專利名稱：一種熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到熱塑性樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是涉及一種熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展，以通用工程塑料和高性能工程塑料為基體樹脂的熱 塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料越來越受到人們的關(guān)注，并已成為復(fù)合材料領(lǐng)域異?；钴S的研 究熱點。與熱固性樹脂基碳纖維復(fù)合材料相比，熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料有許多優(yōu)點 例如，斷裂韌性高、斷裂伸長率大；成型過程中無化學(xué)反應(yīng)，因此成型速度快，成型周期短； 預(yù)浸料可以無限期存放，且對存放無特殊要求，即不必在零度以下存放；半結(jié)晶的熱塑性樹 脂有相當(dāng)好的耐溶劑性，因此以其為基體的碳纖維復(fù)合材料極易回收再加工，無環(huán)境污染； 能夠?qū)崿F(xiàn)快速、無污染、自動化生產(chǎn)等。所以，熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料在很大程度上 彌補了熱固性樹脂基碳纖維復(fù)合材料所固有的缺點例如，斷裂韌性、損傷容限低，環(huán)境適 應(yīng)性差，加工周期長，難以回收等，為樹脂基碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展開辟了廣闊的空間。但是，熱塑性樹脂的熔融粘度一般都超過100帕斯卡秒(Pa · s)，通常為500 5000Pa.s,因此在加工過程中不利于碳纖維的分布和樹脂基體的浸漬。采用傳統(tǒng)的復(fù)合材 料加工方法來加工熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料很難滿足碳纖維與樹脂基體的均勻分布 和樹脂基體對碳纖維完全浸漬的要求。例如，中國發(fā)明專利申請公開說明書CN1580101就 公開了一種熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料片材的制備方法，該方法是將熱塑性樹脂涂覆在 碳纖維上，然后通過浸漬、輥壓定性，經(jīng)自然冷卻后牽引、收卷而得到熱塑性樹脂基碳纖維 復(fù)合材料。利用該方法提高了制品的抗沖擊強度，韌性和延伸率，但是仍然存在碳纖維與熱 塑性樹脂的分布不均勻，以及熱塑性樹脂對碳纖維的浸漬不完全的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)不足的現(xiàn)狀，提供一種熱塑性樹脂基 碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材 料，由碳纖維和熱塑性樹脂組成，以體積百分比計，碳纖維的含量是50% 70%，熱塑性樹 脂的含量是30% 50%。本發(fā)明一種熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法包括如下步驟步驟1 將上下疊放的層狀碳纖維織物和熱塑性樹脂薄膜依次通過紅外燈和加熱 輥加熱，使所述的熱塑性樹脂薄膜熔融并浸潤所述的碳纖維織物；所述的紅外燈和加熱輥 的加熱溫度介于所述的熱塑性樹脂的熔融溫度和分解溫度之間；步驟2 將步驟1中得到的產(chǎn)物通過壓輥，使所述的碳纖維和熱塑性樹脂完全浸潤 并被壓成單層結(jié)構(gòu)；步驟3 將步驟2中得到的碳纖維和熱塑性樹脂的單層結(jié)構(gòu)通過冷卻輥冷卻至室溫，然后通過收卷輥收卷，得到單層的熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料。