浸漬性能優(yōu)異的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開浸漬性優(yōu)秀的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料及其制備方法。根據(jù)本發(fā)明的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料，其特征在于，包含浸漬于熱塑性樹脂的連續(xù)碳纖維；上述連續(xù)碳纖維為初始纖維束的寬度擴大成4倍至8倍的連續(xù)碳纖維。
【專利說明】浸漬性能優(yōu)異的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料，更為詳細地，涉及浸潰性能優(yōu)異的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]將碳纖維分散于基體樹脂(Matrix Resin)中的碳纖維增強復(fù)合材料，由于輕量性、力學特性、尺寸穩(wěn)定性、導(dǎo)電性等優(yōu)秀，因而應(yīng)用于汽車、航空器、電氣/電子儀器、光學儀器、精密儀器、娛樂/玩具、家庭/辦公用品、建筑材料等廣泛的領(lǐng)域，其需求也在逐年增加。
[0003]作為利用該碳纖維增強復(fù)合材料得到成型基材的方法之一，可以舉出將碳纖維浸潰(impregnat1n)于包含基體樹脂等的浸潰槽的方法。
[0004]為了在工業(yè)上使高質(zhì)量碳纖維增強復(fù)合材料穩(wěn)定成型，需要在將碳纖維浸潰于基體樹脂的浸潰工序中，使包含數(shù)千個纖絲(filament)的碳纖維束和基體樹脂的浸潰容易且完全進行。
[0005]但是，由于碳纖維具有伸張度小、脆弱的性質(zhì)，因而容易因機械性摩擦等而產(chǎn)生毛刺，并且，針對基體樹脂的濕潤性差。因此，用作增強材料的碳纖維難以發(fā)揮如上所述的優(yōu)秀的性質(zhì)。為了對此進行改善，一直以來實施對用于纖維增強復(fù)合材料的增強材料的碳纖維實施基于集束劑的處理。即，通過對碳纖維實施基于集束劑的處理，在提高碳纖維的處理性的同時，提高針對基體樹脂的濕潤性。
[0006]作為這種集束劑的例，提出了環(huán)氧樹脂、不飽和二元酸與雙酚類的環(huán)氧烷烴附加物的縮合物；將從一元酚類以及多元酚類中選擇的苯酚類的環(huán)氧烷烴附加物作為必要成分的集束劑。并且，提出了由環(huán)氧樹脂、一元酚類或多元酚類的環(huán)氧烷烴附加物以及不飽和二元酸或其酯成型性衍生物與雙酚類的環(huán)氧烷烴附加物的酸價為40以下的聚酯縮合物形成的集束劑。
[0007]—般，在基體樹脂中分散有碳纖維的碳纖維增強復(fù)合材料中，碳纖維越以短纖維狀分散，越有利于特性的均勻性以及表面外觀檔次。但是，在對碳纖維進行集束處理時，存在隨著在浸潰工序中碳纖維束的展開特性下降，碳纖維增強復(fù)合材料的機械性物理性質(zhì)下降的問題。
[0008]另一方面，在利用連續(xù)碳纖維制備纖維增強熱塑性塑料時，一般利用具有3000個纖維束的連續(xù)纖維。具有3000個纖維束的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料由于高原材料費用和低生產(chǎn)率，而存在制備成本高的問題。
[0009]作為相關(guān)現(xiàn)有文獻有日本公開專利JP2009-263406號(2009年11月12日公開)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0011]本發(fā)明的一目的在于，提供基于優(yōu)秀的浸潰性能夠提高機械性物理性質(zhì)的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料。
[0012]并且，本發(fā)明的另一目的在于，提供能夠降低制備單價并提高浸潰性來提高機械性物理性質(zhì)的連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料的制備方法。
_3] 技術(shù)方案
[0014]用于達成上述一目的的根據(jù)本發(fā)明的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料，其特征在于，包含浸潰于熱塑性樹脂的連續(xù)碳纖維；上述連續(xù)碳纖維為初始纖維束的寬度擴大成4倍至8倍的連續(xù)碳纖維。
[0015]用于達成上述另一目的的根據(jù)本發(fā)明的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:準備借助包含水溶性樹脂(Waterborne Resin)的集束劑(Sizing Agent)使碳纖維的纖絲(filament)集束(Sizing)而成的連續(xù)碳纖維的步驟；使用國際(SI)單位(MPa1/2)為基準時與上述水溶性樹脂之間的溶解度參數(shù)(Solubility Parameter)的差為2.0以下的溶劑(Solvent)來去除上述集束劑的步驟；以及將去除上述集束劑后的連續(xù)碳纖維束浸潰于熱塑性塑料的步驟。
[0016]有益.效果
