50％。本发明的制备方法是根据热塑性树脂的流变性能，利用热辊热压连续化设备，通过调整加工温度、加工压力和加工时间等工艺条件得到界面结合性能较好的热塑性树脂基碳纤维复合材料。与现有技术相比，本发明热塑性树脂基碳纤维复合材料结构简单，具有较好的界面结合性能和耐冲击性能，并且可回收再利用；本发明的制备方法可以实现碳纤维与热塑性树脂分布均匀，并且该热塑性树脂完全浸渍该碳纤维，从而克服了现有方法中的不足。
文档编号B29C70/50GK101845232SQ20101016257
公开日2010年9月29日 申请日期2010年4月29日 优先权日2010年4月29日
发明者丁江平, 卢桂阳, 朱春燕, 罗勇波, 胡东梅, 范欣愉 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所