一種高耐磨碳纖維增強聚酰胺復合材料及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于碳纖維增強復合材料領域，特別涉及一種高耐磨碳纖維增強聚酰胺復 合材料及其制備方法和應用。
【背景技術】
[0002] 聚酰胺是分子主鏈上含有重復酰胺基團-[NHC0]-的熱塑性樹脂總稱。這類聚合 物具有高韌性、高流動性、耐沖擊等諸多優良性能，被廣泛應用于機械設備、汽車制造、儀器 儀表等領域。除此之外，由于聚酰胺材料的高結晶性和潤滑性，這類材料還廣泛應用于一些 耐磨、耐腐蝕的工業機械器件領域。
[0003] 針對當前一些要求以塑代鋼的工業器械器件領域對塑膠材料的強度、模量、耐磨 性、導電性以及高流動性的要求，本發明開發了一種高強度、高模量的高耐磨碳纖維增強聚 酰胺復合材料，該復合材料適合于通過注塑成型制成一些結構復雜高性能的工業器件。與 現有的金屬材料相比，該復合材料具有成型方便，易回收等特點。
【發明內容】
[0004] 為了克服上述現有技術的缺點與不足，本發明的首要目的在于提供一種高耐磨碳 纖維增強聚酰胺復合材料。
[0005] 本發明另一目的在于提供一種上述高耐磨碳纖維增強聚酰胺復合材料的制備方 法。
[0006] 本發明再一目的在于提供上述高耐磨碳纖維增強聚酰胺復合材料在電子器件和 電子工具上的應用。
[0007] 本發明的目的通過下述方案實現：
[0008] -種高耐磨碳纖維增強聚酰胺復合材料，包含以下質量分數的組分：
[0009] 聚酰胺（PA) 28,7~78.8 % 碳纖維（CF) 10~45 % 聚偏氟乙烯（PVDF) 10~20 %: 爽滑劑 1~5% 納米填料 1~8% 分散劑 01~1% 其它助劑 d:l~0.3%:。：
[0010] 作為優選方案，上述高耐磨碳纖維增強聚酰胺復合材料，包含以下質量分數的組 分：
[0011] 聚酰胺（PA) 40~60 % 碳纖維（CF) 20~40 % 聚偏氟乙烯CPVDF) 13~17 % 爽滑劑 1~3% 納米填料 2~5 % 分散劑 0.5~0.8 % 其它助劑 0.2%。
[0012] 上述的聚酰胺可為聚酰胺66 (PA66)和聚酰胺6 (PA6)中的至少一種。
[0013] 優選的，上述的聚酰胺為不同粘度的PA66和PA6的混合物。
[0014] 優選的，上述的PA66為粘度為3. 0~3. 8Pa.s的高粘度PA66,如PA66(EPR32,神 馬尼龍化工有限公司）。
[0015] 優選的，上述的PA6為黏度為2. 0~2. 8Pa?s的中粘度PA6,如PA6 (M2800,岳陽 石化）。
[0016] 更優選的，上述的聚酰胺中PA66和PA6的質量比為80:20~99:1，最優的質量比 為 90:10 ~95:5。
[0017] 上述的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至 少一種。
[0018] 優選的，上述的碳纖維為聚丙烯腈基材的碳纖維。
[0019] 更優選的，上述的碳纖維為單絲直徑4~8ym，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，不僅能夠為聚酰胺基材提供高強度、高模量、低比重 的特點，還能在一定程度上減少復合材料的磨損量。
[0020] 上述碳纖維的最優選添加量為20~30%。
[0021] 上述的聚偏氟乙烯可為分子量大于等于100萬的高分子量PVDF，如包括：美國蘇 威的5301、9009等，其中更優選為5301。高分子量的PVDF具有低表面張力，其在提高聚合 物韌性的同時還可降低復合材料的摩擦系數。
[0022] 上述的爽滑劑為具有有機硅氧烷結構的有機硅聚合物及其共聚物，其可以為聚甲 基硅氧烷、聚乙基硅氧烷、聚苯基硅氧烷和有機硅氧烷共聚物中的至少一種，優選為聚苯基 硅氧烷。有機硅氧烷結構的爽滑劑在材料成型之后能緩慢朝制品表面迀移，降低材料的摩 擦系數。
