一种TPU改性碳纤维/尼龙复合材料及其制备方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102786796 A (43)申请公布日 2012.11.21 CN 102786796 A *CN102786796A* (21)申请号 201210283640.9 (22)申请日 2012.08.10 C08L 77/00(2006.01) C08L 77/02(2006.01) C08L 77/06(2006.01) C08L 75/06(2006.01) C08L 75/08(2006.01) C08K 7/06(2006.01) C08K 3/04(2006.01) (71)申请人 武汉理工大学 地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路 122 号 。

2、(72)发明人 章桥新 周少锋 黄进 吴超群 (74)专利代理机构 湖北武汉永嘉专利代理有限 公司 42102 代理人 唐万荣 (54) 发明名称 一种 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料及其制 备方法 (57) 摘要 本发明涉及一种 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合 材料， 它由 TPU 粒子、 碳纤维和尼龙粒子组成， 其 各组分的重量百分比分别为TPU粒子530wt%、 碳 纤维 535wt% 和尼龙粒子 3590wt%。本发明所得 到的碳纤维增强树脂复合材料具有拉伸强度大， 稳定性好， 承载强度和断裂强度高， 弹性好， 比重 轻， 摩擦系数小， 耐磨能力强， 使用寿命长的特点 ； 本发。

3、明方法简单高效， 能有效改善碳纤维 / 尼龙 复合材料的综合性能。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 1/1 页 2 1. 一种 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料， 其特征在于它由 TPU 粒子、 碳纤维和尼龙粒 子组成， 其各组分的重量百分比分别为 TPU 粒子 530 wt%、 碳纤维 535 wt% 和尼龙粒子 3590 wt%。 2. 根据权利要求 1 所述的 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料， 其特征在于所述的 TPU 粒 子为。

4、聚酯型 TPU 粒子或聚醚型 TPU 粒子中的任意一种。 3. 根据权利要求 1 所述的 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料， 其特征在于所述的碳纤维 直径为 2 m10 m， 长度为 15 m 20 mm。 4. 根据权利要求 1 所述的 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料， 其特征在于所述的尼龙粒 子为尼龙 6 粒子， 尼龙 66 粒子， 尼龙 610 和尼龙 1010 粒子中的任意一种。 5. 根据权利要求 1 所述的 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料的一种制备方法， 其特征在 于它包括如下步骤 ： 按重量百分比计， 将 TPU 粒子 530 wt%、 碳纤维 535 wt% 和。

5、尼龙粒子 3590 wt%预混合， 然后通过挤出机熔融共混挤出， 冷却切粒后干燥， 即得TPU改性碳纤维/ 尼龙复合材料。 6. 根据权利要求 5 所述的 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料， 其特征在于所述的 TPU 粒 子为聚酯型 TPU 粒子或聚醚型 TPU 粒子中的任意一种。 7. 根据权利要求 5 所述的 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料， 其特征在于所述的碳纤维 直径为 2 m10 m， 长度为 15 m 20 mm。 8. 根据权利要求 5 所述的 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料， 其特征在于所述的尼龙粒 子为尼龙 6 粒子， 尼龙 66 粒子， 尼龙 610 和尼龙。

6、 1010 粒子中的任意一种。 权 利 要 求 书 CN 102786796 A 2 1/4 页 3 一种 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料及其制备方法 技术领域 0001 本发明属于复合材料领域， 具体涉及一种 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料及其制 备方法。 背景技术 0002 碳纤维 / 尼龙复合材料是一种综合了碳纤维和尼龙各自优势的新型复合材料， 它 不仅具有碳纤维高强度、 高模量、 耐高温、 耐磨、 耐腐蚀、 抗疲劳、 抗蠕变、 导电、 导热等诸多 优异性能， 还具有尼龙自身所具备的密度小、 耐磨、 耐油、 自润滑、 耐腐蚀以及良好的加工性 能等优点， 越来越多的研究人员试图。

