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一種碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料及其制備方法

文檔序號:3604681閱讀:139來源:國知局
一種碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料及其制備方法,包括短碳纖維和熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯;其中,短碳纖維的質量百分比含量為5-40%,熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯的質量百分比含量為60-95%。與現(xiàn)有技術相比,本發(fā)明具有方法相對簡單,并適于工業(yè)化加工生產等優(yōu)點。
【專利說明】一種碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料及其制備方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于碳纖維復合材料【技術領域】,具體涉及一種碳纖維增強熱塑性樹脂聚偏 氟乙烯復合材料(PVDF/CF)及其制備方法。

【背景技術】
[0002] 碳纖維是一種含碳量在95%以上的新型纖維材料。碳纖維具有許多優(yōu)異的性能, 包括低密度(1. 75-2. 18g/cm3),高拉伸強度(2-7GPa),良好的抗壓強度(可達3GPa),高拉 伸模量(200-900GPa),良好的耐高溫性能,低熱膨脹率,優(yōu)異的導電導熱性能和化學惰性 等。碳纖維主要用于增強高分子、金屬及陶瓷等材料,其中碳纖維增強高分子復合材料由于 具有輕質高強高模等優(yōu)點,能夠顯著降低部件的質量起到節(jié)能環(huán)保作用,而廣泛應用于國 防軍事、航空航天、新能源、汽車以及體育休閑用品等領域。
[0003] 聚偏氟乙烯是氟塑料中產量排名第二的熱塑性樹脂,具有良好加工性、耐化學腐 蝕性、耐高溫性、抗疲勞、壓電性和介電性等。聚偏氟乙烯是石油化工設備泵、閥門、管道、管 路配件、儲槽和熱交換器的最佳材料之一。將碳纖維與聚偏氟乙烯復合能夠得到力學性能 和功能性兼具的復合材料。專利EP0062732(B1)利用碳纖維增強聚偏氟乙烯制備出高強 度、耐酸腐蝕、低收縮率的復合材料。該專利中碳纖維含量小于20wt %,不能夠對聚偏氟乙 烯充分增強。專利CN201907651(U)將聚偏氟乙烯壓電薄膜傳感器對稱覆蓋在碳纖維薄皮 上,形成聚偏氟乙烯智能傳感機翼。該專利只是將碳纖維薄片和熱塑性樹脂聚偏氟乙烯簡 單貼合在一起,并未將兩者本體充分混合形成復合材料。專利CN102040761(A)利用碳纖維 填充熱塑性樹脂(如聚偏氟乙烯)制備力學性能良好的高導熱復合材料,其中碳纖維含量 在5-35wt%。該專利將碳纖維作為導熱填料填充到熱塑性樹脂中,但并未對此種復合材料 的力學性能進行研究說明。
[0004] 碳纖維對熱塑性樹脂聚偏氟乙烯有明顯的增強作用,碳纖維含量越高,對復合材 料的增強作用越顯著。國內外還未有關于高碳纖維含量(超過30wt%)對聚偏氟乙烯增強 作用的相關專利,對于這種熱塑性復合材料的制備也沒有適于工業(yè)化生產的方法。而在高 碳纖維含量下,不僅提高復合材料的力學性能,擴展碳纖維增強熱塑性樹脂聚偏氟乙烯復 合材料(PVDF/CF)的應用,更能降低制品的質量。碳纖維增強熱塑性樹脂聚偏氟乙烯復合 材料(PVDF/CF)是一種有待進一步開發(fā)的高強材料。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種可顯著提高材 料的力學性能、方法簡單、并適用于工業(yè)化生產的碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn):一種碳纖維增強熱塑性樹脂復合材 料,其特征在于,包括短碳纖維和熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯;其中,短碳纖維的質量百分 比含量為5-40%,熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯的質量百分比含量為60-95%。
[0007] 所述的短碳纖維包括浙青基、聚丙烯腈基或粘膠基碳纖維,短碳纖維長度在 10um-30mm 之間。
[0008] 所述的短碳纖維優(yōu)選高拉伸強度的聚丙烯腈基碳纖維。
[0009] 所述的短碳纖維的質量百分比含量優(yōu)選40%。
[0010] 所述的熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯包括注塑級、擠出級、填充級、板材級或阻燃級 等的粒料或粉體,熔點為165-172°C,密度為1. 77-1. 79g/m3。 toon] 所述的熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯優(yōu)選注塑級或擠出級的聚偏氟乙烯粒料或粉 體。
[0012] 一種碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料的制備方法,其特征在于,將原料短碳纖維 和熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯充分干燥,然后在180-195°c之間進行熔融共混,利用模具將 共混物在195-2KTC之間和壓力15MPa下,成型為所需尺寸和形狀的板材,得到碳纖維增強 熱塑性樹脂聚偏氟乙烯復合材料。
[0013] 所述的原料還包括加工助劑,所述的加工助劑包括抗氧劑、偶聯(lián)劑、阻燃劑、相容 劑中的一種或幾種。
[0014] 所述的干燥為70°C下干燥12小時。
