本發明屬于改性高分子材料領域，具體涉及一種碳纖維增強聚酮復合材料及其制備方法和應用。
背景技術：
聚酮(pok)是以一氧化碳、乙烯、丙烯為共聚單體，通過配位聚合制成的環保型高分子材料。聚酮(pok)材料具有耐磨、耐油、自潤滑、耐沖擊等諸多優良性能，適合于應用于制作耐磨性能要求較高的部件。然而，與大部分的有聚烯烴材料類似，聚酮材料存在材料的強度偏低，使其在一些需要承壓的結構件的應用領域受到限制。此外，聚酮(pok)材料作為耐磨材料時在其實際工作過程中容易產生靜電蓄積，影響材料的長期應用性能。因此，如何通過物理改性提升材料的拉伸和彎曲強度，降低材料的電阻率具有重要的應用研究前景。
碳纖維是一種含碳量在95％以上的新型纖維材料，它是以有機纖維，如腈綸絲(pan)、瀝青及粘膠纖維等做原料，在惰性氣體中經過高溫煅燒石墨化后得到的微晶石墨纖維材料。由于碳纖維在物理性能上具有比重小、強度大、模量高、線膨脹系數小、導電性強、導熱率高等特點，這類材料已經廣泛應用于熱塑性和熱固性樹脂的增強和功能化改性中。利用碳纖維進行改性的熱塑性塑料其物理力學性能和耐熱性都有極大的提高，以聚酰胺材料為例，加入20％的碳纖維之后材料的拉伸強度提高近3倍，彎曲模量提高近4倍。通過對碳纖維表面處理方式和復合加工工藝的優化，提高碳纖維改性聚酮(pok)材料的使用性能，將是未來聚酮(pok)材料發展的一個重要研究方向。
技術實現要素：
為了克服聚酮材料(pok)現有技術的缺點與不足，本發明的首要目的在于提供一種碳纖維增強改性的聚酮復合材料，該材料具有高強度、高韌性、高耐熱溫度、抗靜電等特點。本發明提供的碳纖維增強聚酮復合材料適用于通過注塑成型制備輕量化要求較高的耐磨制品，可用于電子電氣、交通運輸、電動工具等領域。
本發明另一目的在于提供一種上述碳纖維增強聚酮復合材料的制備方法。
本發明再一目的在于提供上述碳纖維增強聚酮復合材料在電子電氣、交通運輸、電動工具等領域中的應用，特別適用于制備一些環保化、輕量化、對材料耐摩擦性能要求較高的領域，如家電外殼、耐磨齒輪等。
本發明目的通過以下技術方案實現：
一種碳纖維增強聚酮復合材料，包含以下質量百分數的組分：
所述聚酮為乙烯、丙烯與一氧化碳為共聚單體共聚得到的高分子量聚合物材料。
所述碳纖維可為聚丙烯腈基材的碳纖維、黏膠絲碳纖維和瀝青絲碳纖維中的一種，優選為聚丙烯腈基材的碳纖維。
所述碳纖維優選為單絲直徑4～8μm，束絲線密度200～800tex的聚丙烯腈基材的碳纖維。該碳纖維強度高，能有效提高聚酰胺的抗沖擊性能。
所述相容劑優選為馬來酸酐類接枝物或者共聚物，包括聚丙烯接枝馬來酸酐(pp-g-mah)、聚乙烯接枝馬來酸酐(pe-g-mah)、乙烯/馬來酸酐共聚物、以及苯乙烯-丙烯腈-馬來酸酐共聚物(sam)等中的至少一種，其中更優選為聚 丙烯接枝馬來酸酐(pp-g-mah)和聚乙烯接枝馬來酸酐(pe-g-mah)。
所述分散劑可為季戊四醇酯類分散劑、硅酮類分散劑和樹枝狀化合物中的至少一種。
所述分散劑優選為季戊四醇油酸酯、季戊四醇硬脂酸酯(pets)、n’n-乙撐雙硬脂酰胺(ebs)和有機硅類分散劑(如4-7081，dowcorning)中的至少一種。
所述分散劑更優選為有機硅類分散劑(如4-7081，dowcorning)。
所述加工助劑可為本領域常見的適用于聚烯烴體系的加工助劑，如加工穩定劑和抗氧劑中的至少一種。
所述抗氧劑優選為亞磷酸酯類抗氧劑(如3,9-二(2,4-二枯基苯氧基)-2,4,8,10-四氧雜-3,9-二磷雜螺[5.5]十一烷(s9228)，三(2,4-二叔丁基苯基)亞磷酸酯(168))，更優選為三(2,4-二叔丁基苯基)亞磷酸酯(抗氧劑168)。
本發明還提供了一種上述碳纖維增強聚酮復合材料的制備方法，具體包括以下步驟：
把聚酮、相容劑、分散劑、加工助劑在高速攪拌機中充分混合后，從雙螺桿擠出機的主喂料口加入，碳纖維經過雙螺桿擠出機的側喂料口加入，材料經過熔融共混、冷卻造粒，得到碳纖維增強聚酮復合材料。
所述混合優選在高速攪拌機中進行混合，混合溫度不高于80℃，攪拌速度為300r/min，混合時間為10～30min。
所述熔融共混的條件優選為各加熱段的溫度在200～250℃之間，主機的螺桿轉速為350～430r/min，料斗進料螺桿的轉速為24～35r/min。