7、将碳纤维 / 尼龙复合材料用于机械和摩擦零部件， 如 齿轮、 皮带轮、 轴承、 凸轮、 密封圈、 传动轴等。碳纤维 / 尼龙复合材料正日益取代诸如铸铁、 钢或铝等传统材料， 广泛应用于汽车、 电子、 机械等领域。 0003 目前， 碳纤维 / 尼龙复合材料实现大规模应用还存在诸多问题待解决。单一尼龙 基体因其分子结构中含有大量酰胺基， 具有较强的吸水性， 造成所制备的碳纤维 / 尼龙复 合材料尺寸稳定性不高， 吸水后机械性能降低 ； 并且， 碳纤维表面活性基团少， 与尼龙相容 性差， 不利于复合材料综合性能的提高 ； 此外， 单一尼龙基体复合材料性能受限于尼龙自身 的热性能、 机械和摩擦性能等。

8、， 这使得碳纤维 / 尼龙复合材料冲击性能偏低、 热变形温度不 高、 高速重载条件下摩擦性能不理想， 从而大大限制了碳纤维 / 尼龙复合材料的应用。 0004 针对碳纤维 / 尼龙复合材料应用所存在的诸多问题， 目前， 国内外研究者广泛开 展了碳纤维 / 尼龙复合材料的相关研究工作， 主要从改善碳纤维与尼龙基体之间的界面结 合强度入手， 研究者通过对碳纤维进行表面处理， 处理后的碳纤维与塑料基体之间浸润性 提高， 界面结合得到改善， 从而获得较高性能的碳纤维 / 尼龙复合材料。然而， 针对碳纤维 / 尼龙复合材料基体自身的改性工作还鲜有报道。 发明内容 0005 针对现有技术中存在的不足， 本。

9、发明所要解决的技术问题是提供一种 TPU 改性碳 纤维 / 尼龙复合材料及其制备方法， 所得的 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料韧性好， 耐磨能 力强， 使用寿命长。 0006 本发明为了解决所提出的技术问题， 采用的技术方案为 ： 一种 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料， 它由 TPU 粒子、 碳纤维和尼龙粒子组成， 其各组 分的重量百分比分别为 TPU 粒子 530 wt%、 碳纤维 535 wt% 和尼龙粒子 3590 wt%。 0007 按上述方案， 所述的 TPU 粒子为聚酯型 TPU 粒子或聚醚型 TPU 粒子中的任意一种。 0008 按上述方案， 所述的碳纤维直径为 2 。

10、m10 m， 长度为 15 m 20 mm。 0009 按上述方案， 所述的尼龙粒子为尼龙 6 粒子， 尼龙 66 粒子， 尼龙 610 粒子和尼龙 1010 粒子中的任意一种。 0010 本发明所述的TPU改性碳纤维/尼龙复合材料的一种制备方法， 它包括如下步骤 ： 按重量百分比计， 将TPU粒子530 wt%、 碳纤维535 wt%和尼龙粒子3590 wt%预混合， 然 说 明 书 CN 102786796 A 3 2/4 页 4 后通过挤出机熔融共混挤出， 冷却切粒后干燥， 即得改性碳纤维 / 尼龙复合材料。 0011 热塑性聚氨酯弹性体 （Thermoplastic Urethane，。

11、 TPU） 是由二苯甲烷二异氰酸酯 （MDI） 、 甲苯二异氰酸酯 （TDI） 和大分子多元醇、 扩链剂共同反应聚合而成的高分子材料， 它 具有具有其它塑料材料所无法比拟的强度高、 韧性好、 耐磨、 耐寒、 耐油、 耐水、 耐老化、 耐气 候等特性， 同时他具有高防水性、 透湿性、 防风、 防寒、 抗菌、 防霉、 保暖、 抗紫外线以及能量 释放等许多优异的功能， 将 TPU 用作碳纤维 / 尼龙复合材料的基体改性材料， 可充分利用 TPU韧性好、 耐水、 耐磨的特点， 且TPU与尼龙极性相似， 相容性好， 能够有效改善碳纤维/尼 龙复合材料韧性低、 易吸水性变形以及摩擦系数偏大等缺点， 从而获。