[0015] 所述的熔融共混在雙螺桿擠出機、開煉機或密煉機中進行;所述的成型的方法包 括注射成型、熱壓成型、擠出成型或層壓成型。
[0016] 所述的制備方法中,碳纖維增強熱塑性樹脂聚偏氟乙烯復合材料(PVDF/CF)的切 割方法可以是機械切割、水刀切割、數(shù)控切割、激光切割和超聲切割。水刀切割對切口材料 微觀組織基本沒有影響,本發(fā)明實施例中選用水刀切割樣品為長和寬分別是l〇cm和lcm的 測試樣條。
[0017] 與現(xiàn)有技術相比,本發(fā)明通過將短碳纖維與熱塑性樹脂聚偏氟乙烯熔融共混,再 通過熱壓成型制備出高碳纖維含量的復合材料,顯著提高了碳纖維增強熱塑性樹脂聚偏氟 乙烯復合材料(PVDF/CF)的力學性能,利用萬能電子拉力機測試其彎曲性能(測試標準為 ASTM D790-2003),在40wt%的碳纖維含量下,碳纖維增強熱塑性樹脂聚偏氟乙烯復合材料 (PVDF/CF)的彎曲強度和模量相較于純聚偏氟乙烯材料分別提高44%和275%。本方法相 對簡單,并適于工業(yè)化的加工生產。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明PVDF/CF的SEM圖。

【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0020] 實施例1
[0021] 將長度為l〇mm的短碳纖維(東麗T70012K)和熱塑性樹脂聚偏氟乙烯(Kynar720) 在70°C下干燥12小時。取4g干燥后的短碳纖維與76g聚偏氟乙烯在轉矩流變儀(HAKKE Polyab 0S)中進行烙融共混,溫度185°C,轉速50r/min,共混時間lOmin,使得碳纖維均勻 分散在樹脂基體聚偏氟乙烯中。利用模具在高溫平板硫化機(XLB-D)上將共混物熱壓成 型為10cmX10cmX2mm的板材,工藝參數(shù)為:溫度195°C,壓力15MPa,熱壓時間6min。使用 超高壓水流切割機(Waterjet pro)將板材切割成所需大小的測試樣條。萬能電子拉力機 (Instron4465)測試復合材料的彎曲性能。
[0022] 本實施例制備的5wt %碳纖維含量PVDF/CF,彎曲強度為48MPa,彎曲模量為 2697MPa。相較于比較例1中的純聚偏氟乙烯材料,5wt%碳纖維含量PVDF/CF的彎曲強度 和模量分別提高7 %和20%。
[0023] 實施例2
[0024] 將長度為10mm的短碳纖維(東麗T70012K)和熱塑性樹脂聚偏氟乙烯(Kynar720) 在70°C下干燥12小時。取16g干燥后的短碳纖維與64g聚偏氟乙烯在轉矩流變儀(HAKKE Polyab 0S)中進行烙融共混,溫度185°C,轉速50r/min,共混時間lOmin,使得碳纖維均勻 分散在樹脂基體聚偏氟乙烯中。其它如實施例1。
[0025] 本實施例制備的20wt%碳纖維含量PVDF/CF,彎曲強度為55MPa,彎曲模量為 5327MPa。相較于比較例1中的純聚偏氟乙烯材料,20wt%碳纖維含量PVDF/CF的彎曲強度 和模量分別提高22%和136%。20wt%碳纖維含量PVDF/CF的斷面的掃描電鏡圖片如圖1 所示,碳纖維均勻分散在樹脂基體聚偏氟乙烯中,兩者界面結合良好。
[0026] 實施例3
[0027] 將長度為10mm的短碳纖維(東麗T70012K)和熱塑性樹脂聚偏氟乙烯(Kynar720) 在70°C下干燥12小時。取32g干燥后的短碳纖維與48g聚偏氟乙烯在轉矩流變儀(HAKKE Polyab 0S)中進行烙融共混,溫度185°C,轉速50r/min,共混時間lOmin,使得碳纖維均勻 分散在樹脂基體聚偏氟乙烯中。其它如實施例1。
[0028] 本實施例制備的40wt%碳纖維含量PVDF/CF,彎曲強度為65MPa,彎曲模量為 8451MPa。相較于比較例1中的純聚偏氟乙烯材料,40wt%碳纖維含量PVDF/CF的彎曲強度 和模量分別提高44%和275%。可以看出,隨著碳纖維含量的增加,復合材料的力學性能顯 著提高。
[0029] 比較例1
[0030] 將熱塑性樹脂聚偏氟乙烯(Kynar720)在70°C下干燥12小時。取80g聚偏氟乙 烯在轉矩流變儀(HAKKE Polyab 0S)中進行熔融共混,溫度185°C,轉速50r/min,共混時間 10min。其它如實施例1。
[0031] 本比較例制備的純聚偏氟乙烯材料,彎曲強度為45MPa,彎曲模量為2254MPa。
[0032] 比較例2
[0033] 將長度為10mm的短碳纖維(東麗T70012K)和熱塑性樹脂聚偏氟乙烯(Kynar720) 在70°C下干燥12小時。取40g干燥后的短碳纖維與40g聚偏氟乙烯在轉矩流變儀(HAKKE Polyab 0S)中進行烙融共混,溫度185°C,轉速50r/min,共混時間10min,使得碳纖維均勻 分散在樹脂基體聚偏氟乙烯中。其它如實施例1。
[0034] 本比較例制備的50wt%碳纖維含量PVDF/CF,彎曲強度為62MPa,彎曲模量為 8013MPa。理論上,復合材料的強度應該隨著碳纖維含量的增加而提高。但在本比較例中, 相較于40wt%碳纖維含量PVDF/CF復合材料,50wt%碳纖維含量PVDF/CF的彎曲強度和彎 曲模量稍有下降。這可能是因為在碳纖維的含量為50wt%時,碳纖維含量過高,難以在樹脂 基體中均勻分散,因而導致碳纖維增強聚偏氟乙烯復合材料的力學性能降低。而碳纖維本 身價格又相對昂貴,所以綜合力學性能和成本因素,50wt%碳纖維含量的PVDF/CF是不合 理的。
[0035] 實施例4
[0036] -種碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料的制備方法,將長度在10um、質量百分比含 量為30%短碳纖維和質量百分比含量為70%熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯(熔點為165°C, 密度為1. 77g/m3)充分干燥,然后在雙螺桿擠出機180°C之間進行熔融共混、造粒,在195°C 下注射成型為所需尺寸和形狀的板材,得到碳纖維增強熱塑性樹脂聚偏氟乙烯復合材料。