本發明的碳纖維增強聚酮復合材料具有高強度、高韌性、高耐熱、抗靜電的特點，可應用于電子電氣、交通運輸、電動工具等領域，特別適用于制備一些對材料強度和耐磨損性能要求較高的傳動齒輪、電氣支架、電動工具等。與通常用的耐磨聚甲醛材料相比，該材料具有強度更高、比重更低、環境友好性能更加優異的特點。
與現有技術相比，本發明具有以下優點及有益效果：
本發明以碳纖維增強聚酮材料，充分融合碳纖維和聚酮基材在強度和耐磨性能方面的自身優勢，所得到的材料具有比重低、耐磨性能優異、環境優化的特點。本發明相對于現有的技術相比，得到的材料綜合性能更加優異，具有明顯的應用優勢。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
實施例1：碳纖維增強聚酮復合材料制備
將聚酮(m330a，韓國曉星)87.9wt％，相容劑1wt％(佳易容，9801)，分散劑(dowcorning，4-7081)1wt％，抗氧劑0.1wt％(亞膦酸酯類抗氧劑168)加入到高速攪拌機中攪拌混合，混合溫度不高于80℃，混合時間15min；將攪拌均勻的物料加入到長徑比l/d為40:1，螺桿直徑為30mm的平行雙螺桿擠出機的料斗中，設定擠出機從料斗到模頭的各段溫度分別為(共九區)：150℃，190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主機的螺桿轉速為350r/min，料斗進料螺桿的轉速為28r/min。同時將碳纖維10wt％(px35cao250-65，日本東麗)通過雙螺桿擠出機的側喂料口加入。材料經過熔融共混擠出、經過水槽冷卻，風干后進入切粒機進行切粒，得到碳纖維增強聚酮復合材料，注塑成測試樣條后按照gb或者iso標準測試性能。
實施例2：碳纖維增強聚酮復合材料制備
將聚酮(m330a，韓國曉星)77.9wt％，相容劑1wt％(佳易容，9801)，分散劑(dowcorning，4-7081)1wt％，抗氧劑0.1wt％(亞膦酸酯類抗氧劑168)加入到高速攪拌機中攪拌混合，混合溫度不高于80℃，混合時間15min；將攪拌均勻的物料加入到長徑比l/d為40:1，螺桿直徑為30mm的平行雙螺桿擠出機的料斗中，設定擠出機從料斗到模頭的各段溫度分別為(共九區)：150℃， 190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主機的螺桿轉速為350r/min，料斗進料螺桿的轉速為28r/min。同時將碳纖維20wt％(px35cao250-65，日本東麗)通過雙螺桿擠出機的側喂料口加入。材料經過熔融共混擠出、經過水槽冷卻，風干后進入切粒機進行切粒，得到碳纖維增強聚酮復合材料，注塑成測試樣條后按照gb或者iso標準測試性能。
實施例3：碳纖維增強聚酮復合材料制備
將聚酮(m330a，韓國曉星)67.9wt％，相容劑1wt％(佳易容，9801)，分散劑(dowcorning，4-7081)1wt％，抗氧劑0.1wt％(亞膦酸酯類抗氧劑168)加入到高速攪拌機中攪拌混合，混合溫度不高于80℃，混合時間15min；將攪拌均勻的物料加入到長徑比l/d為40:1，螺桿直徑為30mm的平行雙螺桿擠出機的料斗中，設定擠出機從料斗到模頭的各段溫度分別為(共九區)：150℃，190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主機的螺桿轉速為350r/min，料斗進料螺桿的轉速為28r/min。同時將碳纖維30wt％(px35cao250-65，日本東麗)通過雙螺桿擠出機的側喂料口加入。材料經過熔融共混擠出、經過水槽冷卻，風干后進入切粒機進行切粒，得到碳纖維增強聚酮復合材料，注塑成測試樣條后按照gb或者iso標準測試性能。
實施例4：碳纖維增強聚酮復合材料制備
