一种碳纤维增强聚酯复合材料及其制备方法.pdf

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1、(10)授权公告号 CN 102311616 B (45)授权公告日 2013.01.16 CN 102311616 B *CN102311616B* (21)申请号 201010614830.5 (22)申请日 2010.12.30 C08L 67/00(2006.01) C08L 67/02(2006.01) C08K 13/06(2006.01) C08K 9/04(2006.01) C08K 7/06(2006.01) D06M 15/31(2006.01) B29B 9/06(2006.01) B29C 47/92(2006.01) B29C 45/78(2006.01) D06M 。

2、101/40(2006.01) (73)专利权人 深圳市科聚新材料有限公司 地址 518000 广东省深圳市宝安区福永镇富 桥工业区三区二期 A19 栋 (72)发明人 徐东 徐永 杨海灵 (74)专利代理机构 深圳市兴科达知识产权代理 有限公司 44260 代理人 杜启刚 WO 2009/028879 A2,2009.03.05, 权利要求 1-26. CN 101633774 A,2010.01.27,说明书第2页 第 2-13 段 . 季春晓等 . 碳纤维表面处理方法的研究进 展 .石油化工技术与经济 .2011, 第 27 卷 ( 第 2 期 ),57-61. (54) 发明名称 一种。

3、碳纤维增强聚酯复合材料及其制备方法 (57) 摘要 本发明公开了一种碳纤维增强聚酯复合材料 及其制备方法， 该复合材料其组成按质量配比为 ( ) ： 聚酯 60-80 ； 润滑剂 0.1-0.3 ； 抗氧剂 0.1-0.3 ； 碳纤维 20-40。本发明主要通过液 态聚丙烯腈对碳纤维进行表面处理提高碳纤维与 极性聚酯树脂基体的粘接性， 增强材料的力学性 能。本发明的优点是 ： 提高了碳纤维的表面极性， 增强了碳纤维与树脂基体的粘结力， 所得碳纤维 增强聚酯材料的强度高、 韧性好、 生产工艺简单， 可广泛应用于汽车、 军工器械、 航空用高性能结构 材料。 (51)Int.Cl. (56)对比文件。

4、 审查员 刘辉 权利要求书 1 页 说明书 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书 1 页 说明书 5 页 1/1 页 2 1. 一种碳纤维增强聚酯复合材料， 其特征在于 ： 其组成按质量配比为 （%） ： 聚酯 60-80% 润滑剂 0.1-0.3% ； 抗氧剂 0.1-0.3% ； 碳纤维 20-40% ； 以上所有组之和为 100% ； 所述碳纤维采用表面处理剂处理， 其中碳纤维表面处理剂， 由以下组分按质量百分比 制备而成 ： 溶剂 0-99% ； 聚丙烯腈 1-100%， 所述碳纤维采用表面处理剂处理方法包括 ： 步骤 1 ： 将聚丙烯腈与溶剂混合。

5、后搅拌均匀组成碳纤维表面处理剂 ； 步骤 2 ： 将碳纤维浸润步骤 1 的碳纤维表面处理剂 ； 步骤 3 ： 将经浸润处理的碳纤维于 50-300 摄氏度烘箱内预氧化 0.01-100 小时得到聚 丙烯腈表面处理碳纤维 ； 所述的溶剂为极性溶剂， 包括水、 乙醇、 甲醇、 丙酮中的一种或几种的混合液 ； 所述的 碳纤维为聚丙烯腈基的碳纤维 ； 所述的聚丙烯腈为液态聚丙烯腈低聚物， 其分子量范围为 ： 106-10000。 2. 如权利要求 1 所述碳纤维增强聚酯复合材料， 其特征在于， 所述聚酯为聚对苯二甲 酸丁二酯或聚对苯二甲酸乙二酯其中的一种或两种混合物。 3. 如权利要求 1 所述碳纤维。

6、增强聚酯复合材料， 其特征在于， 所述润滑剂为硬脂酸锌。 4. 如权利要求 1 所述碳纤维增强聚酯复合材料， 其特征在于， 所述抗氧剂为四 (3 ,5 二叔丁基 -4 - 羟基苯基 ) 丙酸 季戊四醇酯。 5. 一种如权利要求 1 所述碳纤维增强聚酯复合材料制备方法， 其特征在于， 包括步骤 ： a ： 按质量百分比将树脂、 润滑剂、 抗氧剂在高速混合机中混合 4 分钟 ； b ： 混合均匀的各组分置于双螺杆挤出机中， 按质量比将碳纤维以侧喂料方式加入挤出 机中挤出造粒， 经熔融混合挤出造粒 ； c ： 其加工温度为一区温度 ： 210-220， 二区温度 ： 225-230， 三区温度 ： 。