為優(yōu)化上述技術(shù)方案，采取的措施還包括上述熱塑性樹脂是聚丙烯樹脂、聚酰胺樹脂、聚氯乙烯樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚碳酸酯樹脂、聚苯醚樹脂或者聚砜樹脂。上述步驟3中得到的至少兩層單層的熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料疊合放置在 平板硫化機上加熱加壓，在0. 1 IMPa的壓力下加熱5 30分鐘，得到層合狀的熱塑性樹 脂基碳纖維復(fù)合材料；加熱溫度介于所述的熱塑性樹脂的熔融溫度和分解溫度之間。上述層合狀的熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料在預(yù)熱溫度下預(yù)熱，使熱塑性樹脂熔 融，然后快速放入室溫模具內(nèi)加壓成型，最后經(jīng)過冷卻、脫模、修邊；該預(yù)熱溫度介于所述的 熱塑性樹脂的熔融溫度和分解溫度之間。上述碳纖維織物是平紋織物、斜紋織物、緞紋織物、單向織物或者多層多軸向織 物；該多層多軸向織物是多軸向縫編織物、經(jīng)編織物、直接定向結(jié)構(gòu)織物或者無卷曲織物。上述碳纖維織物的單絲束碳纖維含量規(guī)格是單絲束中含碳纖維3根、6根或者12 根；上述碳纖維織物的幅寬小于600毫米。上述紅外燈和加熱輥的加熱溫度可以調(diào)控，且不大于350°C ；壓輥的壓力范圍為 0 20MPa。上述加熱輥、壓輥、冷卻輥和收卷輥的卷速范圍為1 10米/分鐘。上述加熱輥、冷卻輥和收卷輥的輥數(shù)分別大于等于1 ；壓輥由至少一對輥組成；力口 熱輥、壓輥、冷卻輥和收卷輥中每個輥的直徑在200 400毫米之間。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)簡單，具有較 好的界面結(jié)合性能和耐沖擊性能，并且可回收再利用；本發(fā)明一種熱塑性樹脂基碳纖維復(fù) 合材料的制備方法可以實現(xiàn)碳纖維與熱塑性樹脂分布均勻，并且該熱塑性樹脂完全浸漬該 碳纖維，從而克服了現(xiàn)有方法中的不足，另外，該方法簡單易實現(xiàn)、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)周期 短，從而提高了生產(chǎn)效率。


圖1是實施例1中單層的聚丙烯基碳纖維復(fù)合材料的制備方法示意圖；圖2是實施例1中層合狀的聚丙烯基碳纖維復(fù)合材料的制備方法示意圖；圖3a是圖2得到的層合狀的聚丙烯基碳纖維復(fù)合材料經(jīng)過預(yù)熱后送至模具內(nèi)；圖3b是圖3a得到的層合狀聚丙烯基碳纖維復(fù)合材料在模具內(nèi)合模成型；圖3c是圖3b得到的成型件冷卻后得到聚丙烯基碳纖維復(fù)合材料的異型件。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。圖1至圖3c所示為實施例1的制備方法示意圖。其中的附圖標(biāo)記為層狀碳纖維織物1、上層聚丙烯樹脂薄膜21、下層聚丙烯樹脂 薄膜22、紅外燈3、第一加熱輥41、第二加熱輥42、第三加熱輥43、第一組壓輥51、第二組壓 輥52、第一冷卻輥61、第二冷卻輥62、第三冷卻輥63、第一導(dǎo)輥71、第一導(dǎo)輥72、收卷輥8、 單層的聚丙烯基碳纖維復(fù)合材料片9、上層加熱板10、下層加熱板11、層合狀的聚丙烯基碳 纖維復(fù)合材料片12。
本發(fā)明一種熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料是由碳纖維和熱塑性樹脂組成，以體積百分比計，碳纖維的含量是50% 70%，熱塑性樹脂的含量是30% 50%，其中的一種組 成方式是碳纖維的含量是60%，熱塑性樹脂的含量是40%。熱塑性樹脂是聚丙烯樹脂、聚 酰胺樹脂、聚氯乙烯樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚碳酸酯樹脂、聚苯醚樹脂或者聚砜樹脂。