[0017]根據(jù)本發(fā)明的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料，由于針對熱塑性塑料的連續(xù)碳纖維的浸潰性高，因而彎曲強度以及彎曲剛性等機械性物理性質(zhì)優(yōu)秀。
[0018]并且，根據(jù)本發(fā)明的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料的制備方法，由于使用以國際(SI)單位(MPa1/ 2)為基準時與包含于集束劑中的水溶性樹脂的溶解度參數(shù)的差為
2.0以下的溶劑來去除集束劑，因而與各制造商的集束處理無關(guān)地能夠提高連續(xù)碳纖維的浸潰性，來制備出機械性物理性質(zhì)優(yōu)秀的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料。
[0019]進而，由于能夠提高連續(xù)碳纖維的浸潰性，而能夠利用通用的連續(xù)碳纖維，因而能夠降低制備單價，并且生產(chǎn)率優(yōu)秀。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是用于說明根據(jù)本發(fā)明的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料的制備方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0021]根據(jù)本發(fā)明的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料，其特征在于，包含浸潰于熱塑性樹脂的連續(xù)碳纖維(carbon fiber或graphite fiber);連續(xù)碳纖維為初始纖維束的寬度擴大成4倍至8倍的連續(xù)碳纖維。
[0022]作為一例，連續(xù)碳纖維可以是5mm的初始纖維束的寬度擴大成20mm至40mm的碳纖維。
[0023]這時，所使用的連續(xù)碳纖維可以是具有12000個或24000個纖維束的碳纖維。
[0024]利用連續(xù)碳纖維制備纖維增強熱塑性塑料時，一般利用具有3000個纖維束的連續(xù)纖維，但是，這因高原材料費用和低生產(chǎn)率而具有高制備成本。因此，在本發(fā)明中，使用通用的具有12000個或24000個纖維束的連續(xù)碳纖維，由此可期待降低制備單價、提高生產(chǎn)率的效果。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料，其特征在于，借助高浸潰性，具有460MPa以上的彎曲強度，優(yōu)選地，具有460MPa至680MPa的彎曲強度，并具有38GPa以上的彎曲剛性，優(yōu)選地，具有38GPa至44GPa的彎曲剛性。這緣于提高了連續(xù)碳纖維束的展開特性(開纖性)。
[0026]以下，參照附圖，對根據(jù)本發(fā)明的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料的制備方法進行說明。
[0027]圖1是用于說明根據(jù)本發(fā)明的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料的制備方法的流程圖。
[0028]參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料的制備方法包括準備連續(xù)碳纖維的步驟S10、去除集束劑的步驟S20以及浸潰連續(xù)碳纖維束的步驟S30。
[0029]參照圖1，在準備連續(xù)碳纖維的步驟SlO中，準備借助包含水溶性樹脂的集束劑使各個碳纖維的纖絲集束而成的成捆(bundle)的連續(xù)碳纖維(步驟S10)。
[0030]在這里，集束而得的連續(xù)碳纖維意味著由于連續(xù)碳纖維的纖絲集束而使得連續(xù)碳纖維的處理性提升的連續(xù)碳纖維。在本發(fā)明中，連續(xù)碳纖維的集束性意味著用于維持連續(xù)碳纖維的形態(tài)的性質(zhì)。
[0031]本說明書中所使用的術(shù)語“集束劑”是指，為了連續(xù)碳纖維的纖絲的集束，而作為涂敷劑用于改變或增加連續(xù)碳纖維的特定的物理特性的物質(zhì)的統(tǒng)稱。
[0032]在上述準備連續(xù)碳纖維的步驟S10，可利用由使用普通方法獲得的連續(xù)碳纖維的纖絲集束而成的連續(xù)碳纖維。
[0033]這時，作為水溶性樹脂，例如可使用，聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)、聚乙烯(polyethylene)、聚丙烯(polypropylene)、聚苯乙烯(polystyrene)、聚苯醚(polyphenylene oxide, ΡΡ0)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)、尼龍 6.6 (Nylon6.6)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate, PMMA)等,這些可單獨利用或者混合兩種以上來利用。但是，水溶性樹脂并不特別限定于此。
[0034]上述水溶性樹脂的溶解度參數(shù)如下表1所示。溶解度(δ )的單位用作為國際(SI)單位的MPa1/2來標記。
