碳纖維增強聚甲醛復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種新型高性能碳纖復合材料技術領域，具體涉及一種碳纖維增強聚 甲醛復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 碳纖維是含碳量在90%以上的高強度高模量纖維，是用分解溫度低于熔融溫度的 纖維聚合物，通過千度以上固相熱解而制成。其種類包括有聚丙烯腈基碳纖維（PAN基碳 纖)、浙青基碳纖維、粘膠基碳纖維。60年代以來碳纖維迅速發展的新型增強材料，具有高強 度、質量輕、耐疲勞、性能優良、模量大和熱膨脹系數低等優點，在復合材料領域里廣泛的應 用。但是，纖維中的碳分子平面是沿纖維軸取向，表面呈化學惰性，與熱塑性樹脂基體之間 親和力較差，難以形成化學鍵連接并且界面存在不相容組分，界面粘結強度低，復合時容易 在界面上形成孔隙和缺陷，增強體與基體樹脂難以形成有效粘結，影響復合材料綜合性能 的發揮。因此，需要通過表面處理來提高增強體和基體樹脂界面的粘結度，以達到提高碳纖 維增強復合材料性能的目的。
【發明內容】
[0003] 本發明提供一種質量輕、導電好、耐磨性好適合用于齒輪、軸承、汽車配件、電子零 配件等產品的碳纖維增強聚甲醛碳纖復合材料。
[0004] 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種碳纖維增強聚甲醛復合材料，其特征 在于，按重量百分比包括以下組分：
[0005] 聚甲醛72%~76%、加工助劑1%以及經低溫等離子處理的碳纖維23~27%。
[0006] 優選的，所述加工助劑包括抗氧劑、潤滑劑及/或相容劑。
[0007] 優選的，所述抗氧劑為抗氧劑1010 (四[e- (3,5_二叔丁基-4-羥基苯基）丙酸 酯]季戊四醇酯）或抗氧劑168 (三[2. 4-二叔丁基苯基]亞磷酸酯)。
[0008] 優選的，所述潤滑劑為親水性高分子化合物（PEG)。
[0009] 優選的，所述相容劑為N，N'-乙撐雙硬脂酰胺（EBS)或硅銅粉。
[0010] 還提供了一種碳纖維增強聚甲醛復合材料的制備方法，包括如下步驟：
[0011] 碳纖維經低溫等離子處理；
[0012] 按配比把碳纖維與聚甲醛和加工助劑混合均勻，然后熔融剪切、混煉、擠出造粒得 到碳纖復合材料粒料。
[0013] 優選的，所述低溫等離子處理為介質阻擋放電（DBD)等離子體方式。
[0014] 優選的，按配比把聚甲醛和加工助劑混合均勻，通過雙螺桿擠出造粒機在145°C~ 190°C溫度下擠出造粒，并且在擠出過程中，通過中間的加料孔加入已處理好的碳纖維。
[0015] 優選的，在擠出過程中，擠出機的螺桿轉速為300轉/min、喂料轉速為305轉/ min、切料速度為450轉/min。
[0016] 本發明提供的碳纖維增強聚甲醛復合材料，比普通聚甲醛具有更好的抗熱強度、 彎曲強度、耐疲勞性強度，具有更好的耐磨性和尺寸穩定，并具有優良的導電性能，25%碳纖 維增強聚甲醛表面電阻率和體積電阻率均可小于1X102數量級。
【附圖說明】
[0017] 此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，并不 構成對本發明的不當限定，在附圖中：
[0018] 圖1為本發明實施例提供的碳纖維增強聚甲醛復合材料的制備方法處理碳纖維 的示意圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面將結合附圖以及具體實施例來詳細說明本發明，在此本發明的示意性實施例 以及說明用來解釋本發明，但并不作為對本發明的限定。
