本發明涉及復合材料領域，尤其是復材加工領域的一種表面改性再生碳纖維氈增強尼龍復材及其制備方法。
背景技術：
碳纖維復合材料(CFRP)具有質輕、高強度、高模量等優異的性能，被廣泛的應用于航空航天、汽車工業、軌道交通、新能源等高新技術產業領域。隨著經濟的高速發展，CFRP在各個領域的使用量迅猛增加，產生的廢棄物也與日俱增，而廢棄物不可降解，若直接丟棄到環境中的話，一方面給環境帶來嚴重的污染；另一方面，這些廢棄物中含有60％左右的高附加值碳纖維，而碳纖維的生產是一個高耗能的過程，若不加以回收利用會造成資源的嚴重浪費。
尼龍作為一種工程塑料，其具有很好的彈性，力學性能較好，耐磨，耐油性和加工性能良好，因此被廣泛的應用在汽車，家電，機械等領域。但是尼龍在使用過程中易脆化，抗沖擊性較差，耐熱性和強度也稍低，為了改善尼龍的這些性能，目前常用的方法是采用玻璃纖維來增強尼龍，提高尼龍材料的性能。而玻璃纖維密度較大，增強改性尼龍后得到復合材料密度也隨之大幅增加，這會導致產品的市場競爭力下降。同時，受玻璃纖維本身性能限制，采用玻璃纖維改性的改性尼龍的強度提高有限，在一些性能要求較高的應用領域將受到限制。為了進一步提高改性尼龍復合材料的性能，并使改性材料密度低，使其滿足對性能要求較高領域的應用，一種方法是采用碳纖維增強尼龍，如專利CN201210124432、CN101831172所述，制備得到的復合材料不僅強度高，性能優異，而且密度低，但是新碳纖維價格昂貴，這也導致用其改性的尼龍復合材料的成本較高，直接限制了其廣泛應用。而專利CN103737997A中制備的碳纖維氈增強聚丙烯復材，并未對碳纖維氈進行改性，所以復合材料性能較低。
技術實現要素：
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種成本低、性能好的表面改性再生碳纖維氈增強尼龍復合材料及其制備方法。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種表面改性再生碳纖維氈增強尼龍復合材料的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
(1)將尼龍樹脂顆粒通過熱壓機壓制成尼龍薄膜；
(2)對使用的再生碳纖維氈進行表面改性；
(3)將表面改性的再生碳纖維氈與尼龍薄膜進行交替層鋪，層鋪完成后放入到模具中，將模具放入熱壓機中進行壓板。
步驟(1)所述的尼龍樹脂顆粒采用的尼龍包括尼龍6、尼龍66、尼龍12、尼龍1010中的一種。
步驟(1)所述的熱壓機的壓制溫度為260℃～280℃，壓力為200kN～300kN。尼龍薄膜的具體制備方法如下：稱取10份的尼龍粒料，置于兩塊平整的模具之間，將模具置于熱壓機中，在260℃～280℃的溫度之下，經過預熱8min后，加壓排氣5次，然后在250kN壓力下熱壓8min，最后在冷卻水作用下冷壓4min。
步驟(1)所述的尼龍薄膜的厚度為0.2mm～0.5mm，優選0.35mm。
步驟(2)所述的表面改性的具體方法是將尼龍樹脂溶解在甲酸中，然后將再生碳纖維氈放入到溶解了尼龍的甲酸溶液中，靜置24h，烘干即可，烘干在90℃的烘箱干燥24h。所述的尼龍的甲酸溶液濃度為(0.001～0.005)g/mL，所述的再生碳纖維氈與尼龍樹脂的質量比為5:1～25:1。
再生碳纖維在回收過程中表面會有損傷，導致再生碳纖維氈和樹脂基體的表面極性相差較大，兩者的相容性較差。而在回收的過程中，碳纖維原來的表面上漿劑被去除、并且由于氣相氧化作用在回收碳纖維表面形成了一些含氧的活性官能團，通過溶解了尼龍的甲酸溶液處理再生碳纖維氈，能夠和這些含氧官能團發生化學作用，提高碳纖維和樹脂基體的相容性。
步驟(2)所述的再生碳纖維氈由回收碳纖維制得，再生碳纖維氈中的纖維長度為10mm～30mm，面密度為50～60g/m2。
步驟(3)所述的表面改性的再生碳纖維氈與尼龍薄膜進行交替層鋪的方式為兩層尼龍薄膜之間設置1～6層表面改性的再生碳纖維氈，其中表面改性的再生碳纖維氈的質量含量為5～30％。
所述的表面改性的再生碳纖維氈記為CFM，所述的尼龍薄膜記為PA，將6層尼龍薄膜和5～30層改性的再生碳纖維按PA+mCFM+PA+mCFM+PA+mCFM+PA+mCFM+PA+mCFM+PA，其中m＝1～6的方式疊放。
步驟(3)所述的熱壓機的壓制溫度為260℃～280℃，壓力為200kN～300kN。熱壓機壓制再生碳纖維氈增強尼龍復合材料的具體方法如下：將放置了尼龍薄膜和再生碳纖維氈的模具放入熱壓機中，在260℃～280℃的溫度下，經過預熱10min后，緩慢加壓(預壓)2min并排氣5次，然后在250kN壓力下熱壓10min，最后在冷卻水作用下冷壓6min。