[0037] 實施例5
[0038] -種碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料的制備方法,將長度在30mm、質量百分比含 量為40%短碳纖維和質量百分比含量為60%熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯(熔點為172°C, 密度為1. 79g/m3)充分干燥,然后在雙螺桿擠出機195°C進行熔融共混、造粒,在210°C下注 射成型為所需尺寸和形狀的板材,得到碳纖維增強熱塑性樹脂聚偏氟乙烯復合材料。
[0039] 以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應該指出,對 于本【技術領域】的普通技術人員來說,在不脫離本發(fā)明原理的前提下,還可以對本發(fā)明進行 若干改進和修飾,這些改進和修飾也落入本發(fā)明權利要求的保護范圍內。
[0040] 對所公開的實施例的上述說明,使本領域專業(yè)技術人員能夠實現(xiàn)或使用本發(fā)明。 對這些實施例的多種修飾對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的,本文中所定義的 一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下,在其它實施例中實現(xiàn)。因此,本發(fā)明 將不會被限制于本文所示的這些實施例,而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一 致的最寬的范圍。
【權利要求】
1. 一種碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料,其特征在于,包括短碳纖維和熱塑性樹脂基 體聚偏氟乙烯;其中,短碳纖維的質量百分比含量為5-40%,熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯 的質量百分比含量為60-95%。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料,其特征在于,所述的 短碳纖維包括浙青基、聚丙烯腈基或粘膠基碳纖維,短碳纖維長度在10um-30mm之間。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的一種碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料,其特征在于,所述 的短碳纖維優(yōu)選高拉伸強度的聚丙烯腈基碳纖維。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的一種碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料,其特征在于,所述 的短碳纖維的質量百分比含量優(yōu)選40%。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料,其特征在于,所述的 熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯包括注塑級、擠出級、填充級、板材級或阻燃級等的粒料或粉 體,熔點為 165-172°C,密度為 1. 77-1. 79g/m3。
6. 根據(jù)權利要求1或5所述的一種碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料,其特征在于,所述 的熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯優(yōu)選注塑級或擠出級的聚偏氟乙烯粒料或粉體。
7. -種如權利要求1所述的碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料的制備方法,其特征在 于,將原料短碳纖維和熱塑性樹脂基體聚偏氟乙烯充分干燥,然后在180-195°C之間進行熔 融共混,利用模具將共混物在195-2KTC之間和壓力15MPa下,成型為所需尺寸和形狀的板 材,得到碳纖維增強熱塑性樹脂聚偏氟乙烯復合材料。
8. 根據(jù)權利要求7所述的一種碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料的制備方法,其特征在 于,所述的原料還包括加工助劑,所述的加工助劑包括抗氧劑、偶聯(lián)劑、阻燃劑、相容劑中的 一種或幾種。
9. 根據(jù)權利要求7所述的一種碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料的制備方法,其特征在 于,所述的干燥為70°C下干燥12小時。
10. 根據(jù)權利要求7所述的一種碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料的制備方法,其特征 在于,所述的熔融共混在雙螺桿擠出機、開煉機或密煉機中進行;所述的成型的方法包括注 射成型、熱壓成型、擠出成型或層壓成型。
【文檔編號】C08L27/16GK104086924SQ201410345464
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權日:2014年7月18日
【發(fā)明者】宋晨晨, 楊斌, 劉媛, 王新靈 申請人:上海交通大學
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