12、得综合性能优异的新 型碳纤维 / 尼龙复合材料。 0012 与现有技术相比， 本发明的有益效果是 ： 第一， 本发明所提供的 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料的断裂伸长率和冲击强度较未 改性的碳纤维 / 尼龙复合材料明显提高， 说明 TPU 有效地提高了碳纤维 / 尼龙复合材料的 韧性 ； 第二， 本发明所制备的 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料的摩擦系数和磨损率较未改性 的低， 说明 TPU 改性有效地提高了碳纤维 / 尼龙复合材料的低摩耐磨性质 ； 第三， 本发明的制备方法简单高效， 易于工业化生产， 所得的 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复 合材料在力学性能和摩擦性能两方面具有更均。

13、衡的综合性质， 耐磨能力强， 使用寿命长， 综 合性能优良， 碳纤维 / 尼龙复合材料的性能和应用得到扩展， 具有推广价值。 附图说明 0013 图 1 为本发明实施例 1 所得到的 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料拉伸断裂面的扫 描电镜照片。 0014 图 2 为本发明对比例 1 所得碳纤维 / 尼龙复合材料拉伸断裂面的扫描电镜照片。 具体实施方式 0015 为了更好地理解本发明， 下面结合实施例进一步阐明本发明的内容， 但本发明的 内容不仅仅局限于下面的实施例。 0016 实施例 1 ： 一种TPU改性碳纤维/尼龙复合材料， 以重量百分比计， 它由聚酯型TPU粒子10wt%、 碳 纤维。

14、 10 wt% 和尼龙 6 粒子 80 wt% 组成， 其中碳纤维粉末直径为 7m， 长度为 50 m。 0017 其制备方法包括以下步骤 ： 将聚酯型 TPU 粒子 10 wt%、 碳纤维 10 wt% （直径 7m， 长 m） 和尼龙 6 粒子 80 wt% 预混合后， 通过挤出机在 230熔融共混挤出， 冷却切粒后经 干燥得 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料。 0018 图 1 和图 2 分别示出实施例 1 和对比例 1 的拉伸断裂面的扫扫描电镜照片， 可以 看到 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料断裂面较改性前粗糙， 拉伸裂纹明显， 说明 TPU 改性使 得碳纤维 / 尼龙复合材。

15、料的断裂方式向韧性断裂转变。此外， TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合 材料 TPU 与尼龙基体相容良好， 碳纤维分散均匀， 且复合材料中空隙少， 纤维与树脂基体之 间结合紧密。 0019 实施例 2 ： 说 明 书 CN 102786796 A 4 3/4 页 5 一种TPU改性碳纤维/尼龙复合材料， 以重量百分比计， 它由聚酯型TPU粒子10wt%、 碳 纤维 20wt% 和尼龙 6 粒子 70 wt% 组成， 其中碳纤维粉末直径为 7m， 长度为 50 m。 0020 其制备方法包括以下步骤 ： 将聚酯型 TPU 粒子 10wt%、 碳纤维 20wt% （直径 7m， 长 10 mm） 和。

16、尼龙 6 粒子 70 wt% 预混合后， 通过挤出机在 230熔融共混挤出， 冷却切粒后经 干燥得 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料。 0021 实施例 3 ： 一种TPU改性碳纤维/尼龙复合材料， 以重量百分比计， 它由聚酯型TPU粒子10wt%、 碳 纤维 5wt% 和尼龙 6 粒子 85wt% 组成， 其中碳纤维粉末直径为 7 m， 长度为 10 mm。 0022 其制备方法包括以下步骤 ： 将聚酯型 TPU 粒子 10wt%、 碳纤维 5wt%（直径 7m， 长 10 mm） 和尼龙 6 粒子 85wt% 预混合后， 通过挤出机在 230熔融共混挤出， 冷却切粒后经干 燥得 TPU。