一種表面改性再生碳纖維氈增強尼龍復材，其特征在于：由上述表面改性再生碳纖維氈增強尼龍復材的制備方法制備。
本發明針對再生碳纖維氈改性過程中容易被破壞的特點，采用溶液浸泡法對其改性，既保護的碳纖維氈不被破壞，又能對其進行增強，使得制備的復合材料的性能得到了進一步提高，獲得更廣泛的應用。
與現有技術相比，本發明所提供的表面改性再生碳纖維增強尼龍復合材料密度低，力學性能優異，采用再生碳纖維氈作為增強改性組分，以較低的成本實現了對尼龍的高性能改性，同時又使廢棄的碳纖維復合材料得以重新利用，減少其對環境的污染，增加了其附加值；得到的再生碳纖維增強尼龍復合材料可以廣泛的應用于汽車、電子電氣、家電、機械等產品零部件。
具體實施方式
下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
以下實施例中如沒有特別說明，原料的用量為重量份。
實施例1
(1)稱取10份的尼龍6粒料，置于兩塊平整的模具之間，將模具置于熱壓機中，在280℃的溫度之下，經過預熱8min后，加壓排氣5次，然后在250kN壓力下熱壓8min，最后在冷卻水作用下冷壓4min。尼龍6薄膜的厚度為0.35mm。
(2)將5份的尼龍6溶解在500ml甲酸中，然后將25份再生碳纖維氈放入到溶解了0.005g/mL尼龍6的甲酸溶液中，靜置24h。取出之后放在烘箱中，在90℃的溫度條件下干燥24h。
(3)再生碳纖維氈由回收碳纖維制得，再生碳纖維氈中的纖維長度為10mm。
(4)將6層尼龍6薄膜和5層改性的再生碳纖維氈按PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA(m＝1)的方式疊放好，將疊好的尼龍6薄膜和再生碳纖維氈放入到模具中。
(5)將放置好尼龍薄膜和再生碳纖維氈的模具放入熱壓機中，在280℃的溫度下，經過預熱10min后，緩慢加壓(預壓)2min并排氣5次，然后在250kN壓力下熱壓10min，最后在冷卻水作用下冷壓6min。
實施例2
(1)稱取10份的尼龍6粒料，置于兩塊平整的模具之間，將模具置于熱壓機中，在280℃的溫度之下，經過預熱8min后，加壓排氣5次，然后在250kN壓力下熱壓8min，最后在冷卻水作用下冷壓4min。尼龍6薄膜的厚度為0.35mm。
(2)將5份的尼龍6溶解在500ml甲酸中，然后將25份再生碳纖維氈放入到溶解了尼龍6的甲酸溶液中，靜置24h。取出之后放在烘箱中，在90℃的溫度條件下干燥24h。
(3)再生碳纖維氈由回收碳纖維制得，再生碳纖維氈中的纖維長度為10mm。
(4)將6層尼龍6薄膜和30層改性的再生碳纖維氈按PA+6CFM+PA+6CFM+PA+6CFM+PA+6CFM+PA+6CFM+PA(m＝6)的方式疊放好，將疊好的尼龍6薄膜和再生碳纖維氈放入到模具中。
(5)將放置好尼龍薄膜和再生碳纖維氈的模具放入熱壓機中，在280℃的溫度下，經過預熱10min后，緩慢加壓(預壓)2min并排氣5次，然后在250kN壓力下熱壓10min，最后在冷卻水作用下冷壓6min。
實施例3
(1)稱取10份的尼龍6粒料，置于兩塊平整的模具之間，將模具置于熱壓機中，在260℃的溫度之下，經過預熱8min后，加壓排氣5次，然后在250kN壓力下熱壓8min，最后在冷卻水作用下冷壓4min。尼龍6薄膜的厚度為0.35mm。
(2)將5份的尼龍6溶解在500ml甲酸中，然后將25份再生碳纖維氈放入到溶解了0.005g/mL尼龍6的甲酸溶液中，靜置24h。取出之后放在烘箱中，在90℃的溫度條件下干燥24h。
(3)再生碳纖維氈由回收碳纖維制得，再生碳纖維氈中的纖維長度為10mm。
(4)將6層尼龍6薄膜和30層改性的再生碳纖維氈按PA+6CFM+PA+6CFM+PA+6CFM+PA+6CFM+PA+6CFM+PA(m＝6)的方式疊放好，將疊好的尼龍6薄膜和再生碳纖維氈放入到模具中。
(5)將放置好尼龍薄膜和再生碳纖維氈的模具放入熱壓機中，在260℃的溫度下，經過預熱10min后，緩慢加壓(預壓)2min并排氣5次，然后在250kN壓力下熱壓10min，最后在冷卻水作用下冷壓6min。
實施例4
(1)稱取10份的尼龍6粒料，置于兩塊平整的模具之間，將模具置于熱壓機中，在280℃的溫度之下，經過預熱8min后，加壓排氣5次，然后在250kN壓力下熱壓8min，最后在冷卻水作用下冷壓4min。尼龍6薄膜的厚度為0.35mm。