7、235-250， 四区温度 ： 240-260， 五区温度 ： 230-250， 六区温度 ： 220-245， 七区温度 ： 240-250， 主机转速 ： 300-350rpm。 6. 如权利要求 5 所述碳纤维增强聚酯复合材料制备方法， 其特征在于， 还包括 ： 将按 上述方法完成的粒子事先在 100 130的鼓风烘箱中干燥 4 小时， 然后再将干燥好的粒 子材料在注射机上进行注射成型制样， 注射成型模温控制在 90， 注塑成型温度控制在 230-260。 权 利 要 求 书 CN 102311616 B 2 1/5 页 3 一种碳纤维增强聚酯复合材料及其制备方法 技术领域 0001 本。

8、发明涉及高分子技术领域， 尤其涉及一种碳纤维增强聚酯复合材料及其制备方 法。 背景技术 0002 聚酯， 由多元醇和多元酸缩聚而得的聚合物总称。主要指聚对苯二甲酸乙二酯 (PET) 和聚对苯二甲酸丁二酯 (PBT) 等线型热塑性树脂。具有高熔点， 高韧性， 出色的耐热 性能和耐电性能， 是一类性能优异、 用途广泛的工程塑料。 0003 碳纤维具有高强度、 低密度、 高耐温、 耐水、 耐腐蚀等特点， 是一种优异的高强度增 强材料。 用碳纤维增强的高分子树脂是十分重要的军工器械、 航空用高性能结构材料。 增强 树脂大部分为极性树脂， 如聚酯、 聚酰胺、 聚酰亚胺等。 碳纤维表面极性很弱， 与极性树。

9、脂的 粘结力很小， 因此一般需对其进行表面处理后才能用于增强复合材料。碳纤维增强改性的 聚酯复合材料具有非常高的比强度， 是一种优点的结构材料， 在汽车、 航空领域应用较多。 0004 常用的碳纤维表面处理剂包括硅烷类偶联剂及丙烯酸、 聚氨酯类成膜剂等成份。 硅烷偶联剂在使用中易于自缩聚成硅氧烷低聚物， 实际的利用率低， 且与玻璃纤维表面有 效化学键合的那部分还极易水解。 发明内容 0005 本发明要解决的技术问题是提供一种碳纤维增强聚酯复合材料及其制备方法。 0006 为解决上述技术问题， 本发明采用以下技术方案 ： 一种碳纤维增强聚酯复合材料， 其组成按质量配比为 （%） ： 0007 聚。

10、酯 60-80% 0008 润滑剂 0.1-0.3% ； 0009 抗氧剂 0.1-0.3% ； 0010 碳纤维 20-40%。 0011 其中， 所述聚酯为聚对苯二甲酸丁二酯或聚对苯二甲酸乙二酯其中的一种或两种 混合物。 0012 其中， 所述润滑剂为硬脂酸锌。 0013 其中， 所述抗氧剂为四 (3 ,5 二叔丁基 -4 - 羟基苯基 ) 丙酸 季戊四 醇酯。 0014 其中， 所述碳纤维经液态聚丙烯腈表面处理。 0015 其中， 所述碳纤维制备方法包括 ： 0016 步骤 1 ： 将聚丙烯腈与溶剂混合后搅拌均匀 ； 0017 步骤 2 ： 将碳纤维浸润步骤 1 的溶剂 ； 0018 步。

11、骤 3 ： 将经浸润处理的碳纤维于 50-300 摄氏度烘箱内预氧化 0.01-100 小时得 到聚丙烯腈表面处理碳纤维。 说 明 书 CN 102311616 B 3 2/5 页 4 0019 一种如上所述碳纤维增强聚酯复合材料制备方法， 包括步骤 ： 0020 a ： 按质量百分比将树脂、 润滑剂、 抗氧剂在高速混合机中混合 4 分钟 ； 0021 b ： 混合均匀的各组分置于双螺杆挤出机中， 按质量比将碳纤维以侧喂料方式加入 挤出机中挤出造粒， 经熔融混合挤出造粒 ； 0022 c ： 其加工温度为一区温度 ： 210-220， 二区温度 ： 225-230， 三区温度 ： 235-25。