17、 改性碳纤维 / 尼龙复合材料。 0023 表 1 为本发明实施例 1、 2、 3 所得 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料的力学和摩擦性 能。比较力学性能各项数据可以看出， TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料的断裂伸长率和冲 击强度较未改性的碳纤维 / 尼龙复合材料明显提高， 说明 TPU 有效地提高了碳纤维 / 尼龙 复合材料的韧性 ； 而比较摩擦系数和磨损率的大小可看出， TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料 的摩擦系数和磨损率较未改性的低， 说明 TPU 改性有效地提高了碳纤维 / 尼龙复合材料的 低摩耐磨性质。由此可知本发明报道的 TPU 改性提高了碳纤维 / 尼龙复合材料的韧性。

18、和摩 擦性能， 所得的 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料在力学性能和摩擦性能两方面具有更均衡 的综合性质， 碳纤维 / 尼龙复合材料的性能和应用得到扩展， 具有推广价值。 0024 表 1 注 ： 摩擦系数和磨损率为样品在 HT-1000 摩擦磨损试验机上测得， 测试条件为 ： 常温、 10 N、 1000 r/min。对比实施例 1 为 ： 碳纤维 10 wt%（直径 7m， 长 50m） 和聚酰胺 6 粒 子 90wt% 预混合后， 通过挤出机在 230熔融共混挤出， 冷却切粒后经干燥得短切碳纤维增 强聚酰胺复合材料 ； 对比实施例 2 为 ： 碳纤维粉末 20 wt%（直径 7m， 。

19、长 50m） 和聚酰胺 6 粒子 80wt% 预混合后， 通过挤出机在 230熔融共混挤出， 冷却切粒后经干燥得碳纤维粉 末增强聚酰胺复合材料 ； 对比实施例 3 为 ： 碳纤维 5 wt%（直径 7m， 长 50m） 和聚酰胺 6 粒子 90wt% 预混合后， 通过挤出机在 230熔融共混挤出， 冷却切粒后经干燥得短切碳纤维 增强聚酰胺复合材料。 说 明 书 CN 102786796 A 5 4/4 页 6 0025 实施例 4 ： 一种 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料， 以重量百分比计， 它由聚醚型 TPU 粒子 5wt%、 碳 纤维 35wt% 和尼龙 66 粒子 60 wt% 组。

20、成， 其中碳纤维粉末直径为 2 m， 长度为 15 m。 0026 其制备方法包括以下步骤 ： 将聚醚型 TPU 粒子 5wt%、 碳纤维 35wt%（直径 2m， 长 15 m） 和尼龙 66 粒子 80 wt% 预混合后， 通过挤出机在 270熔融共混挤出， 冷却切粒后 经干燥得 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料。 0027 实施例 5 ： 一种TPU改性碳纤维/尼龙复合材料， 以重量百分比计， 它由聚醚型TPU粒子30wt%、 碳 纤维 35 wt% 和尼龙 610 粒子 35 wt% 组成， 其中碳纤维粉末直径为 10 m， 长度为 2 mm。 0028 其制备方法包括以下步骤 ：。

21、 将聚醚型 TPU 粒子 30wt%、 碳纤维 35wt%（直径 10m， 长 2mm） 和尼龙 610 粒子 35 wt% 预混合后， 通过挤出机在 230熔融共混挤出， 冷却切粒后 经干燥得 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料。 0029 实施例 6 ： 一种 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料， 以重量百分比计， 它由聚酯型 TPU 粒子 5wt%、 碳 纤维 5 wt% 和尼龙 1010 粒子 90 wt% 组成， 其中碳纤维粉末直径为 7m， 长度为 20mm。 0030 其制备方法包括以下步骤 ： 将聚酯型 TPU 粒子 5wt%、 碳纤维 5wt%（直径 7m， 长 20mm） 和尼龙 1010 粒子 90wt% 预混合后， 通过挤出机在 220熔融共混挤出， 冷却切粒后经 干燥得 TPU 改性碳纤维 / 尼龙复合材料。 0031 表 2 本发明所列举的各原料都能实现本发明， 各原料的上下限取值以及其区间值都能实现 本发明， 在此不一一列举实施例。 说 明 书 CN 102786796 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102786796 A 7 。