高浸潤性高強(qiáng)度連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚偏氟乙烯復(fù)合材料及制法
【專利摘要】本發(fā)明涉及高浸潤性高強(qiáng)度連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚偏氟乙烯復(fù)合材料及其制備方法，將60-90份PVDF樹脂、0.1-0.5份抗氧劑、0.1-0.6份潤滑劑加入到高混機(jī)中，混合好的物料加入到雙螺桿擠出機(jī)中；采用連接于擠出機(jī)頭的連續(xù)纖維增強(qiáng)PVDF樹脂的浸漬設(shè)備，將擠出機(jī)擠出的熔體從浸漬設(shè)備的熔體入口處擠入到浸漬槽中；連續(xù)碳纖維先從浸漬設(shè)備的纖維入口處進(jìn)入到浸漬設(shè)備中的表面處理室，進(jìn)行表面處理，然后進(jìn)入浸漬設(shè)備的浸漬槽中，與所得PVDF熔體進(jìn)行充分浸潤；通過牽引機(jī)從浸漬設(shè)備的定型口模牽出，并通過切粒機(jī)切粒得到復(fù)合材料產(chǎn)品。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明再生碳纖維增強(qiáng)PVDF復(fù)合材料密度低，強(qiáng)度高，力學(xué)性能優(yōu)異，具有節(jié)能環(huán)保、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】高浸潤性高強(qiáng)度連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚偏氟乙烯復(fù)合材料及制 法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高分子材料回收【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高浸潤性高強(qiáng)度連續(xù)碳纖維 增強(qiáng)聚偏氟乙烯復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 聚偏氟乙烯（PVDF)在氟塑料中具有最強(qiáng)韌性、低摩擦系數(shù)、耐腐蝕性強(qiáng)、耐老化 性、耐氣候，耐輻照性能好等特點(diǎn)，因此被廣泛的應(yīng)用于涂料、石油化工設(shè)備管道、功能膜等 領(lǐng)域。但是PVDF自身強(qiáng)度低，限制了其在某些對制品強(qiáng)度要求較高領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0003] 連續(xù)纖維增強(qiáng)聚偏氟乙烯復(fù)合材料是以連續(xù)纖維，如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維 等無機(jī)或有機(jī)纖維作為增強(qiáng)材料，以聚偏氟乙烯樹脂為基體，通過特殊工藝制造的新型復(fù) 合材料；與短纖維或長纖維增強(qiáng)的聚偏氟乙烯復(fù)合材料相比，連續(xù)纖維增強(qiáng)的聚偏氟乙烯 復(fù)合材料力學(xué)性能有了質(zhì)的飛躍，具有重量輕、比強(qiáng)度高、比模量高、耐腐蝕性好等優(yōu)異性 能，特別適合用于汽車、飛機(jī)、防護(hù)及其他對力學(xué)性能要求較高、需要減輕重量的用途，是當(dāng) 今復(fù)合材料市場中發(fā)展最快的材料之一。
[0004] 碳纖維是一種具有很高強(qiáng)度和模量的耐高溫纖維、密度低，這些優(yōu)異的特性賦予 了碳纖維復(fù)合材料具有很高的力學(xué)性能，是其他玻璃纖維等增強(qiáng)復(fù)合材料所無法比擬的， 因此被廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、軌道交通、新能源、體育用品等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng) 域。而采用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料性能與其他連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比，具有更高 的力學(xué)性能，同時重量輕，具有很廣的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0005] 但是連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PVDF復(fù)合材料制備的技術(shù)關(guān)鍵在于纖維的分散與浸漬。