[0020] 碳纖維增強聚甲醛復合材料實施例
[0021] 一種碳纖維增強聚甲醛復合材料，按重量百分比包括以下組分：
[0022] 聚甲醛72%~76%、加工助劑1%以及經低溫等離子處理的碳纖維23~27%，其中 碳纖維為購自市售的日本東麗公司生產的碳纖維，聚甲醛為日本寶理的M90-44樹脂，其拉 伸強度為60MPa，彎曲強度為90MPa，彎曲模量為2580MPa，密度：1. 41g/cm3,懸臂梁缺口沖 擊強度為63J/m，熱變形溫度（1. 82MPa)為110°C。
[0023] 優選的，所述加工助劑包括抗氧劑、潤滑劑及/或相容劑。
[0024] 所述抗氧劑可以是抗氧劑1010 (四[0- (3, 5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸酯] 季戊四醇酯）或抗氧劑168 (三[2. 4-二叔丁基苯基]亞磷酸酯)。
[0025] 所述的潤滑劑可以是親水性高分子化合物（PEG)。
[0026] 所述的相容劑可以是N，N' -乙撐雙硬脂酰胺（EBS)或硅銅粉等。
[0027] 本發明所述的抗氧劑、潤滑劑和相容劑三者在總組分中的重量百分比為：抗氧劑 〇. 3%，潤滑劑0. 3%，相容劑0. 4%。
[0028] 用于制備齒輪、軸承、汽車配件、電子零配件等產品的碳纖維增強聚甲醛復合材料 的制備方法：
[0029] 實施例1
[0030] (1)碳纖維的處理：如圖1所示，在室溫條件下，5根12K碳纖維束1以2m/s的速 度通過低溫等離子處理箱陶瓷電極2之間的等離子處理區域3,完成后放入塑料箱中待用；
[0031] (2)然后按配比把步驟（1)處理后的碳纖維與聚甲醛和加工助劑，混合均勻，然后 經雙螺桿擠出機在145°C~190°C溫度下熔融剪切、混煉、擠出造粒即得到碳纖復合材料粒 料。
[0032] 實施例2
[0033] (1)碳纖維的處理：在室溫條件下，碳纖維束以2m/s的速度通過低溫等離子處理 箱，以介質阻擋放電（DBD)等離子體方式處理碳纖維，并且裝箱備用；
[0034] (2)按比例配比聚甲醛和加工助劑，混合均勻；
[0035] (3)把混合物通過雙螺桿擠出造粒機在145°C~190°C溫度下擠出造粒，并且在擠 出過程中，通過中間的加料孔加入低溫等離子處理過的碳纖維，使混合材料中碳纖的含量 達到客戶要求的指標。
[0036] 實施例3
[0037] (1)碳纖維的處理：在室溫條件下，碳纖維束以2m/s的速度通過低溫等離子處理 箱，并且裝箱備用；
[0038] (2)按比例配比原料，混合均勻；
[0039] (3)把混合物通過雙螺桿擠出造粒機在145°C~190°C溫度下擠出造粒，在擠出過 程中，擠出機的螺桿轉速為300轉/min、喂料轉速為305轉/min、切料速度為450轉/min。
[0040] 實施例4
[0041] (1)碳纖維的處理：在室溫條件下，碳纖維束以2m/s的速度通過低溫等離子處理 箱，并且裝箱備用；
[0042] (2)按比例配比聚甲醛和加工助劑，混合均勻；
[0043] (3)把混合物通過雙螺桿擠出造粒機在145°C~190°C溫度下擠出造粒，并且在擠 出過程中，通過中間的加料孔加入低溫等離子處理過的碳纖維，使混合材料中碳纖的含量 達到客戶要求的指標；
[0044] 在擠出過程中，擠出機的螺桿轉速為300轉/min、喂料轉速為305轉/min、切料速 度為450轉/min，生產收集后即為本發明的碳纖維增強聚甲醛復合材料。
