表面改性再生碳纤维毡增强尼龙复合材料及其制备方法

摘要

本发明涉及表面改性再生碳纤维毡增强尼龙复合材料及其制备方法，其方法包括：将尼龙树脂颗粒通过热压机压制成尼龙薄膜；对使用的再生碳纤维毡通过溶解了尼龙的甲酸溶液进行表面改性；将表面改性的再生碳纤维毡与尼龙薄膜进行交替层铺，层铺完成后放入到模具中；将模具放入热压机中进行热压成型。与现有技术相比，本发明通过对再生碳纤维毡进行表面改性，并将其作为增强体来增强尼龙材料，以较低的成本实现了对尼龙的高性能改性，不仅降低了复合材料的密度，而且提高了复合材料的性能；同时该复合材料还使再生碳纤维得以重新利用，增加了再生碳纤维的附加值，符合环保及其绿色经济的要求。

权利要求

1.一种表面改性再生碳纤维毡增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将尼龙树脂颗粒通过热压机压制成尼龙薄膜；

(2)对使用的再生碳纤维毡进行表面改性；

(3)将表面改性的再生碳纤维毡与尼龙薄膜进行交替层铺，层铺完成后放入到模具中，将模具放入热压机中进行压板；

步骤(2)所述的表面改性的具体方法是将尼龙树脂溶解在甲酸中，然后将再生碳纤维毡放入到溶解了尼龙的甲酸溶液中，静置24h，烘干即可；所述的溶解了尼龙的甲酸溶液浓度为(0.001～0.005)g/mL，所述的再生碳纤维毡与尼龙树脂的质量比为5:1～25:1。

2.根据权利要求1所述的表面改性再生碳纤维毡增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的尼龙树脂颗粒采用的尼龙包括尼龙6、尼龙66、尼龙12、尼龙1010中的一种。

3.根据权利要求1所述的表面改性再生碳纤维毡增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的热压机的压制温度为260℃～280℃，压力为200kN～300kN。

4.根据权利要求1所述的表面改性再生碳纤维毡增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的尼龙薄膜的厚度为0.2mm～0.5mm。

5.根据权利要求1所述的表面改性再生碳纤维毡增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的再生碳纤维毡由回收碳纤维制得，再生碳纤维毡中的纤维长度为

10mm～30mm，面密度为50～60g/m2。

6.根据权利要求1所述的表面改性再生碳纤维毡增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的表面改性的再生碳纤维毡与尼龙薄膜进行交替层铺的方式为两层尼龙薄膜之间设置1～6层表面改性的再生碳纤维毡，其中表面改性的再生碳纤维毡的质量含量为5～30％。

7.根据权利要求6所述的表面改性再生碳纤维毡增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，所述的表面改性的再生碳纤维毡记为CFM，所述的尼龙薄膜记为PA，将6层尼龙薄膜和5～30层表面改性的再生碳纤维毡按PA+mCFM+PA+mCFM+PA+mCFM+PA+mCFM+PA+mCFM+PA，其中m＝1～6的方式叠放。

8.根据权利要求1所述的表面改性再生碳纤维毡增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的热压机的压制温度为260℃～280℃，压力为200kN～300kN。

9.一种表面改性再生碳纤维毡增强尼龙复材，其特征在于：由权利要求1所述的表面改性再生碳纤维毡增强尼龙复合材料的制备方法制备。

说明书

表面改性再生碳纤维毡增强尼龙复合材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及复合材料领域，尤其是复材加工领域的一种表面改性再生碳纤维毡增强尼龙复材及其制备方法。

背景技术

[0002] 碳纤维复合材料(CFRP)具有质轻、高强度、高模量等优异的性能，被广泛的应用于航空航天、汽车工业、轨道交通、新能源等高新技术产业领域。随着经济的高速发展，CFRP在各个领域的使用量迅猛增加，产生的废弃物也与日俱增，而废弃物不可降解，若直接丢弃到环境中的话，一方面给环境带来严重的污染；另一方面，这些废弃物中含有60％左右的高附加值碳纤维，而碳纤维的生产是一个高耗能的过程，若不加以回收利用会造成资源的严重浪费。