上述熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法是根據(jù)熱塑性樹脂的流變性能，利 用熱輥熱壓連續(xù)化設(shè)備，通過調(diào)整加工溫度、加工壓力和加工時間等工藝條件，得到單層的 熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料，該單層的熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料中碳纖維與熱塑性 樹脂均勻分布，并且該熱塑性樹脂完全浸漬該碳纖維。利用該單層的熱塑性樹脂基碳纖維 復(fù)合材料進而制備得到層合狀的熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料以及該熱塑性樹脂基碳纖 維復(fù)合材料的異型件。具體的制備過程包括制備單層的熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料、制備層合狀的熱 塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料以及制備熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料的異型件的過程。實施例1 原材料碳纖維斜紋織物與聚丙烯樹脂薄膜碳纖維斜紋織物的幅寬是500毫米，單絲束碳纖維含量規(guī)格是單絲束中含碳纖維 3根，厚度是0. 24毫米，單位面積質(zhì)量是209克/米2 ；聚丙烯樹脂薄膜的密度是0. 92克/ 厘米3，厚度是0. 2毫米，幅寬是500毫米。制備過程如圖1所示，本實施例中制備單層的聚丙烯基碳纖維復(fù)合材料的步驟 如下將一卷碳纖維斜紋織物1放在架子上，與該碳纖維上下垂直的位置處分別放置一卷 上層聚丙烯樹脂薄膜21與一卷下層聚丙烯樹脂薄膜22，碳纖維斜紋織物1與上層聚丙烯樹 脂薄膜21與下層聚丙烯樹脂薄膜22經(jīng)第一導(dǎo)輥71輸運后形成上層聚丙烯樹脂薄膜21、 碳纖維斜紋織物1和下層聚丙烯樹脂薄膜22的三層上下疊合的位置關(guān)系；該碳纖維斜紋織 物1、上層聚丙烯樹脂薄膜21和下層聚丙烯樹脂薄膜22在輸運過程中首先經(jīng)過紅外燈3加 熱，然后依次經(jīng)過第一加熱輥41、第二加熱輥42和第三加熱輥43加熱，使上層聚丙烯樹脂 薄膜21和下層聚丙烯樹脂薄膜22熔融，并浸潤碳纖維斜紋織物1，本實施例中紅外燈3、第 一加熱輥41、第二加熱輥42和第三加熱輥43的加熱溫度都是220°C ；然后，將碳纖維斜紋 織物1、上層聚丙烯樹脂薄膜21和下層聚丙烯樹脂薄膜22經(jīng)過第一組壓輥51和第二組壓 輥52使碳纖維斜紋織物1、上層聚丙烯樹脂薄膜21和下層聚丙烯樹脂薄膜22完全浸潤并 形成單層結(jié)構(gòu)；接著將該碳纖維斜紋織物1、上層聚丙烯樹脂薄膜21和下層聚丙烯樹脂薄 膜22構(gòu)成的單層結(jié)構(gòu)依次通過第一冷卻輥61、第二冷卻輥62和第三冷卻輥63進行冷卻， 冷卻至室溫后通過第二導(dǎo)輥72輸運至收卷輥8，經(jīng)收卷輥8收卷后即得到單層的聚丙烯基 碳纖維復(fù)合材料，其碳纖維的體積百分比含量為59. 3%，聚丙烯樹脂的體積百分比含量為 40. 7%。如圖2所示，本實施例中制備層合狀的聚丙烯基碳纖維復(fù)合材料的步驟如下將 上述制備得到的單層的聚丙烯基碳纖維復(fù)合材料裁成尺寸為500X500毫米2的單層聚丙 烯基碳纖維復(fù)合材料片9，上下疊放12層，然后放入平板硫化機上加熱加壓，其中，上層加 熱板10和下層加熱板11的加熱溫度均設(shè)為220°C、施加壓力設(shè)為0. 5MPa，熱壓15分鐘后， 接著經(jīng)循環(huán)冷卻降溫至室溫，即得到層合狀的聚丙烯基碳纖維復(fù)合材料12。如圖3所示，本實施例中制備熱聚丙烯基碳纖維復(fù)合材料的異型件的步驟如下 (a)將上述制備得到的層合狀的聚丙烯基碳纖維復(fù)合材料12在220°C的預(yù)熱溫度下預(yù)熱10分鐘，然后快速放入室溫模具內(nèi)；(b)在室溫模具內(nèi)將該層合狀的聚丙烯基碳纖維復(fù)合材 料12加壓成型；(c)經(jīng)過冷卻、脫模、修邊后即得到該聚丙烯基碳纖維復(fù)合材料的異型件。