(2)將5份的尼龍6溶解在500ml甲酸中，然后將25份再生碳纖維氈放入到溶解了0.005g/mL尼龍6的甲酸溶液中，靜置24h。取出之后放在烘箱中，在90℃的溫度條件下干燥24h。
(3)再生碳纖維氈由回收碳纖維制得，再生碳纖維氈中的纖維長度為20mm。
(4)將6層尼龍6薄膜和5層改性的再生碳纖維氈按PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA(m＝1)的方式疊放好，將疊好的尼龍6薄膜和再生碳纖維氈放入到模具中。
(5)將放置好尼龍薄膜和再生碳纖維氈的模具放入熱壓機中，在280℃的溫度下，經過預熱10min后，緩慢加壓(預壓)2min并排氣5次，然后在250kN壓力下熱壓10min，最后在冷卻水作用下冷壓6min。
實施例5
(1)稱取10份的尼龍6粒料，置于兩塊平整的模具之間，將模具置于熱壓機中，在280℃的溫度之下，經過預熱8min后，加壓排氣5次，然后在250kN壓力下熱壓8min，最后在冷卻水作用下冷壓4min。尼龍66薄膜的厚度為0.35mm。
(2)將1份的尼龍6溶解在500ml甲酸中，然后將25份再生碳纖維氈放入到溶解了0.001g/mL尼龍6的甲酸溶液中，靜置24h。取出之后放在烘箱中，在90℃的溫度條件下干燥24h。
(3)再生碳纖維氈由回收碳纖維制得，再生碳纖維氈中的纖維長度為10mm。
(4)將6層尼龍6薄膜和5層改性的再生碳纖維氈按PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA(m＝1)的方式疊放好，將疊好的尼龍6薄膜和再生碳纖維氈放入到模具中。
(5)將放置好尼龍薄膜和再生碳纖維氈的模具放入熱壓機中，在280℃的溫度下，經過預熱10min后，緩慢加壓(預壓)2min并排氣5次，然后在250kN壓力下熱壓10min，最后在冷卻水作用下冷壓6min。
實施例6
(1)稱取10份的尼龍66粒料，置于兩塊平整的模具之間，將模具置于熱壓機中，在280℃的溫度之下，經過預熱8min后，加壓排氣5次，然后在250kN壓力下熱壓8min，最后在冷卻水作用下冷壓4min。尼龍66薄膜的厚度為0.35mm。
(2)將5份的尼龍66溶解在500ml甲酸中，然后將25份再生碳纖維氈放入到溶解了0.005g/mL尼龍66的甲酸溶液中，靜置24h。取出之后放在烘箱中，在90℃的溫度條件下干燥24h。
(3)再生碳纖維氈由回收碳纖維制得，再生碳纖維氈中的纖維長度為10mm。
(4)將6層尼龍66薄膜和5層改性的再生碳纖維氈按PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA(m＝1)的方式疊放好，將疊好的尼龍66薄膜和再生碳纖維氈放入到模具中。
(5)將放置好尼龍薄膜和再生碳纖維氈的模具放入熱壓機中，在280℃的溫度下，經過預熱10min后，緩慢加壓(預壓)2min并排氣5次，然后在250kN壓力下熱壓10min，最后在冷卻水作用下冷壓6min。
比較例
(1)稱取10份的尼龍6粒料，置于兩塊平整的模具之間，將模具置于熱壓機中，在280℃的溫度之下，經過預熱8min后，加壓排氣5次，然后在250kN壓力下熱壓8min，最后在冷卻水作用下冷壓4min。尼龍66薄膜的厚度為0.35mm。
(2)再生碳纖維氈由回收碳纖維制得，再生碳纖維氈中的纖維長度為10mm。
(3)將6層尼龍6薄膜和5層未改性的再生碳纖維氈按PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA(m＝1)的方式疊放好，將疊好的尼龍6薄膜和再生碳纖維氈放入到模具中。
(4)將放置好尼龍薄膜和再生碳纖維氈的模具放入熱壓機中，在280℃的溫度下，經過預熱10min后，緩慢加壓(預壓)2min并排氣5次，然后在250kN壓力下熱壓10min，最后在冷卻水作用下冷壓6min。
各實施例及比較例的力學性能測試結果如下表1所示：
表1力學性能測試結果
從表1可知，隨著再生碳纖維氈含量的增加，復合材料的彎曲性能得到提高，密度得到下降，而熱壓溫度、纖維長度以及尼龍種類對復合材料的彎曲性能和密度影響不大。但是對于未改性的再生碳纖維氈增強尼龍復合材料，其彎曲性能會有下降，說明了改性的必要性。
上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對實施例做出各種修改，并把此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明范疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。