纖 維分散效果的好壞、樹脂能否完全浸潤到纖維當(dāng)中、以及纖維與樹脂的相容性直接決定著 最終產(chǎn)品性能的優(yōu)劣。而對現(xiàn)有專利技術(shù)檢索發(fā)現(xiàn)，并未有連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PVDF復(fù)合材料 的相關(guān)報(bào)道。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種節(jié)能環(huán)保的高 浸潤性高強(qiáng)度連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚偏氟乙烯復(fù)合材料及其制備方法。
[0007] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種高浸潤性高強(qiáng)度連續(xù)碳纖維增 強(qiáng)聚偏氟乙烯復(fù)合材料，其特征在于，包含以下重量份的組分：
[0008] PVDF 樹脂 60-90 份， 連續(xù)碳纖維 KMO份， 抗氧劑 0,1-0.7份， 潤滑劑 0.1-0.6份，
[0009] 纖維表面處理劑，其含量為相對于連續(xù)碳纖維的質(zhì)量百分含量為1-3%。
[0010] 所述的連續(xù)碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維或浙青基碳纖維。
[0011] 所述的纖維表面處理劑為硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑中的一種或 一種以上。
[0012] 所述的抗氧劑為四（β-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基）丙酸季戊四醇酯）（抗氧 劑1010)、3, 5-二叔丁基-4-羥基苯丙酰-己二胺（抗氧劑1098)、磷酸三-(2,4-二叔丁基 苯酚酯）（抗氧劑168)中的一種或一種以上。
[0013] 所述的潤滑劑為硬脂酸、硬脂酸鈣、硬脂酸鋅、乙撐雙硬脂酰胺（EBS)、芥酸酰胺中 的一種或一種以上。
[0014] 一種高浸潤性高強(qiáng)度連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚偏氟乙烯復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于，該方法包括以下步驟：
[0015] (1)將60-90份PVDF樹脂、0· 1-0. 5份抗氧劑、0· 1-0. 6份潤滑劑加入到高混機(jī)中， 常溫下高速混合3-5min后停止，然后將混合好的物料加入到雙螺桿擠出機(jī)中；
[0016] (2)采用連接于擠出機(jī)頭的連續(xù)纖維增強(qiáng)PVDF樹脂的浸漬設(shè)備，將擠出機(jī)擠出的 熔體從浸漬設(shè)備的熔體入口處擠入到浸漬槽中；
[0017] (3)連續(xù)碳纖維先從浸漬設(shè)備的纖維入口處進(jìn)入到浸漬設(shè)備中的表面處理室，表 面處理室中的纖維表面處理劑對連續(xù)碳纖維進(jìn)行表面處理，然后表面處理好的碳纖維緊接 著進(jìn)入浸漬設(shè)備的浸漬槽中，在浸漬槽中碳纖維進(jìn)行分散并與步驟（2)所得PVDF熔體進(jìn)行 充分浸潤；
[0018] (4)步驟（3)所得充分浸潤有PVDF樹脂后的碳纖維通過牽引機(jī)從浸漬設(shè)備的定 型口模牽出，并通過切粒機(jī)切粒得到復(fù)合材料產(chǎn)品。
[0019] 所述的雙螺桿擠出機(jī)的螺桿直徑為50mm，長徑比為44 : 1，擠出機(jī)溫度為 160-2KTC，浸漬設(shè)備的浸漬槽溫度設(shè)定在220°C ;
[0020] 所述的復(fù)合材料產(chǎn)品中碳纖維含量通過調(diào)節(jié)浸漬設(shè)備的定型口模尺寸在2-5mm 和擠出機(jī)的轉(zhuǎn)速及喂料速度來控制在10-40%之間；通過調(diào)節(jié)切粒機(jī)切刀轉(zhuǎn)速，使最終 制備得到的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料產(chǎn)品的顆粒長度控制在8-12mm，粒徑控制在 1-5mm η