12、0， 四区温度 ： 240-260， 五区温度 ： 230-250， 六区温度 ： 220-245， 七区温度 ： 240-250， 主机转速 ： 300-350rpm。 0023 将按上述方法完成的粒子事先在100130的鼓风烘箱中干燥4小时， 然后再将 干燥好的粒子材料在注射机上进行注射成型制样， 注射成型模温控制在 90， 注塑成型温 度控制在 230-260。 0024 本发明的有益效果是 ： 本发明通过先采用液态聚丙烯腈低聚物浸润碳纤维， 经浸 润处理的碳纤维再经预氧化后， 聚丙烯腈吸附在碳纤维表面形成大量活性腈基， 这些腈基 与极性树脂具有非常好的键合力， 改善了碳纤维与极性树脂的。

13、粘接性， 提高了碳纤维的表 面极性， 增强了碳纤维与树脂基体的粘结力， 所得碳纤维增强材料产品的强度高、 韧性好、 生产工艺简单， 可广泛应用于碳纤维增强的汽车、 军工器械、 航空用高性能结构材料。 具体实施方式 0025 本发明提供一种碳纤维增强聚酯复合材料及其制备方法， 本发明先将碳纤维进 行表面处理， 具体包括 ： 其中碳纤维表面处理剂， 由以下组分按质量百分比制备而成 ： 溶剂 0-99% ； 聚丙烯腈 1-100%。 0026 所述的溶剂为极性溶剂， 包括水、 乙醇、 甲醇、 丙酮中的一种或几种。所述的碳纤 维为聚丙烯腈基的碳纤维。所述的聚丙烯腈为液态聚丙烯腈低聚物， 其分子量范围为。

14、 ： 106-10000。 0027 碳纤维表面处理方法， 具体步骤包括 ： 0028 步骤 1 ： 将聚丙烯腈与溶剂按质量百分比混合后搅拌均匀， 形成碳纤维表面处理 剂 ； 0029 步骤 2 ： 将碳纤维浸润步骤 1 的碳纤维表面处理剂 ； 0030 步骤 3 ： 将经浸润处理的碳纤维于 50-300 摄氏度烘箱内预氧化 0.01-100 小时得 到表面处理碳纤维。 0031 将上述得到的碳纤维与极性聚酯树脂制备碳纤维复合材料， 举例如下 ： 0032 实施例 1 0033 复合材料的制备方式如下 ： 将聚对苯二甲酸乙二酯 (PET) 质量比为 ： 69.6% ； 润滑 剂 （硬脂酸锌） 。

15、质量比为 ： 0.2% ； 抗氧剂 （酚类抗氧剂四 (3 ,5 二叔丁基 -4 - 羟 基苯基 ) 丙酸 季戊四醇酯） 质量比为 ： 0.2%。在高速混合机中混合 4 分钟 ； 0034 混合均匀的各组分置于双螺杆挤出机中， 经熔融混合挤出造粒， 碳纤维 30以侧 喂料方式加入挤出机中 ； 0035 其 加 工 温 度 为 一 区 温 度 ： 210-220 ， 二 区 温 度 ： 225-230 ， 三 区 温 度 ： 235-250， 四区温度 ： 240-260， 五区温度 ： 230-250， 六区温度 ： 220-245， 七区温度 ： 240-250， 主机转速 ： 300-350。

16、rpm。 说 明 书 CN 102311616 B 4 3/5 页 5 0036 将按上述方法完成的粒子事先在100130的鼓风烘箱中干燥4小时， 然后再将 干燥好的粒子材料在注射机上进行注射成型制样， 注射成型模温控制在 90， 注塑成型温 度控制在 230-260。 0037 实施例 2 0038 复合材料的制备方式如下 ： 将聚对苯二甲酸乙二酯 (PET) 质量比为 ： 59.6% ； 润滑 剂 （硬脂酸锌） 质量比为 ： 0.1% ； 抗氧剂 （酚类抗氧剂四 (3 ,5 二叔丁基 -4 - 羟 基苯基 ) 丙酸 季戊四醇酯） 质量比为 ： 0.3%。在高速混合机中混合 4 分钟 ； 0。