[0045] 本發明所述的碳纖維通過大氣低溫等離子體處理。當碳纖維通過低溫等離子處理 設備時，低溫等離子體中的電子從電場中獲得能量成為自由的高能電子，它與氣體中的原 子和分子碰撞產生激發和電離現象，由此生成的激發分子，原子，離子和游離基都是極不穩 定的具有較高的化學反應性，很容易與碳纖維發生一般情況下無法生成的反應，去除可能 阻礙碳纖表面一些活性點的表面污物(事實上碳纖維活性表面暴露于空氣中時，會導致一 個很強的物理吸附水分層，這將阻礙纖維與環氧樹脂的反應，因為水分有阻聚作用）；或使 纖維表表面層發生刻蝕而形成微孔和刻蝕溝槽，使表面積增大，有利于兩相之問的物理聚 合；或生成新化合物或反應性的基團以及形成與樹脂起反應的中間層，從而改善炭纖維與 基體之間的結合力。并且低溫等離子體在性質上與普通氣體有很大的差別。低溫等離子 體中電子溫度可高達數千到數萬K，而氣體溫度很低，大致在室溫至上百攝氏度，而電子能 量約為幾個至十幾個電子伏特。這個能量大于聚合物材料的結合鍵能（幾個至十幾電子 伏特），完全可以打斷有機大分子的化學鍵而形成新鍵；但遠低于高能射線，只涉及材料表 面，所以不影響基體的性能。
[0046] 表1本發明實施例制備的碳纖維增聚甲醛復合材料樣品的力學和理化性能
[0047]
【主權項】
1. 一種碳纖維增強聚甲醛復合材料，其特征在于，按重量百分比包括以下組分： 聚甲醛72%~76%、加工助劑1%以及經低溫等離子處理的碳纖維23~27%。
2. 根據權利要求1所述的碳纖維增強聚甲醛復合材料，其特征在于： 所述加工助劑包括抗氧劑、潤滑劑及/或相容劑。
3. 根據權利要求1所述的碳纖維增強聚甲醛復合材料，其特征在于： 所述抗氧劑為抗氧劑1010 (四[0- (3, 5-二叔丁基-4-羥基苯基）丙酸酯]季戊四 醇酯）或抗氧劑168 (三[2. 4-二叔丁基苯基]亞磷酸酯)。
4. 根據權利要求1所述的碳纖維增強聚甲醛復合材料，其特征在于： 所述潤滑劑為親水性高分子化合物（PEG)。
5. 根據權利要求1所述的碳纖維增強聚甲醛復合材料，其特征在于： 所述相容劑為N，N' -乙撐雙硬脂酰胺（EBS)或硅銅粉。
6. -種碳纖維增強聚甲醛復合材料的制備方法，包括如下步驟： 碳纖維經低溫等離子處理； 按配比把碳纖維與聚甲醛和加工助劑混合均勻，然后熔融剪切、混煉、擠出造粒得到碳 纖復合材料粒料。
7. 根據權利要求6所述的碳纖維增強聚甲醛復合材料的制備方法，其特征在于： 所述低溫等離子處理為介質阻擋放電（DBD)等離子體方式。
8. 根據權利要求6所述的碳纖維增強聚甲醛復合材料的制備方法，其特征在于： 按配比把聚甲醛和加工助劑混合均勻，通過雙螺桿擠出造粒機在145°C~190°C溫度 下擠出造粒，并且在擠出過程中，通過中間的加料孔加入已處理好的碳纖維。
9. 根據權利要求6所述的碳纖維增強聚甲醛復合材料的制備方法，其特征在于： 在擠出過程中，擠出機的螺桿轉速為300轉/min、喂料轉速為305轉/min、切料速度為 450 轉 /min〇
【專利摘要】本發明公開了一種碳纖維增強聚甲醛復合材料及其制備方法，其按重量百分比包括聚甲醛72%~76%、加工助劑1%以及經低溫等離子處理的碳纖維23~27%。本發明提供的碳纖維增強聚甲醛復合材料，比普通聚甲醛具有更好的抗熱強度、彎曲強度、耐疲勞性強度，具有更好的耐磨性和尺寸穩定，并具有優良的導電性能，25%碳纖維增強聚甲醛表面電阻率和體積電阻率均可小于1×102數量級。
【IPC分類】C08L59-00, C08K9-00, C08K7-06, B29B9-06
【公開號】CN104710723
【申請號】CN201310672251
【發明人】李志剛, 虞建玲
【申請人】寧波博利隆復合材料科技有限公司
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2013年12月11日