[0003] 尼龙作为一种工程塑料，其具有很好的弹性，力学性能较好，耐磨，耐油性和加工性能良好，因此被广泛的应用在汽车，家电，机械等领域。但是尼龙在使用过程中易脆化，抗冲击性较差，耐热性和强度也稍低，为了改善尼龙的这些性能，目前常用的方法是采用玻璃纤维来增强尼龙，提高尼龙材料的性能。而玻璃纤维密度较大，增强改性尼龙后得到复合材料密度也随之大幅增加，这会导致产品的市场竞争力下降。同时，受玻璃纤维本身性能限制，采用玻璃纤维改性的改性尼龙的强度提高有限，在一些性能要求较高的应用领域将受到限制。为了进一步提高改性尼龙复合材料的性能，并使改性材料密度低，使其满足对性能要求较高领域的应用，一种方法是采用碳纤维增强尼龙，如专利CN201210124432、CN101831172所述，制备得到的复合材料不仅强度高，性能优异，而且密度低，但是新碳纤维价格昂贵，这也导致用其改性的尼龙复合材料的成本较高，直接限制了其广泛应用。而专利CN103737997A中制备的碳纤维毡增强聚丙烯复材，并未对碳纤维毡进行改性，所以复合材料性能较低。

发明内容

[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种成本低、性能好的表面改性再生碳纤维毡增强尼龙复合材料及其制备方法。

[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种表面改性再生碳纤维毡增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

[0006] (1)将尼龙树脂颗粒通过热压机压制成尼龙薄膜；

[0007] (2)对使用的再生碳纤维毡进行表面改性；

[0008] (3)将表面改性的再生碳纤维毡与尼龙薄膜进行交替层铺，层铺完成后放入到模具中，将模具放入热压机中进行压板。

[0009] 步骤(1)所述的尼龙树脂颗粒采用的尼龙包括尼龙6、尼龙66、尼龙12、尼龙1010中的一种。

[0010] 步骤(1)所述的热压机的压制温度为260℃～280℃，压力为200kN～300kN。尼龙薄膜的具体制备方法如下：称取10份的尼龙粒料，置于两块平整的模具之间，将模具置于热压机中，在260℃～280℃的温度之下，经过预热8min后，加压排气5次，然后在250kN压力下热压8min，最后在冷却水作用下冷压4min。

[0011] 步骤(1)所述的尼龙薄膜的厚度为0.2mm～0.5mm，优选0.35mm。

[0012] 步骤(2)所述的表面改性的具体方法是将尼龙树脂溶解在甲酸中，然后将再生碳纤维毡放入到溶解了尼龙的甲酸溶液中，静置24h，烘干即可，烘干在90℃的烘箱干燥24h。所述的尼龙的甲酸溶液浓度为(0.001～0.005)g/mL，所述的再生碳纤维毡与尼龙树脂的质量比为5:1～25:1。

[0013] 再生碳纤维在回收过程中表面会有损伤，导致再生碳纤维毡和树脂基体的表面极性相差较大，两者的相容性较差。而在回收的过程中，碳纤维原来的表面上浆剂被去除、并且由于气相氧化作用在回收碳纤维表面形成了一些含氧的活性官能团，通过溶解了尼龙的甲酸溶液处理再生碳纤维毡，能够和这些含氧官能团发生化学作用，提高碳纤维和树脂基体的相容性。

[0014] 步骤(2)所述的再生碳纤维毡由回收碳纤维制得，再生碳纤维毡中的纤维长度为10mm～30mm，面密度为50～60g/m2。

[0015] 步骤(3)所述的表面改性的再生碳纤维毡与尼龙薄膜进行交替层铺的方式为两层尼龙薄膜之间设置1～6层表面改性的再生碳纤维毡，其中表面改性的再生碳纤维毡的质量含量为5～30％。

[0016] 所述的表面改性的再生碳纤维毡记为CFM，所述的尼龙薄膜记为PA，将6层尼龙薄膜和5～30层改性的再生碳纤维按PA+mCFM+PA+mCFM+PA+mCFM+PA+mCFM+PA+mCFM+PA，其中m＝1～6的方式叠放。