17、039 混合均匀的各组分置于双螺杆挤出机中， 经熔融混合挤出造粒， 碳纤维 40以侧 喂料方式加入挤出机中 ； 0040 其 加 工 温 度 为 一 区 温 度 ： 210-220 ， 二 区 温 度 ： 225-230 ， 三 区 温 度 ： 235-250， 四区温度 ： 240-260， 五区温度 ： 230-250， 六区温度 ： 220-245， 七区温度 ： 240-250， 主机转速 ： 300-350rpm。 0041 将按上述方法完成的粒子事先在100130的鼓风烘箱中干燥4小时， 然后再将 干燥好的粒子材料在注射机上进行注射成型制样， 注射成型模温控制在 90， 注塑成型温。

18、 度控制在 230-260。 0042 实施例 3 0043 复合材料的制备方式如下 ： 将聚对苯二甲酸乙二酯(PET)质量比为 ： 79.6% ； ； 润滑 剂 （硬脂酸锌） 质量比为 ： 0.2% ； 抗氧剂 （酚类抗氧剂四 (3 ,5 二叔丁基 -4 - 羟 基苯基 ) 丙酸 季戊四醇酯） 质量比为 ： 0.2%。在高速混合机中混合 4 分钟 ； 0044 混合均匀的各组分置于双螺杆挤出机中， 经熔融混合挤出造粒， 碳纤维 20以侧 喂料方式加入挤出机中 ； 0045 其 加 工 温 度 为 一 区 温 度 ： 210-220 ， 二 区 温 度 ： 225-230 ， 三 区 温 度 。

19、： 235-250， 四区温度 ： 240-260， 五区温度 ： 230-250， 六区温度 ： 220-245， 七区温度 ： 240-250， 主机转速 ： 300-350rpm。 0046 将按上述方法完成的粒子事先在100130的鼓风烘箱中干燥4小时， 然后再将 干燥好的粒子材料在注射机上进行注射成型制样， 注射成型模温控制在 90， 注塑成型温 度控制在 230-260。 0047 实施例 4 0048 复合材料的制备方式如下 ： 将聚对苯二甲酸丁二酯 (PBT) 质量比为 ： 69.6% ； 润 滑剂 （硬脂酸锌） 质量比为 ： 0.1% ； 抗氧剂 （酚类抗氧剂四 (3 ,5 。

20、二叔丁基 -4 - 羟 基苯基 ) 丙酸 季戊四醇酯） 质量比为 ： 0.3%。在高速混合机中混合 4 分钟 ； 0049 混合均匀的各组分置于双螺杆挤出机中， 经熔融混合挤出造粒， 碳纤维 30以侧 喂料方式加入挤出机中 ； 0050 其 加 工 温 度 为 一 区 温 度 ： 230-240 ， 二 区 温 度 ： 235-250 ， 三 区 温 度 ： 245-270， 四区温度 ： 250-280， 五区温度 ： 240-270， 六区温度 ： 230-265， 七区温度 ： 250-270， 主机转速 ： 300-350rpm。 0051 将按上述方法完成的粒子事先在100130的鼓。

21、风烘箱中干燥4小时， 然后再将 干燥好的粒子材料在注射机上进行注射成型制样， 注射成型模温控制在 90， 注塑成型温 度控制在 230-260。 说 明 书 CN 102311616 B 5 4/5 页 6 0052 实施例 5 0053 复合材料的制备方式如下 ： 将聚对苯二甲酸乙二酯 (PET) 质量比为 ： 34.8% ； 聚对 苯二甲酸乙二酯 （注塑级中粘树脂） 质量比为 ： 34.8% ； 润滑剂 （硬脂酸锌） 质量比为 ： 0.2% ； 抗氧剂 （酚类抗氧剂四 (3 ,5 二叔丁基 -4 - 羟基苯基 ) 丙酸 季戊四醇酯） 质 量比为 ： 0.2%。在高速混合机中混合 4 分钟 。