將聚酮(m330a，韓國曉星)57.9wt％，相容劑1wt％(佳易容，9801)，分散劑(dowcorning，4-7081)1wt％，抗氧劑0.1wt％(亞膦酸酯類抗氧劑168)加入到高速攪拌機中攪拌混合，混合溫度不高于80℃，混合時間15min；將攪拌均勻的物料加入到長徑比l/d為40:1，螺桿直徑為30mm的平行雙螺桿擠出機的料斗中，設定擠出機從料斗到模頭的各段溫度分別為(共九區)：150℃，190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主機的螺桿轉速為350r/min，料斗進料螺桿的轉速為28r/min。同時將碳纖維40wt％(px35cao250-65，日本東麗)通過雙螺桿擠出機的側喂料口加入。材料經過熔融共混擠出、經過水槽冷卻，風干后進入切粒機進行切粒，得到碳纖維增強 聚酮復合材料，注塑成測試樣條后按照gb或者iso標準測試性能。
實施例5：碳纖維增強聚酮復合材料制備
將聚酮(m330a，韓國曉星)65.9wt％，相容劑3wt％(佳易容，9801)，分散劑(dowcorning，4-7081)1wt％，抗氧劑0.1wt％(亞膦酸酯類抗氧劑168)加入到高速攪拌機中攪拌混合，混合溫度不高于80℃，混合時間15min；將攪拌均勻的物料加入到長徑比l/d為40:1，螺桿直徑為30mm的平行雙螺桿擠出機的料斗中，設定擠出機從料斗到模頭的各段溫度分別為(共九區)：150℃，190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主機的螺桿轉速為350r/min，料斗進料螺桿的轉速為28r/min。同時將碳纖維30wt％(px35cao250-65，日本東麗)通過雙螺桿擠出機的側喂料口加入。材料經過熔融共混擠出、經過水槽冷卻，風干后進入切粒機進行切粒，得到碳纖維增強聚酮復合材料，注塑成測試樣條后按照gb或者iso標準測試性能。
實施例6：碳纖維增強聚酮復合材料制備
將聚酮(m330a，韓國曉星)65.9wt％，相容劑1wt％(佳易容，9801)，分散劑(dowcorning，4-7081)3wt％，抗氧劑0.1wt％(亞膦酸酯類抗氧劑168)加入到高速攪拌機中攪拌混合，混合溫度不高于80℃，混合時間15min；將攪拌均勻的物料加入到長徑比l/d為40:1，螺桿直徑為30mm的平行雙螺桿擠出機的料斗中，設定擠出機從料斗到模頭的各段溫度分別為(共九區)：150℃，190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主機的螺桿轉速為350r/min，料斗進料螺桿的轉速為28r/min。同時將碳纖維30wt％(px35cao250-65，日本東麗)通過雙螺桿擠出機的側喂料口加入。材料經過熔融共混擠出、經過水槽冷卻，風干后進入切粒機進行切粒，得到碳纖維增強聚酮復合材料，注塑成測試樣條后按照gb或者iso標準測試性能。
實施例7：碳纖維增強聚酮復合材料制備
將聚酮(m330a，韓國曉星)65.7wt％，相容劑1wt％(佳易容，9801)，分散劑(dowcorning，4-7081)3wt％，抗氧劑0.3wt％(亞膦酸酯類抗氧劑168) 加入到高速攪拌機中攪拌混合，混合溫度不高于80℃，混合時間15min；將攪拌均勻的物料加入到長徑比l/d為40:1，螺桿直徑為30mm的平行雙螺桿擠出機的料斗中，設定擠出機從料斗到模頭的各段溫度分別為(共九區)：150℃，190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主機的螺桿轉速為350r/min，料斗進料螺桿的轉速為28r/min。同時將碳纖維30wt％(px35cao250-65，日本東麗)通過雙螺桿擠出機的側喂料口加入。材料經過熔融共混擠出、經過水槽冷卻，風干后進入切粒機進行切粒，得到碳纖維增強聚酮復合材料，注塑成測試樣條后按照gb或者iso標準測試性能。
上述制得的碳纖維增強聚酮復合材料密度按照iso1183-1測試，熔體質量流動指數按照iso1133(300℃，1.2kg)測試，拉伸性能測試按照iso527測試，彎曲性能測試按照iso178，缺口沖擊性能測試按照iso180(23℃，kj/m2)測試，具體的測試結果如下表所示。
由上表中的數據可見，本發明采用丙烯腈基碳纖維作為增強材料提高聚酮(pok)材料的強度的同時能夠賦予聚合物材料導電和抗靜電的特性。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實 施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。