[0017] 步骤(3)所述的热压机的压制温度为260℃～280℃，压力为200kN～300kN。热压机压制再生碳纤维毡增强尼龙复合材料的具体方法如下：将放置了尼龙薄膜和再生碳纤维毡的模具放入热压机中，在260℃～280℃的温度下，经过预热10min后，缓慢加压(预压)2min并排气5次，然后在250kN压力下热压10min，最后在冷却水作用下冷压6min。

[0018] 一种表面改性再生碳纤维毡增强尼龙复材，其特征在于：由上述表面改性再生碳纤维毡增强尼龙复材的制备方法制备。

[0019] 本发明针对再生碳纤维毡改性过程中容易被破坏的特点，采用溶液浸泡法对其改性，既保护的碳纤维毡不被破坏，又能对其进行增强，使得制备的复合材料的性能得到了进一步提高，获得更广泛的应用。

[0020] 与现有技术相比，本发明所提供的表面改性再生碳纤维增强尼龙复合材料密度低，力学性能优异，采用再生碳纤维毡作为增强改性组分，以较低的成本实现了对尼龙的高性能改性，同时又使废弃的碳纤维复合材料得以重新利用，减少其对环境的污染，增加了其附加值；得到的再生碳纤维增强尼龙复合材料可以广泛的应用于汽车、电子电气、家电、机械等产品零部件。

具体实施方式

[0021] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0022] 以下实施例中如没有特别说明，原料的用量为重量份。

[0023] 实施例1

[0024] (1)称取10份的尼龙6粒料，置于两块平整的模具之间，将模具置于热压机中，在280℃的温度之下，经过预热8min后，加压排气5次，然后在250kN压力下热压8min，最后在冷却水作用下冷压4min。尼龙6薄膜的厚度为0.35mm。

[0025] (2)将5份的尼龙6溶解在500ml甲酸中，然后将25份再生碳纤维毡放入到溶解了0.005g/mL尼龙6的甲酸溶液中，静置24h。取出之后放在烘箱中，在90℃的温度条件下干燥
24h。

[0026] (3)再生碳纤维毡由回收碳纤维制得，再生碳纤维毡中的纤维长度为10mm。

[0027] (4)将6层尼龙6薄膜和5层改性的再生碳纤维毡按PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA(m＝1)的方式叠放好，将叠好的尼龙6薄膜和再生碳纤维毡放入到模具中。

[0028] (5)将放置好尼龙薄膜和再生碳纤维毡的模具放入热压机中，在280℃的温度下，经过预热10min后，缓慢加压(预压)2min并排气5次，然后在250kN压力下热压10min，最后在冷却水作用下冷压6min。

[0029] 实施例2

[0030] (1)称取10份的尼龙6粒料，置于两块平整的模具之间，将模具置于热压机中，在280℃的温度之下，经过预热8min后，加压排气5次，然后在250kN压力下热压8min，最后在冷却水作用下冷压4min。尼龙6薄膜的厚度为0.35mm。

[0031] (2)将5份的尼龙6溶解在500ml甲酸中，然后将25份再生碳纤维毡放入到溶解了尼龙6的甲酸溶液中，静置24h。取出之后放在烘箱中，在90℃的温度条件下干燥24h。

[0032] (3)再生碳纤维毡由回收碳纤维制得，再生碳纤维毡中的纤维长度为10mm。

[0033] (4)将6层尼龙6薄膜和30层改性的再生碳纤维毡按PA+6CFM+PA+6CFM+PA+6CFM+PA+6CFM+PA+6CFM+PA(m＝6)的方式叠放好，将叠好的尼龙6薄膜和再生碳纤维毡放入到模具中。

[0034] (5)将放置好尼龙薄膜和再生碳纤维毡的模具放入热压机中，在280℃的温度下，经过预热10min后，缓慢加压(预压)2min并排气5次，然后在250kN压力下热压10min，最后在冷却水作用下冷压6min。