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了纖維的表面處理、纖維分散和與樹脂浸潤復(fù)合在 一個浸漬設(shè)備中連續(xù)完成，簡化了生產(chǎn)工藝；得到的復(fù)合材料中碳纖維與PVDF不僅具有很 好的浸潤性，而且碳纖維與PVDF在浸潤前通過表面處理劑處理，使兩者有了很好的界面結(jié) 合性；制備得到的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PVDF復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異，同時密度低，復(fù)合材料可 以廣泛的應(yīng)用于航空航天，汽車，機(jī)械，電子電器，家電等產(chǎn)品零部件。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0023] 以下實(shí)施例中，彎曲性能測試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D790,無缺口沖擊強(qiáng)度測試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D256。
[0024] 實(shí)施例1
[0025] 稱取60份PVDF樹脂、0. 3份抗氧劑1010、0. 1份抗氧劑168、0. 1份潤滑劑EBS在 高混機(jī)中常溫混合5min，然后加入到雙螺桿擠出機(jī)擠出，所得熔體從浸漬設(shè)備的熔體進(jìn)入 口擠入到浸漬設(shè)備的浸漬槽中；
[0026] 將連續(xù)碳纖維（日本東麗公司，牌號T300)從浸漬設(shè)備的纖維入口處引入，進(jìn)入 浸漬設(shè)備的表面處理室，控制表面處理劑娃燒偶聯(lián)劑KH560相對于碳纖維的重量含量為 1%，然后將經(jīng)表面處理劑處理后的碳纖維引入到浸漬設(shè)備的浸漬槽中，實(shí)現(xiàn)碳纖維的分 散并與PVDF樹脂進(jìn)行復(fù)合；通過選擇定型口模的尺寸（2_)，同時調(diào)整擠出機(jī)的主機(jī)轉(zhuǎn)速 13-14取，喂料速度在9-10取，控制連續(xù)碳纖維含量在40%左右；調(diào)節(jié)切粒機(jī)的轉(zhuǎn)速，使制 備得到的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PVDF復(fù)合材料的長度在IOmm左右，粒徑在3mm左右；
[0027] 雙螺桿擠出機(jī)的直接為50mm，螺桿長徑比44 : 1，雙螺桿機(jī)各區(qū)溫度為：1區(qū) 160°C，2 區(qū) 170°C，3 區(qū) 170°C，4 區(qū) 180°C，5 區(qū) 180°C，6 區(qū) 190°C，7 區(qū) 190°C，8 區(qū) 200°C，9 區(qū)210°C，浸漬槽220°C。
[0028] 實(shí)施例2
[0029] 稱取80份PVDF樹脂、0. 5份抗氧劑1098、0. 2份抗氧劑168、0. 3份潤滑劑硬脂酸 鈣在高混機(jī)中常溫混合3min，然后加入到雙螺桿擠出機(jī)擠出，將熔體從浸漬設(shè)備的熔體進(jìn) 入口擠入到浸漬設(shè)備的浸漬槽中；
[0030] 將連續(xù)碳纖維（日本東麗公司，牌號T300J)從浸漬設(shè)備的纖維入口處引入，進(jìn)入 浸漬設(shè)備的表面處理室，控制表面處理劑鈦酸酯偶聯(lián)劑異丙基三異十八酰鈦酸酯相對于碳 纖維的重量含量為2%，然后將經(jīng)表面處理劑處理后的碳纖維引入到浸漬設(shè)備的浸漬槽中， 實(shí)現(xiàn)碳纖維的分散并與PVDF脂進(jìn)行復(fù)合；通過選擇定型口模的尺寸（4_)，同時調(diào)整擠出 機(jī)的主機(jī)轉(zhuǎn)速13-14!12，喂料速度在9-10取，控制連續(xù)碳纖維含量在20%左右 ；調(diào)節(jié)切粒機(jī) 的轉(zhuǎn)速，使制備得到的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PVDF復(fù)合材料的長度在IOmm左右，粒徑在3mm左 右；
[0031] 雙螺桿擠出機(jī)的直接為50mm，螺桿長徑比44 : 1，雙螺桿機(jī)各區(qū)溫度為：1區(qū) 160°C，2 區(qū) 170°C，3 區(qū) 170°C，4 區(qū) 180°C，5 區(qū) 180°C，6 區(qū) 190°C，7 區(qū) 190°C，8 區(qū) 200°C，9 區(qū)210°C，浸漬槽220°C。
[0032] 實(shí)施例3
[0033] 稱取90份PVDF樹脂、0. 3份抗氧劑1098、0. 1份抗氧劑168、0. 6份潤滑劑硬脂酸 在高混機(jī)中常溫混合5min，然后加入到雙螺桿擠出機(jī)擠出，將熔體從浸漬設(shè)備的熔體進(jìn)入 口擠入到浸漬設(shè)備的浸漬槽中；
