一种碳纤维-尼龙复合材料及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种碳纤维-尼龙复合材料，特别是涉及一种用于自行车配件的碳纤 维-尼龙复合材料及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 碳纤维增强热塑性塑料是树脂基复合材料中的一个重要品种，由于其综合性能优 异，近年来其用途及产量逐步扩大。上世纪70年代以前，碳纤维增强热塑性塑料被看作是一 种昂贵的材料，价格约为玻璃纤维增强复合材料的10倍以上，只用于军工、宇航工业等特殊 行业。80年代以后，碳纤维从原料来源及制作技术等方面都有了较大的突破，因此其每年的 产量增长速度达50%以上，这种增长不仅满足了传统工业部门的需求，而且为许多新的需 求提供了可能。
[0003] 尼龙本身是性能优异的工程塑料，但吸湿性大，制品尺寸稳定性差，强度与硬度也 远远不如金属。为了克服这些缺点，早在上世纪70年代以前，人们就采用碳纤维或其它品种 的纤维进行增强以改善其性能。用碳纤维增强尼龙材料近年来发展很快，因为尼龙和碳纤 维都是工程塑料领域性能优异的材料，其复合材料综合体现了二者的优越性，如强度与刚 性比未增强的尼龙高很多，高温蠕变小，热稳定性显著提高，尺寸精度好，耐磨，阻尼性优 良，与玻纤增强相比有更好的性能。尼龙-碳纤维复合材料在汽车、国防、航空航天、运动用 品、自行车方面得到了较多的应用。
[0004] 例如，公开号为0附027466628、公开日为2013.12.11、申请人为苏州宇度医疗器械 有限责任公司的中国专利公开了 "纳米碳纤维增强的尼龙复合材料的制备方法"，属于高分 子材料制备技术领域，步骤:配料和混料，先将按重量份数称取的尼龙1010树脂80-85份、尼 龙6树脂30-35份、偶联剂0.8-1.5份、填料25-35份和纳米碳纤维10-15份投入混合机中混 合，再投入按重量份数称取的抗氧剂0.2-0.8份和短切玻璃纤维35-40份并且继续混合，得 到混合料;熔融挤出，将混合料投入双螺杆挤出机中熔融挤出，控制挤出温度，得到纳米碳 纤维增强的尼龙复合材料。该专利工艺步骤简练，设备要求不苛刻并且得到的纳米碳纤维 增强的尼龙复合材料具有优异的机械物理强度，能够满足制作诸如建筑、机动车辆和自行 车的对强度严苛的部件的要求。不过，该专利所制得的复合材料存在一定的缺陷:耐高温氧 化性不佳，在高温环境下会与空气中的氧发生氧化作用导致表面开裂;耐酸性较差，在偏酸 性环境中性能容易下降。
【发明内容】
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[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种碳纤维-尼龙复合材料，其具有较好的耐高 温氧化性和耐酸性。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
[0007] -种碳纤维-尼龙复合材料，其重量份组成为:尼龙85~95份，抗氧剂0.3~0.8份， 阻燃剂5~10份，分散剂0.1~0.6份，填料15~21份，增韧剂4~9份，增容剂3~5份，辐照敏 化剂1~2份，纳米氧化锡10~12份，PTFE 7~9份，碳纤维15份。
[0008] 优选地，本发明所述尼龙为尼龙1010或尼龙610。
[0009 ]优选地，本发明所述抗氧剂为抗氧剂168。
[0010]优选地，本发明所述阻燃剂为十溴二苯乙烷。
[0011]优选地，本发明所述分散剂为油酸酰胺。
[0012 ]优选地，本发明所述填料为粒度为100-500nm的木粉或云母粉。
[0013] 优选地，本发明所述增韧剂为SBS-g-MAH。
[0014] 优选地，本发明所述增容剂为POE-g-MAH。
[0015] 优选地，本发明所述辐照敏化剂为TAIC。
[0016]本发明要解决的另一技术问题是提供上述碳纤维-尼龙复合材料的制造方法。
[0017] 为解决上述技术问题，技术方案是：
[0018] -种碳纤维-尼龙复合材料的制造方法，包括以下步骤：
[0019] (1)将纳米氧化锡粉体加入去离子水中，搅拌2小时配制为质量浓度为10%的料 浆，加热至80 °C后加入纳米氧化锡粉体质量8 %的油酸钠，600rpm搅拌速度下恒温搅拌4小 时，冷却后过滤，将过滤后的乳液加入质量浓度为10%的A1C13溶液破乳，放入恒温干燥箱 中100 °C下真空干燥至恒重，得到改性纳米氧化锡；
[0020] (2)按配方量将尼龙用鼓风干燥机90°C下干燥5小时，然后与抗氧剂、阻燃剂、分散 剂、填料、增韧剂、增容剂、辐照敏化剂、PTFE、步骤(1)得到的改性纳米氧化锡一起加入高速 混合机种混合8分钟，得到混合料；
[0021] (3)将步骤(2)得到的混合料加入双螺杆挤出机的主进料口，将碳纤维加入双螺杆 挤出机的侧进料口，熔融、挤出、冷却、干燥、切粒，得到碳纤维-尼龙复合材料，双螺杆挤出 机的螺杆转速为180rpm，加料段温度为220°C，混合压缩段温度为240°C，熔融段温度为250 °C，均化段温度为255°C，机头温度为225°C。