實施例2 原材料碳纖維斜紋織物和聚碳酸酯樹脂薄膜；碳纖維斜紋織物的幅寬 是500毫米，單絲束碳纖維含量規(guī)格是單絲束中含碳纖維6根，厚度是0. 38毫米，單位面積 質(zhì)量是406克/m2 ；聚碳酸酯樹脂薄膜的密度是1. 19克/厘米3，厚度是0. 4毫米，幅寬是 500毫米。制備過程本實施例中制備單層的聚碳酸酯基碳纖維復(fù)合材料的步驟類似上述實 施例1中制備單層的聚丙烯基碳纖維復(fù)合材料的步驟，所不同的是紅外燈3和第一加熱輥 41、第二加熱輥42和第三加熱輥43的加熱溫度都是260°C。本實施例中制備層合狀的聚碳酸酯基碳纖維復(fù)合材料的步驟類似上述實施例1 中制備層合狀的聚丙烯基碳纖維復(fù)合材料的步驟，具體如下將上述制備得到的單層的聚 碳酸酯基碳纖維復(fù)合材料裁成尺寸為400X400毫米2的單層聚碳酸酯基碳纖維復(fù)合材料 片，上下疊至20層，然后放入平板硫化機上加熱加壓，其中，上層加熱板10和下層加熱板11 的加熱溫度均設(shè)為260°C、施加壓力設(shè)為0. 4MPa，熱壓15分鐘后，接著經(jīng)循環(huán)冷卻降溫至室 溫，即得到層合狀的聚碳酸酯基碳纖維復(fù)合材料，其碳纖維的體積百分比含量為63. 8%，聚 碳酸酯基的體積百分比含量為36. 2%。本實施例中制備聚碳酸酯基碳纖維復(fù)合材料的異型件的步驟類似于上述實施例1中制備熱聚丙烯基碳纖維復(fù)合材料的異型件的步驟，具體如下(a)將上述制備得到的層 合狀的聚碳酸酯基碳纖維復(fù)合材料在260°C的預(yù)熱溫度下預(yù)熱15分鐘，然后快速放入室溫 模具內(nèi)；(b)在室溫模具內(nèi)將該層合狀的聚碳酸酯基碳纖維復(fù)合材料加壓成型；(c)經(jīng)過冷 卻、脫模、修邊后即得到該聚碳酸酯基碳纖維復(fù)合材料的異型件。實施例3 其他條件同實施例1，所不同的是將實施例1中的碳纖維斜紋織物1與 一卷聚丙烯樹脂薄膜疊合，即將一匹碳纖維斜紋織物1放在架子上，與該碳纖維上部垂直 的位置處放置一卷上層聚丙烯樹脂薄膜21，碳纖維斜紋織物1與上層聚丙烯樹脂薄膜21經(jīng) 第一導(dǎo)輥71輸運后形成上層聚丙烯樹脂薄21與碳纖維斜紋織物1上下疊合的位置關(guān)系。實施例4 其他條件同實施例1，所不同的是將實施例1中的碳纖維斜紋織物1與 一卷聚丙烯樹脂薄膜疊合，即將一匹碳纖維斜紋織物1放在架子上，與該碳纖維下部垂直 的位置處放置一卷下層聚丙烯樹脂薄膜22，碳纖維斜紋織物1與下層聚丙烯樹脂薄膜22經(jīng) 第一導(dǎo)輥71輸運后形成碳纖維斜紋織物1與下層聚丙烯樹脂薄21上下疊合的位置關(guān)系。
本發(fā)明的最佳實施例已闡明，由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員做出的各種變化或改型都不 會脫離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
一種熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料，由碳纖維和熱塑性樹脂組成，其特征是以體積百分比計，碳纖維的含量是50％～70％，熱塑性樹脂的含量是30％～50％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料，其特征是所述的熱塑 性樹脂是聚丙烯樹脂、聚酰胺樹脂、聚氯乙烯樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚碳酸酯樹脂、聚苯醚樹 脂或者聚砜樹脂。
