碳纤维/碳纳米管增强尼龙复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及碳纤复合材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维/碳纳米管增强尼龙复 合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 碳纤维是含碳量在90%以上的高强度高模量纤维，是用分解温度低于熔融温度的 纤维聚合物，通过千度以上固相热解而制成。碳纤维的种类包括：聚丙烯腈基碳纤维（PAN 基碳纤）、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维等。60年代以来，碳纤维迅速发展为新型增强材 料，具有高强度、质量轻、耐疲劳、性能优良、模量大和热膨胀系数低等优点，在复合材料领 域里有广泛的应用。但是，纤维中的碳分子平面是沿纤维轴取向，表面呈化学惰性，其与热 塑性树脂基体之间亲和力较差，难以形成化学键连接，并且界面存在不相容组分，界面粘结 强度低，复合时容易在界面上形成孔隙和缺陷，导致增强体与基体树脂难以形成有效粘结， 从而影响碳纤复合材料综合性能的发挥。
[0003] 碳纳米管（CNTs)是一种新型的石墨材料，它是由石墨片层卷曲而成的圆柱形结 构，其直径范围一般为一纳米至几百纳米。这些管状纤维的长度变化范围也很大，一般为几 微米到几千微米；因此碳纳米管的长径比（长度与直径的比值）范围为一千至十万。这么 大的长径比以及独特的结构，使得碳纳米管与其他众多材料有很大差别。碳纳米管具有很 多独特的性质，例如，其强度是不锈钢的16倍，热导率为铜的5倍。由于碳纳米管自身为粉 末状态，它可能是构筑新型复合材料最合适的添加剂之一。将碳纳米管加入到聚合物、陶瓷 或金属基体中，可以显著提高主体材料的物理性质如导电性和导热性等，其效果远远优于 炭黑、碳纤维或玻璃纤维等传统添加剂。
[0004] 尼龙66是一种半晶体-晶体材料，其优点是坚韧、耐磨、耐油、耐水、抗酶菌。在聚 酰胺（PA)材料中，尼龙66具有较高的熔点，在较高温度也能保持较强的强度和刚度，并且 其具有良好的流动性（但不如PA6)，对许多溶剂具有抗溶性。尼龙66的缺点是吸水大，在 成型后仍然具有吸湿性；收缩率在1 %~2%之间，收缩率在流程方向和与流程方向相垂直 方向上的相异是较大的；还有其对酸和其它一些氯化剂的抵抗力较弱。
[0005] 现有技术中有用碳纤维和碳纳米管对尼龙66进行改性，以赋予其高强度、高模量 等物理性能。但是，这种改性后的尼龙66复合材料的韧性和阻燃性较差，不利于应用。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本申请提供一种碳纤维/碳纳米管增强尼龙复合材料及其制备方法， 本发明提供的碳纤维/碳纳米管增强尼龙复合材料具有优良的韧性和阻燃性。
[0007] 本发明提供一种碳纤维/碳纳米管增强尼龙复合材料，由混合物料混炼制得；所 述混合物料包括如下质量分数的组分：
[0008] 50 % ~65 % 的尼龙 66 ;
[0009] 20 %~30 %的碳纤维；
[0010] 2%~5%的碳纳米管；
[0011] 5%~10%的马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物；
[0012] 5 %~10 %的硅氮复合阻燃剂；
[0013] 1 %~2%的硅酮粉。
[0014] 优选地，所述混合物料包括51%~60%的尼龙66。
[0015] 优选地，所述碳纳米管为用硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂表面处理后的改性碳纳米 管。
[0016] 优选地，所述混合物料包括3 %~4 %的碳纳米管。
[0017] 优选地，所述混合物料包括6%~8%的马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物。
[0018] 优选地，所述混合物料包括6 %~8 %的硅氮复合阻燃剂。
[0019] 优选地，所述混合物料还包括抗氧剂。
[0020] 优选地，所述混合物料包括如下质量分数的组分：
[0021] 51 % 的尼龙 66;
[0022] 30 %的碳纤维；
[0023] 3 %的碳纳米管；
[0024] 6%的马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物；
[0025] 8 %的硅氮复合阻燃剂；
[0026] 2 %的硅酮粉。
[0027] 本发明还提供一种上文所述的碳纤维/碳纳米管增强尼龙复合材料的制备方法， 包括：