22、； 0054 混合均匀的各组分置于双螺杆挤出机中， 经熔融混合挤出造粒， 碳纤维 30以侧 喂料方式加入挤出机中 ； 0055 其 加 工 温 度 为 一 区 温 度 ： 220-230 ， 二 区 温 度 ： 235-240 ， 三 区 温 度 ： 245-260， 四区温度 ： 250-270， 五区温度 ： 240-260， 六区温度 ： 230-255， 七区温度 ： 250-260， 主机转速 ： 300-350rpm。 0056 将按上述方法完成的粒子事先在100130的鼓风烘箱中干燥4小时， 然后再将 干燥好的粒子材料在注射机上进行注射成型制样， 注射成型模温控制在 90， 注塑。

23、成型温 度控制在 230-260。 0057 对比例 1 0058 复合材料的制备方式如下 ： 将聚对苯二甲酸乙二酯 (PET) 质量比为 ： 69.6% ； 润滑 剂 （硬脂酸锌） 质量比为 ： 0.2% ； 抗氧剂 （酚类抗氧剂四 (3 ,5 二叔丁基 -4 - 羟 基苯基 ) 丙酸 季戊四醇酯） 质量比为 ： 0.2%。在高速混合机中混合 4 分钟 ； 0059 混合均匀的各组分置于双螺杆挤出机中， 经熔融混合挤出造粒， 未经表面处理的 碳纤维 30以侧喂料方式加入挤出机中 ； 0060 其 加 工 温 度 为 一 区 温 度 ： 210-220 ， 二 区 温 度 ： 225-230 。

24、， 三 区 温 度 ： 235-250， 四区温度 ： 240-260， 五区温度 ： 230-250， 六区温度 ： 220-245， 七区温度 ： 240-250， 主机转速 ： 300-350rpm。 0061 对比例 2 0062 复合材料的制备方式如下 ： 将聚对苯二甲酸丁二酯 (PBT) 质量比为 ： 69.6% ； 润 滑剂 （硬脂酸锌） 质量比为 ： 0.1% ； 抗氧剂 （酚类抗氧剂四 (3 ,5 二叔丁基 -4 - 羟 基苯基 ) 丙酸 季戊四醇酯） 质量比为 ： 0.3%。在高速混合机中混合 4 分钟 ； 0063 混合均匀的各组分置于双螺杆挤出机中， 经熔融混合挤出造粒。

25、， 未经表面处理的 碳纤维 30以侧喂料方式加入挤出机中 ； 0064 其 加 工 温 度 为 一 区 温 度 ： 230-240 ， 二 区 温 度 ： 235-250 ， 三 区 温 度 ： 245-270， 四区温度 ： 250-280， 五区温度 ： 240-270， 六区温度 ： 230-265， 七区温度 ： 250-270， 主机转速 ： 300-350rpm。 0065 将按上述方法完成的粒子事先在100130的鼓风烘箱中干燥4小时， 然后再将 干燥好的粒子材料在注射机上进行注射成型制样， 注射成型模温控制在 90， 注塑成型温 度控制在 230-260。 0066 拉伸性能测。

26、试按 ASTM D638 标准进行， 试样尺寸为 150mm*12mm*3.5mm， 拉伸 速度为 50mm/min ； 弯曲性能测试按 ASTM D790 进行， 试样尺寸为 80mm*12mm*3.5mm， 拉 伸速度为 2mm/min， 跨距为 48mm， 悬臂梁缺口冲击强度按 ASTM D256 进行， 试样尺寸为 55mm*12.6mm*3.5mm， 缺口深度为试样厚度的三分之一。 0067 材料的综合力学性能通过测试所得样条的拉伸强度、 弯曲强度、 弯曲模量、 冲击强 说 明 书 CN 102311616 B 6 5/5 页 7 度的数值进行评判。 0068 实施例 1-5 及对比。

27、例 1、 2 性能如表 1 所示 0069 表 1 实施例与对比例 0070 0071 从表 1 的实施例 15 性能比较来看， 随着碳纤维含量的增加， 复合材料的强度也 不断增加 ； 从实施例 1 与对比例 1 及实施例 4 与对比例 2 的性能比较可看出， 经处理剂处理 的碳纤维增强聚酯复合材料强度大幅度增加。 0072 以上对本发明所提供的一种碳纤维增强聚酯复合材料及其制备方法进行了详细 介绍， 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述， 以上实施例的说明 只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想 ； 同时， 对于本领域的一般技术人员， 依据本 发明的思想， 在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处， 综上所述， 本说明书内容不应 理解为对本发明的限制。 说 明 书 CN 102311616 B 7 。