[發(fā)明專利]碳纖維增強炭粉/超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310359487.8
• 申請日: 2013-08-19
• 公開（公告）號: CN103387706A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李大綱;李穗奕;游志培;石兵;石亞軍;王海瑩
• 申請（專利權(quán)）人: 南京林業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C08L23/06
• 分類號: C08L23/06;C08K3/04;C08K7/06
• 代理公司: 南京君陶專利商標(biāo)代理有限公司 32215
• 代理人: 沈根水

技術(shù)領(lǐng)域

?本發(fā)明涉及的是碳纖維增強炭粉/超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的制備方法，屬于木塑復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

?碳纖維是由不完全石墨結(jié)晶沿纖維軸向排列而成的一種多晶材料，碳含量一般在90%以上，常作為復(fù)合材料的增強體。它具有眾多優(yōu)異的性能，如強度高，模量大，而密度比率小；導(dǎo)熱性能好，熱膨脹系數(shù)低，熱穩(wěn)定性和抗熱氧老化性較高；導(dǎo)電性好；耐摩擦性好，磨耗小，摩擦系數(shù)低，常用作抗磨減摩材料；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐腐蝕。因此，碳纖維被廣泛用于航空航天、軍事裝備、體育用品等領(lǐng)域。

?碳纖維具有密度低、強度和模量較高、導(dǎo)電性能優(yōu)異、導(dǎo)熱性好、熱穩(wěn)定性高、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點，但其抗沖擊性能和高溫氧化性能較差，因此常作為樹脂、金屬、陶瓷等材料的增強體得以應(yīng)用。碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料是八十年代后期發(fā)展起來的一類新型材料，如今正受到越來越多的關(guān)注，因為其優(yōu)異的性能，不僅廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天等領(lǐng)域，在民用領(lǐng)域也有著廣闊的發(fā)展空間。?

?常見的碳纖維一般有聚丙烯腈碳纖維、瀝青基碳纖維和纖維素基碳纖維，而聚丙烯腈碳纖維目前產(chǎn)量最高。

?木炭在炭化燒制時并不會損壞其組織結(jié)構(gòu)，各組織導(dǎo)管、細胞壁被完整炭化而形成了蜂窩狀的多孔體。正因其豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積使其具有很強的吸附能力，能夠有效地吸附空氣中的有害氣體，對水質(zhì)的凈化也能起到一定的作用。?

?如同干燥的海綿可以吸水，木炭在高溫?zé)茣r已蒸發(fā)掉了原木中的水分，其內(nèi)部分散的無數(shù)孔隙使其具有較好的濕度調(diào)節(jié)作用。當(dāng)環(huán)境濕度較高時，木炭能夠吸收空氣中的濕氣，當(dāng)環(huán)境干燥時則會釋放已吸收的濕氣，從而起到濕度調(diào)節(jié)作用。

?碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料(CFRP)是以有機高分子材料為基體、碳纖維為增強材料，通過復(fù)合工藝制備而成，具有明顯優(yōu)于原組分性能的一類新型材料。它具有高比強度、高比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計性強、便于大面積整體成型以及具有特殊電磁性能等特點，已經(jīng)成為最重要的航空結(jié)構(gòu)材料之一。

?由于超高分子量聚乙烯熔體粘度極高,?加工比較困難,限制了其的應(yīng)用，超高分子量聚乙烯通過改性,可以改變其缺陷,?提高了其加工流動性,可以達到增韌、增強、提高耐熱以及抗磨損的性能。但是改性后的超高分子量聚乙烯的抗沖擊性、耐磨性等物理機械性能較純的超高分子量聚乙烯下降較多,下降的幅度隨著超高分子量聚乙烯的比例降低而增加，因此使用碳纖維增強改性的超高分子量聚乙烯，使超高分子量聚乙烯的優(yōu)異性能得到更為廣泛研究和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

?本發(fā)明提出的是一種碳纖維增強炭粉/超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的制備方法，其目的是解決碳纖維與炭粉/超高分子量聚乙烯在融熔復(fù)合過程中因質(zhì)量太輕、易團聚、不易分散、不易復(fù)合等問題。

?本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種碳纖維增強炭粉/超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

（1）用粉碎攪拌機將塊狀木炭粉打碎成細粉，60~70目后置于60℃恒溫鼓風(fēng)干燥箱中48小時，烘至絕干狀態(tài)；

（2）將超高分子量聚乙烯粉末至于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中在60℃下恒溫干燥24小時；

（3）準(zhǔn)確稱取烘干的超高分子量聚乙烯粉末25%（按總質(zhì)量計，wt%）與木炭粉在蒸餾水中混合42~62%，并用攪拌器在常溫下攪拌10~30分鐘至混合均勻；

（4）將混合均勻的超高分子量聚乙烯粉末和木炭粉混合溶液置于研磨機中研磨10~15次，并用真空泵抽濾出水分；

（5）將步驟（4）的混合均勻的超高分子量聚乙烯粉末和炭粉混合溶液加入10~30%不同長度的短碳纖維（長度范圍1~5μm），加入蒸留水1000ml，馬來酸酐偶聯(lián)劑3%，在超高速攪拌機內(nèi)攪拌均勻，選用的攪拌速度為15000~24000轉(zhuǎn)/分鐘，使三者充分混合，呈融溶狀態(tài)的懸浮溶液；

（6）將步驟（5）的懸浮溶液置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中去除水分，然后將碳纖維/超高分子量聚乙烯/木碳粉三者的混合物置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中在60℃下恒溫干燥24~48小時，使得混合物干燥；

（7）將步驟（6）得到的混合干燥物置于攪拌粉碎機中攪拌打碎成粉；

（8）將步驟（7）得到的將打碎成粉的三種材料混合物投入到雙螺桿擠出機中進行混煉復(fù)合，復(fù)合溫度為170~190℃，螺桿旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置為同向旋轉(zhuǎn)，螺桿轉(zhuǎn)速為30~50rpm，混合10~20min；

（9）混合完成后擠出成型，樣條放置在20士2℃，相對濕度為50士5%的恒溫恒濕環(huán)境中至少40小時。