[0028] 将尼龙66、碳纤维、碳纳米管、马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物、硅氮复合阻燃剂和 硅酮粉混合后，进行熔融混炼，得到碳纤维/碳纳米管增强尼龙复合材料。
[0029] 优选地，所述熔融混炼的温度为255 °C~280 °C。
[0030] 与现有技术相比，本发明主要以尼龙66、碳纤维、碳纳米管、马来酸酐接枝乙烯辛 烯共聚物、硅氮复合阻燃剂和硅酮粉为混合物料，经混炼得到碳纤维/碳纳米管增强尼龙 复合材料。在本发明中，各组分互相配合、综合作用，能提高尼龙66复合材料的韧性和阻燃 性。结果表明，本发明提供的尼龙66复合材料的阻燃性可达VO级，且韧性较以往更好。
【附图说明】
[0031] 图1为本发明实施例熔融混炼的流程示意图。
【具体实施方式】
[0032] 下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例 仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通 技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范 围。
[0033] 本发明提供了一种碳纤维/碳纳米管增强尼龙复合材料，由混合物料经混炼制 得；所述混合物料包括如下质量分数的组分：
[0034] 50 % ~65 % 的尼龙 66 ;
[0035] 20 %~30 %的碳纤维；
[0036] 2%~5%的碳纳米管；
[0037] 5%~10%的马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物；
[0038] 5 %~10 %的硅氮复合阻燃剂；
[0039] 1 %~2%的硅酮粉。
[0040] 本发明提供的碳纤维/碳纳米管增强尼龙复合材料不仅具有高强度和高模量，而 且具有优良的韧性和阻燃性。
[0041] 本发明提供的碳纤维/碳纳米管增强尼龙复合材料由混合物料经混炼制得；以质 量分数计，所述混合物料包括50%~65%的尼龙66,优选包括51 %~60%的尼龙66。本 发明选择尼龙66为碳纤尼龙的基体，原因主要在于：尼龙66的机械强度是尼龙中最高的一 种，如其拉伸强度、表面硬度、刚性都高于其它的尼龙类塑料，并且它的耐磨性仅低于聚甲 醛（POM)，而优于其它尼龙。在本发明的一个实施例中，所述尼龙66的拉伸强度为83. OMPa， 弯曲强度为116MPa，弯曲模量为2499MPa，简支梁缺口冲击强度为9. 3kJ/m2。本发明对所述 尼龙66的来源没有特殊限制，一般采用市售产品，如购自平顶山神马公司的牌号为EPR27 的PA66树脂。
[0042] 以质量分数计，所述混合物料包括20 %~30 %的碳纤维，优选包括26 %~30 %的 碳纤维。在本发明中，所述碳纤维优选为经过大气低温等离子体处理后的改性碳纤维。本 发明对所述碳纤维的来源没有特殊限制，可采用日本东丽公司生产的碳纤维市售产品。所 述混合物料包括2 %~5 %的碳纳米管，优选包括3 %~4 %的碳纳米管。在本发明中，所述 碳纳米管优选为用硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂表面处理后的改性碳纳米管。
[0043] 在本发明的一个实施例中，采用占碳纳米管质量3%的复合偶联剂（由硅烷偶联 剂和钛酸酯偶联剂复合而成），对碳纳米管进行表面处理，得到改性碳纳米管。其中，所述 硅烷偶联剂可为市售的KH550偶联剂或KH560偶联剂；所述表面处理按照常规方法进行即 可。本发明对所述碳纳米管的来源没有特殊限制，可采用北京天奈科技有限公司生产的碳 纳米管市售产品。本发明实施例将碳纤维和碳纳米管加入尼龙66中，可显著提高主体材料 的强度和模量等性能。
[0044] 以质量分数计，所述混合物料包括5%~10%的马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物 (MPOE)，优选包括6 %~8 %的马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物，能够大幅度地提高尼龙66的 冲击强度，改善其韧性。在本发明中，所述马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物可采用相应的市售 产品。在本发明的实施例总，MPOE的接枝率为1~1. 7%。以质量分数计，所述混合物料包 括5 %~10 %的硅氮复合阻燃剂，优选包括6 %~8 %的硅氮复合阻燃剂。在本发明中，所 述硅氮复合阻燃剂的阻燃效果好，且比较环保；相应地采用市售产品即可。在本发明的实施 例中，可采用硅系阻燃剂和氮系阻燃剂复合使用，两者比例如4:6。
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