[0022] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0023] (1)纳米氧化锡具有很好的耐高温氧化性能，不过作为一种无机材料，其与尼龙基 体之间的相容性较差，不容易分散，直接添加会降低复合材料的力学性能，因此本发明通过 油酸钠对其进行表面改性，油酸钠分子完全覆盖于纳米氧化锡的表面，油酸钠的亲水基团 与纳米氧化锡表面的羟基键合，同时油酸钠的疏水基团朝外与尼龙基体的大分子链缠绕结 合，改善了纳米氧化锡与尼龙基体之间的相容性和界面结合强度，使得纳米氧化锡能均匀 分散于尼龙基体内，当复合材料处于高温环境中时，纳米氧化锡可对起到很好的隔断屏蔽 作用，阻碍氧气与复合材料的接触，从而有效提高复合材料的耐高温氧化性。
[0024] (2)PTFE是聚四氟乙烯的英文简写，具有较高的耐化学腐蚀性能，在各种酸包括王 水中煮沸其重量、性能也没有什么变化，本发明将其与增容剂一起加入尼龙基体中，增容剂 可起到很好的增容作用，使得PTFE能与尼龙基体产生强度很好的结合，从而有效提高复合 材料的耐酸性。
【具体实施方式】
[0025]下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明 用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0026] 实施例1
[0027] 碳纤维-尼龙复合材料，其重量份组成为:尼龙1010 88份，抗氧剂168 0.4份，十溴 二苯乙烷5份，油酸酰胺0.6份，100-500nm的云母粉20份，SBS-g-MAH 8份，POE-g-MAH 3.5 份，TAIC 1.2份，纳米氧化锡11份，PTFE 7份，碳纤维15份。
[0028]其制造方法包括以下步骤：
[0029] (1)将纳米氧化锡粉体加入去离子水中，搅拌2小时配制为质量浓度为10%的料 浆，加热至80 °C后加入纳米氧化锡粉体质量8 %的油酸钠，600rpm搅拌速度下恒温搅拌4小 时，冷却后过滤，将过滤后的乳液加入质量浓度为10%的A1C13溶液破乳，放入恒温干燥箱 中100 °C下真空干燥至恒重，得到改性纳米氧化锡；
[0030] (2)按配方量将尼龙1010用鼓风干燥机90°C下干燥5小时，然后与抗氧剂168、十溴 二苯乙烷、油酸酰胺、粒度为100-500nm的云母粉、SBS-g-MAH、POE-g-MAH、TAIC、PTFE、步骤 (1)得到的改性纳米氧化锡一起加入高速混合机种混合8分钟，得到混合料；
[0031] (3)将步骤(2)得到的混合料加入双螺杆挤出机的主进料口，将碳纤维加入双螺杆 挤出机的侧进料口，熔融、挤出、冷却、干燥、切粒，得到碳纤维-尼龙复合材料，双螺杆挤出 机的螺杆转速为180rpm，加料段温度为220°C，混合压缩段温度为240°C，熔融段温度为250 °C，均化段温度为255°C，机头温度为225°C。
[0032] 实施例2
[0033]碳纤维-尼龙复合材料，其重量份组成为：尼龙610 95份，抗氧剂168 0.3份，十溴 二苯乙烷7份，油酸酰胺0.4份，100-500nm的云母粉16份，SBS-g-MAH 6份，POE-g-MAH 5份， TAIC 1.6份，纳米氧化锡10.5份，PTFE 7.5份，碳纤维15份。
[0034]其制造方法包括以下步骤：
[0035] (1)将纳米氧化锡粉体加入去离子水中，搅拌2小时配制为质量浓度为10%的料 浆，加热至80 °C后加入纳米氧化锡粉体质量8 %的油酸钠，600rpm搅拌速度下恒温搅拌4小 时，冷却后过滤，将过滤后的乳液加入质量浓度为10%的A1C13溶液破乳，放入恒温干燥箱 中100 °C下真空干燥至恒重，得到改性纳米氧化锡；
[0036] (2)按配方量将尼龙610用鼓风干燥机90 °C下干燥5小时，然后与抗氧剂168、十溴 二苯乙烷、油酸酰胺、粒度为100-500nm的云母粉、SBS-g-MAH、POE-g-MAH、TAIC、PTFE、步骤 (1)得到的改性纳米氧化锡一起加入高速混合机种混合8分钟，得到混合料；
[0037] (3)将步骤(2)得到的混合料加入双螺杆挤出机的主进料口，将碳纤维加入双螺杆 挤出机的侧进料口，熔融、挤出、冷却、干燥、切粒，得到碳纤维-尼龙复合材料，双螺杆挤出 机的螺杆转速为180rpm，加料段温度为220°C，混合压缩段温度为240°C，熔融段温度为250 °C，均化段温度为255°C，机头温度为225°C。
[0038] 实施例3
[0039]碳纤维-尼龙复合材料，其重量份组成为：尼龙610 85份，抗氧剂168 0.8份，十溴 二苯乙烷9份，油酸酰胺0.2份，100-500nm的木粉18份，SBS-g-MAH 7份，POE-g-MAH 4.5份， TAIC 1份，纳米氧化锡12份，PTFE 8份，碳纤维15份。
[0040] 其制造方法包括以下步骤：
[0041] (1)将纳米氧化锡粉体加入去离子水中，搅拌2小时配制为质量浓度为10%的料 浆，加热至80 °C后加入纳米氧化锡粉体质量8 %的油酸钠，600rpm搅拌速度下恒温搅拌4小 时，冷却后过滤，将过滤后的乳液加入质量浓度为10%的A1C13溶液破乳，放入恒温干燥箱 中100 °c下真空干燥至恒重，得到改性纳米