[發明專利]一種碳纖/碳納米管增強尼龍復合材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201310698095.4
• 申請日: 2013-12-16
• 公開（公告）號: CN103709744A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 李志剛
• 申請（專利權）人: 寧波博利隆復合材料科技有限公司
• 主分類號: C08L77/06
• 分類號: C08L77/06;C08K13/06;C08K9/06;C08K9/00;C08K7/06;C08K7/00;C08K3/04;C08J5/06
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技術領域

本發明屬于碳纖復合材料技術領域，具體涉及一種碳纖/碳納米管增強尼龍復合材料，本發明還涉及該復合材料的制備方法。

背景技術

碳納米管(CNTs)是一種新型的石墨材料，它是由石墨片層卷曲而成的圓柱形結構，其直徑范圍一般為一納米至幾百納米。這些管狀纖維的長度變化范圍也很大，一般為幾微米到幾千微米；因此碳納米管的長徑比(長度與直徑的比值)范圍為一千～十萬。這么大的長徑比以及獨特的結構使得碳納米管與眾多其他材料有很大差別。碳納米管有很多獨特的性質，例如，其強度是不銹鋼的16倍，熱導率為銅的5倍。由于碳納米管自身為粉末狀態，它可能是構筑新型復合材料的最合適的添加劑。將碳納米管加入到聚合物、陶瓷或金屬基體中后，可以顯著提高主體材料的物理性質(如導電性、導熱性和其他物理性質)，其效果遠遠優于炭黑、碳纖維或玻璃纖維等傳統添加劑。

碳納米管的獨特結構決定了它具有許多特殊的物理和化學性質。組成碳納米管的C＝C共價鍵是自然界最穩定的化學鍵，所以使得碳納米管具有非常優異的力學性能。理論計算表明，碳納米管具有極高的強度和極大的韌性。其理論值估計楊氏模量可達5TPa，強度約為鋼的100倍，而重量密度卻只有鋼的1/6。Treacy等首次利用了TEM測量了溫度從室溫到800度變化范圍內多壁碳納米管的均方振幅，從而推導出多壁碳納米管的平均楊氏模量約為1.8Tpa。而Salvetat等測量了小直徑的單壁碳納米管的楊氏模量，并導出其剪切模量為1Tpa。Wong等用原子力顯微鏡測量多壁碳納米管的彎曲強度平均值為14.2±10.8GPa，而碳纖維的彎曲強度卻僅有1GPa。碳納米管無論是強度還是韌性，都遠遠優于任何纖維，被認為是未來的“超級纖維”。

多壁碳納米管，其結構獨特，微小的尺寸和大的長徑比使其在極低的濃度下就可以形成導電網絡，可在塑料中用作高效導電添加劑。一般添加量在2％～3％左右時，表面電阻即可達到10⁶～10⁹ohm/square。

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)、瀝青基碳纖維、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，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。

尼龍66是一種半晶體-晶體材料，其在聚酰胺材料中有較高的熔點，且在較高溫度也能保持較強的強度和剛度。具有良好的流動性(但不如PA6)，并且對許多溶劑具有抗溶性。其缺點吸水大，在成型后仍然具有吸濕性(其程度主要取決于材料的組成、壁厚以及環境條件。在產品設計時，一定要考慮吸濕性對幾何穩定性的影響)。收縮率在1％～2％之間，收縮率在流程方向和與流程方向相垂直方向上的相異是較大的。且對酸和其它一些氯化劑的抵抗力較弱。選擇尼龍66為碳纖尼龍的基體的原因其機械強度是尼龍中最高的一種(如拉伸強度、表面硬度、剛性都高于其它的尼龍類塑料)，并且它的耐磨性僅低于POM，而優于其它尼龍。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種具有高強度、高模量、高導電高導等物理性能的碳纖/碳納米管增強尼龍復合材料。

同時，本發明還提供該復合材料的制備方法。

為了實現上述目的，本發明所采取的技術方案如下：

一種碳纖/碳納米管增強尼龍復合材料，由以下重量份的組分制備而成：

碳纖維：30份

碳納米管：3份

PA66樹脂：75份

加工助劑：1份。

上述的PA66樹脂的拉伸強度為83.0MPa，彎曲強度為116MPa，彎曲模量為2499MPa，簡支梁缺口沖擊強度為9.3kJ/m²。

上述的加工助劑為重量比為3：3：4的抗氧劑、潤滑劑和相容劑的混合物。

抗氧劑為抗氧劑1010(四[β-(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)。

上述的潤滑劑為硅酮粉。