[0035]在這里，為了使利用碳纖維增強復(fù)合材料的成型基材的制備容易，優(yōu)選地，使用初始纖維束的寬度為5_的連續(xù)碳纖維。而且，考慮經(jīng)濟性方面和生產(chǎn)率方面，可使用與具有3000個纖維束的連續(xù)碳纖維相比制備成本相對低廉的通用的具有12000個或者4000個纖維束的連續(xù)碳纖維。
[0036]另一方面，雖然在準備連續(xù)碳纖維的步驟SlO中記載成了利用通過普通方法獲得的集束而成的連續(xù)碳纖維，但是并不限定于此。與此不同，在準備連續(xù)碳纖維的步驟SlO中，可以使用包含水溶性樹脂的集束劑來對連續(xù)碳纖維進行集束處理。
[0037]之后，使用以國際(SI)單位(MPa1/2)為基準時與包含于集束劑中的水溶性樹脂的溶解度參數(shù)的差為2.0以下的溶劑，來從連續(xù)碳纖維去除集束劑(步驟S20)。
[0038]一般，根據(jù)制造商的集束處理來決定浸潰工序中的連續(xù)碳纖維束的開纖性，而在本發(fā)明中，與根據(jù)制造商的額外的集束處理無關(guān)，為了提高連續(xù)碳纖維針對基體樹脂的浸潰性而去除集束劑。
[0039]優(yōu)選地，作為本發(fā)明所使用的溶劑，選擇能夠溶解主要用于連續(xù)碳纖維的集束處理的水溶性樹脂又同時不對連續(xù)碳纖維造成侵蝕等化學影響的溶劑。并且，優(yōu)選地，選擇不阻礙連續(xù)碳纖維的化學特性的溶劑。
[0040]為此，優(yōu)選地，以國際(SI)單位(MPa1/2)為基準時，溶劑與包含于集束劑中的水溶性樹脂的溶解度參數(shù)的差為2.0以下。
[0041]例如，作為溶劑，可使用正戊焼(n-Pentane)、正己焼(n-hexane)、乙醚(Diethyl Ether)、乙酸乙酯(Ethyl Acetate)、三氯甲焼(Chloroform)、二氯甲焼(Dichloromethane)、2_丙醇(2-propanol)、乙醇(Ethanol)等，可單獨使用或者混合兩種以上來使用。
[0042]上述溶劑的溶解度參數(shù)如下表1所示。溶解度(δ )的單位用國際(SI)單位MPa1/2標記。
[0043]表1
[0044]

【權(quán)利要求】
1.一種連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料，其特征在于， 包含浸潰于熱塑性樹脂的連續(xù)碳纖維； 所述連續(xù)碳纖維為初始纖維束的寬度擴大成4倍至8倍的連續(xù)碳纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料，其特征在于，所述連續(xù)碳纖維擴大成20mm至40mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料，其特征在于，所述連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合 材料具有460MPa以上的彎曲強度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料，其特征在于，所述連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料具有38GPa以上的彎曲剛性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料，其特征在于，所述連續(xù)碳纖維具有12000個或24000個纖維束。
6.一種連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 準備由包含水溶性樹脂的集束劑引起碳纖維的纖絲集束而形成的連續(xù)碳纖維的步驟； 使用以國際(SI)單位(MPa1/2)為基準時，與所述水溶性樹脂之間的溶解度參數(shù)(Solubility Parameter)的差為2.0以下的溶劑,去除所述集束劑的步驟；以及將去除所述集束劑后的連續(xù)碳纖維束浸潰于熱塑性塑料的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述溶劑使用選自正戍燒(n-Pentane)、正己燒(n-hexane)、乙醚(Diethyl Ether)、乙酸乙酯(Ethyl Acetate)、三氯甲燒(Chloroform)、二氯甲燒(Dichloromethane)、2_ 丙醇(2-propanol)以及乙醇(Ethanol)的一種以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，相對于100重量份的所述連續(xù)碳纖維，使用200重量份至300重量份的所述溶劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，使用分配器(dispensor)或吸管(pipette)向集束而成的所述連續(xù)碳纖維供給規(guī)定量的所述溶劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述連續(xù)碳纖維使用具有12000個或24000個纖維束的連續(xù)碳纖維。
【文檔編號】B29B15/14GK104080841SQ201280066593
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月11日
【發(fā)明者】鄭基燻, 尹鏞熏, 金熙俊, 李泰和, 吳愛麗, 崔宰熏 申請人:樂金華奧斯有限公司