3.—種如權(quán)利要求1所述的熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征是包 括如下步驟步驟1 將上下疊放的層狀碳纖維織物和熱塑性樹脂薄膜依次通過紅外燈和加熱輥加 熱，使所述的熱塑性樹脂薄膜熔融并浸潤所述的碳纖維織物；所述的紅外燈和加熱輥的加 熱溫度介于所述的熱塑性樹脂的熔融溫度和分解溫度之間；步驟2 將步驟1中得到的產(chǎn)物通過壓輥，使所述的碳纖維和熱塑性樹脂完全浸潤并被 壓成單層結(jié)構(gòu)；步驟3 將步驟2中得到的碳纖維和熱塑性樹脂的單層結(jié)構(gòu)通過冷卻輥冷卻至室溫，然 后通過收卷輥收卷，得到單層的熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征是 將所述的步驟3中得到的至少兩層單層的熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料疊合放置在平板 硫化機上加熱加壓，在0. 1 IMPa的壓力下加熱5 30分鐘，得到層合狀的熱塑性樹脂基 碳纖維復(fù)合材料；所述的加熱溫度介于所述的熱塑性樹脂的熔融溫度和分解溫度之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征是 將所述的層合狀的熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料在預(yù)熱溫度下預(yù)熱，使熱塑性樹脂熔融， 然后快速放入室溫模具內(nèi)加壓成型，最后經(jīng)過冷卻、脫模、修邊；所述的預(yù)熱溫度介于所述 的熱塑性樹脂的熔融溫度和分解溫度之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征是 所述的碳纖維織物是平紋織物、斜紋織物、緞紋織物、單向織物或者多層多軸向織物；所述 的多層多軸向織物是多軸向縫編織物、經(jīng)編織物、直接定向結(jié)構(gòu)織物或者無卷曲織物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征是 所述的碳纖維織物的單絲束碳纖維含量規(guī)格是單絲束中含碳纖維3根、6根或者12根；所 述的碳纖維織物的幅寬小于600毫米。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征是 所述的紅外燈和加熱輥的加熱溫度可以調(diào)控，且不大于350°C ；所述的壓輥的壓力范圍為 0 20MPao
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征是 所述的加熱輥、壓輥、冷卻輥和收卷輥的卷速范圍為1 10米/分鐘。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征是 所述的加熱輥、冷卻輥和收卷輥的輥數(shù)分別大于等于1 ；所述的壓輥由至少一對輥組成；所 述的加熱輥、壓輥、冷卻輥和收卷輥中每個輥的直徑在200 400毫米之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明一種熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料由碳纖維和熱塑性樹脂組成，以體積百分比計，碳纖維的含量是50％～70％，熱塑性樹脂的含量是30％～50％。本發(fā)明的制備方法是根據(jù)熱塑性樹脂的流變性能，利用熱輥熱壓連續(xù)化設(shè)備，通過調(diào)整加工溫度、加工壓力和加工時間等工藝條件得到界面結(jié)合性能較好的熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明熱塑性樹脂基碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)簡單，具有較好的界面結(jié)合性能和耐沖擊性能，并且可回收再利用；本發(fā)明的制備方法可以實現(xiàn)碳纖維與熱塑性樹脂分布均勻，并且該熱塑性樹脂完全浸漬該碳纖維，從而克服了現(xiàn)有方法中的不足。
文檔編號B29C70/50GK101845232SQ20101016257
公開日2010年9月29日 申請日期2010年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月29日
發(fā)明者丁江平, 盧桂陽, 朱春燕, 羅勇波, 胡東梅, 范欣愉 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所