[0034] 將連續(xù)碳纖維（日本東麗公司，牌號T700S)從浸漬設(shè)備的纖維入口處引入，進(jìn)入 浸漬設(shè)備的表面處理室，控制表面處理劑鋁酸酯偶聯(lián)劑二硬脂酰氧異丙基鋁酸酯相對于碳 纖維的重量含量為3%，然后將經(jīng)表面處理劑處理后的碳纖維引入到浸漬設(shè)備的浸漬槽中， 實(shí)現(xiàn)碳纖維的分散并與PVDF樹脂進(jìn)行復(fù)合；通過選擇定型口模的尺寸（5_)，同時調(diào)整擠 出機(jī)的主機(jī)轉(zhuǎn)速15-16取，喂料速度在11-12取，控制連續(xù)碳纖維含量在5%左右；調(diào)節(jié)切粒 機(jī)的轉(zhuǎn)速，使制備得到的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PVDF復(fù)合材料的長度在IOmm左右，粒徑在3mm左 右；
[0035] 雙螺桿擠出機(jī)的直接為50mm，螺桿長徑比44 : 1，雙螺桿機(jī)各區(qū)溫度為：1區(qū) 160°C，2 區(qū) 170°C，3 區(qū) 170°C，4 區(qū) 180°C，5 區(qū) 180°C，6 區(qū) 190°C，7 區(qū) 190°C，8 區(qū) 200°C，9 區(qū)210°C，浸漬槽220°C。
[0036] 實(shí)施例4
[0037] 稱取70份PVDF樹脂、0. 3份抗氧劑1010、0. 1份抗氧劑168、0. 6份潤滑劑硬脂酸 鋅在高混機(jī)中常溫混合5min，然后加入到雙螺桿擠出機(jī)擠出，將熔體從浸漬設(shè)備的熔體進(jìn) 入口擠入到浸漬設(shè)備的浸漬槽中；
[0038] 將連續(xù)碳纖維（日本東麗公司，牌號T800H)從浸漬設(shè)備的纖維入口處引入，進(jìn)入 浸漬設(shè)備的表面處理室，控制表面處理劑鋁酸酯偶聯(lián)劑二硬脂酰氧異丙基鋁酸酯相對于碳 纖維的重量含量為2%，然后將經(jīng)表面處理劑處理后的碳纖維引入到浸漬設(shè)備的浸漬槽中， 實(shí)現(xiàn)碳纖維的分散并與PVDF樹脂進(jìn)行復(fù)合；通過選擇定型口模的尺寸（3_)，同時調(diào)整擠 出機(jī)的主機(jī)轉(zhuǎn)速13-14取，喂料速度在8-9取，控制連續(xù)碳纖維含量在30%左右；調(diào)節(jié)切粒 機(jī)的轉(zhuǎn)速，使制備得到的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PVDF復(fù)合材料的長度在IOmm左右，粒徑在3mm左 右；
[0039] 雙螺桿擠出機(jī)的直接為50mm，螺桿長徑比44 : 1，雙螺桿機(jī)各區(qū)溫度為：1區(qū) 160°C，2 區(qū) 170°C，3 區(qū) 170°C，4 區(qū) 180°C，5 區(qū) 180°C，6 區(qū) 190°C，7 區(qū) 190°C，8 區(qū) 200°C，9 區(qū)210°C，浸漬槽220°C。
[0040] 對比例
[0041] 稱取100份PVDF樹脂、0. 5份抗氧劑1098、0. 2份抗氧劑168、0. 3份潤滑劑芥酸酰 胺在高混機(jī)中常溫混合3min，然后加入到雙螺桿擠出機(jī)擠出，冷卻切粒，得到長度在4mm左 右,粒徑在3mm左右；
[0042] 雙螺桿擠出機(jī)的直接為50mm，螺桿長徑比44 : 1，雙螺桿機(jī)各區(qū)溫度為：1區(qū) 160°C，2 區(qū) 170°C，3 區(qū) 170°C，4 區(qū) 180°C，5 區(qū) 180°C，6 區(qū) 190°C，7 區(qū) 190°C，8 區(qū) 200°C，9 區(qū)210°C，浸漬槽220°C。
[0043] 各實(shí)施例力學(xué)性能測試結(jié)果如下表1所示：
[0044] 表1力學(xué)性能測試結(jié)果
[0045]
【權(quán)利要求】
1. 一種高浸潤性高強(qiáng)度連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚偏氟乙烯復(fù)合材料，其特征在于，包含以下 重量份的組分： PVDF 樹脂 60-90 份， 連續(xù)碳纖維 KMO份， 抗氧劑 0.1-0.7份， 潤滑劑 0.1-0.6份， 纖維表面處理劑，其含量為相對于連續(xù)碳纖維的質(zhì)量百分含量為1-3%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高浸潤性高強(qiáng)度連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚偏氟乙烯復(fù)合材料，其特 征在于，所述的連續(xù)碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維或浙青基碳纖維。