[0023] 上述的納米填料為具有納米尺寸的金屬氧化物，其可以為納米二硫化鉬、納米二 氧化鉬、納米氧化鋅、納米二氧化鈦和納米氧化鋁中的至少一種，優選為納米二硫化鉬或納 米氧化鋅。
[0024] 更優選的，上述的納米填料的粒徑為100nm~10ym，其微觀形貌可以是球形、棒 狀、片狀等。納米填料具有高的表面硬度，添加到復合材料中不僅可以降低材料的磨損量， 還可以在復合材料成型過程中充當異相成核的成核劑，提高聚酰胺的結晶速度，增加微晶 比重，使復合材料的抗沖擊性能提高。
[0025] 上述的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。
[0026]優選的，上述的分散劑為季戊四醇油酸酯、季戊四醇硬脂酸酯（PETS)、乙撐雙硬酯 酰胺（EBS)和有機硅類分散劑（如E525，Evonik)中的至少一種。
[0027] 更優選的，上述的分散劑為季戊四醇硬脂酸酯（PETS)。
[0028] 上述的其它助劑可為本領域常見的適用于聚酰胺體系的加工助劑中的至少一種， 如加工穩定劑和抗氧劑中的至少一種。
[0029] 優選的，上述的抗氧劑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] ^烷（S9228)，三（2, 4-二叔丁基苯基）亞 磷酸酯（抗氧劑168)。
[0030] 更優選的，上述的抗氧劑為三（2, 4-二叔丁基苯基）亞磷酸酯（抗氧劑168)。
[0031] 本發明還提供了一種上述高耐磨碳纖維增強聚酰胺復合材料的制備方法，包括以 下具體操作步驟：
[0032] (1)將聚酰胺、聚偏氟乙烯、爽滑劑、納米填料、分散劑和其它助劑加入高速攪拌機 中混合均勻；
[0033] (2)將步驟⑴中的混合物料通過主喂料口加入雙螺桿擠出機中，碳纖維經雙螺 桿擠出機排氣口加入雙螺桿擠出機中，熔融共混，擠出造粒，即得到碳纖維增強聚酰胺材 料。
[0034] 步驟（1)中所述的混合的優選條件為混合溫度為室溫~80°C，在200~400r/min 的速度下攪拌10~30min。
[0035] 步驟（2)中所述的雙螺桿擠出機的主機的螺桿轉速為350~430r/min，料斗進料 螺桿的轉速為24~35r/min。
[0036] 步驟⑵中所述的熔融共混的溫度優選為擠出機各加熱段的溫度為180~255°C。
[0037] 步驟（2)中所述的擠出造粒的方式優選為經過水浴冷卻系統后再擠出造粒。
[0038] 本發明通過熔融共混工藝制備高耐磨碳纖維增強熱塑性聚酰胺復合材料，該材料 具有高強度、高韌性、低摩擦系數、低表面電阻率等特點，特別適合于應用在一些對材料耐 磨損性能和抗靜電性能要求較高的電子器件和電動工具。
[0039] 本發明的機理為：
[0040] (1)碳纖維具有高強度、高自潤滑性、高導電率的特點，是一種理想的耐磨擦增強 材料；(2)高分子量的聚偏氟乙烯（PVDF)具有低表面張力和低摩擦系數的特點，與聚酰胺 材料進行熔融共混之后可以在復合材料中形成互穿網絡結構，不但可以提高材料的耐磨性 能，還能提高材料的抗沖擊性能，與常用做耐磨劑的低分子量聚四氟乙烯（PTFE)相比，高 分子量聚偏氟乙烯（PVDF)與聚酰胺基材相容性更好，加工性能更好；（3)本發明選擇硅氧 烷類爽滑劑在材料成型之后能緩慢朝制件表面迀移，降低材料的摩擦系數；(4)高表面硬 度的納米填料一方面可以提高材料的硬度，另外一方面可以提高材料的表面微晶數量和均 勻性，提高材料表面強度；（5)高粘度PA66和中粘度PA6的復合使用，利用高粘度的PA66復 合材料提供高強度、高韌性的特點，利用熔膠在型腔內的"噴泉效應"，成型過程中高流動性 的PA6將攜帶大量的碳纖維和納米填料在制件表面富集和取向，進一步提高材料的耐磨性 能和強度。
[0041] 本發明相對于現有技術，具有如下的優點及有益效果：
[0042] (1)本發明的碳纖維增強聚酰胺復合材料具有高強度、高模量、高耐磨、高流動性 的特點；
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