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高浸潤性高強(qiáng)度連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚偏氟乙烯復(fù)合材料，其特 征在于，所述的纖維表面處理劑為硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑中的一種或一 種以上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高浸潤性高強(qiáng)度連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚偏氟乙烯復(fù)合材料，其特 征在于，所述的抗氧劑為四（β-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基）丙酸季戊四醇酯）（抗氧劑 1010)、3, 5-二叔丁基-4-羥基苯丙酰-己二胺（抗氧劑1098)、磷酸三-(2,4-二叔丁基苯 酚酯）（抗氧劑168)中的一種或一種以上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高浸潤性高強(qiáng)度連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚偏氟乙烯復(fù)合材料，其特 征在于，所述的潤滑劑為硬脂酸、硬脂酸鈣、硬脂酸鋅、乙撐雙硬脂酰胺（EBS)、芥酸酰胺中 的一種或一種以上。
6. -種如權(quán)利要求1所述的高浸潤性高強(qiáng)度連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚偏氟乙烯復(fù)合材料的 制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： (1) 將60-90份PVDF樹脂、0. 1-0. 5份抗氧劑、0. 1-0. 6份潤滑劑加入到高混機(jī)中，常溫 下高速混合3-5min后停止，然后將混合好的物料加入到雙螺桿擠出機(jī)中； (2) 采用連接于擠出機(jī)頭的連續(xù)纖維增強(qiáng)PVDF樹脂的浸漬設(shè)備，將擠出機(jī)擠出的熔體 從浸漬設(shè)備的熔體入口處擠入到浸漬槽中； (3) 連續(xù)碳纖維先從浸漬設(shè)備的纖維入口處進(jìn)入到浸漬設(shè)備中的表面處理室，表面處 理室中的纖維表面處理劑對連續(xù)碳纖維進(jìn)行表面處理，然后表面處理好的碳纖維緊接著進(jìn) 入浸漬設(shè)備的浸漬槽中，在浸漬槽中碳纖維進(jìn)行分散并與步驟（2)所得PVDF熔體進(jìn)行充分 浸潤； (4) 步驟（3)所得充分浸潤有PVDF樹脂后的碳纖維通過牽引機(jī)從浸漬設(shè)備的定型口模 牽出，并通過切粒機(jī)切粒得到復(fù)合材料產(chǎn)品。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高浸潤性高強(qiáng)度連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚偏氟乙烯復(fù)合材料， 其特征在于，所述的雙螺桿擠出機(jī)的螺桿直徑為50mm，長徑比為44 : 1，擠出機(jī)溫度為 160-2KTC，浸漬設(shè)備的浸漬槽溫度設(shè)定在220°C。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高浸潤性高強(qiáng)度連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚偏氟乙烯復(fù)合材料，其 特征在于，所述的復(fù)合材料產(chǎn)品中碳纖維含量通過調(diào)節(jié)浸漬設(shè)備的定型口模尺寸在2-5mm 和擠出機(jī)的轉(zhuǎn)速及喂料速度來控制在10-40 %之間；通過調(diào)節(jié)切粒機(jī)切刀轉(zhuǎn)速，使最終 制備得到的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料產(chǎn)品的顆粒長度控制在8-12mm，粒徑控制在 l-5mm〇
【文檔編號】B29C47/92GK104371229SQ201410620345
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】宋晨晨, 袁角亮, 楊斌, 王新靈 申請人:上海交通大學(xué)