[0035] 实施例3

[0036] (1)称取10份的尼龙6粒料，置于两块平整的模具之间，将模具置于热压机中，在260℃的温度之下，经过预热8min后，加压排气5次，然后在250kN压力下热压8min，最后在冷却水作用下冷压4min。尼龙6薄膜的厚度为0.35mm。

[0037] (2)将5份的尼龙6溶解在500ml甲酸中，然后将25份再生碳纤维毡放入到溶解了0.005g/mL尼龙6的甲酸溶液中，静置24h。取出之后放在烘箱中，在90℃的温度条件下干燥
24h。

[0038] (3)再生碳纤维毡由回收碳纤维制得，再生碳纤维毡中的纤维长度为10mm。

[0039] (4)将6层尼龙6薄膜和30层改性的再生碳纤维毡按PA+6CFM+PA+6CFM+PA+6CFM+PA+6CFM+PA+6CFM+PA(m＝6)的方式叠放好，将叠好的尼龙6薄膜和再生碳纤维毡放入到模具中。

[0040] (5)将放置好尼龙薄膜和再生碳纤维毡的模具放入热压机中，在260℃的温度下，经过预热10min后，缓慢加压(预压)2min并排气5次，然后在250kN压力下热压10min，最后在冷却水作用下冷压6min。

[0041] 实施例4

[0042] (1)称取10份的尼龙6粒料，置于两块平整的模具之间，将模具置于热压机中，在280℃的温度之下，经过预热8min后，加压排气5次，然后在250kN压力下热压8min，最后在冷却水作用下冷压4min。尼龙6薄膜的厚度为0.35mm。

[0043] (2)将5份的尼龙6溶解在500ml甲酸中，然后将25份再生碳纤维毡放入到溶解了0.005g/mL尼龙6的甲酸溶液中，静置24h。取出之后放在烘箱中，在90℃的温度条件下干燥
24h。

[0044] (3)再生碳纤维毡由回收碳纤维制得，再生碳纤维毡中的纤维长度为20mm。

[0045] (4)将6层尼龙6薄膜和5层改性的再生碳纤维毡按PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA(m＝1)的方式叠放好，将叠好的尼龙6薄膜和再生碳纤维毡放入到模具中。

[0046] (5)将放置好尼龙薄膜和再生碳纤维毡的模具放入热压机中，在280℃的温度下，经过预热10min后，缓慢加压(预压)2min并排气5次，然后在250kN压力下热压10min，最后在冷却水作用下冷压6min。

[0047] 实施例5

[0048] (1)称取10份的尼龙6粒料，置于两块平整的模具之间，将模具置于热压机中，在280℃的温度之下，经过预热8min后，加压排气5次，然后在250kN压力下热压8min，最后在冷却水作用下冷压4min。尼龙66薄膜的厚度为0.35mm。

[0049] (2)将1份的尼龙6溶解在500ml甲酸中，然后将25份再生碳纤维毡放入到溶解了0.001g/mL尼龙6的甲酸溶液中，静置24h。取出之后放在烘箱中，在90℃的温度条件下干燥
24h。

[0050] (3)再生碳纤维毡由回收碳纤维制得，再生碳纤维毡中的纤维长度为10mm。

[0051] (4)将6层尼龙6薄膜和5层改性的再生碳纤维毡按PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA(m＝1)的方式叠放好，将叠好的尼龙6薄膜和再生碳纤维毡放入到模具中。

[0052] (5)将放置好尼龙薄膜和再生碳纤维毡的模具放入热压机中，在280℃的温度下，经过预热10min后，缓慢加压(预压)2min并排气5次，然后在250kN压力下热压10min，最后在冷却水作用下冷压6min。

[0053] 实施例6

[0054] (1)称取10份的尼龙66粒料，置于两块平整的模具之间，将模具置于热压机中，在280℃的温度之下，经过预热8min后，加压排气5次，然后在250kN压力下热压8min，最后在冷却水作用下冷压4min。尼龙66薄膜的厚度为0.35mm。

[0055] (2)将5份的尼龙66溶解在500ml甲酸中，然后将25份再生碳纤维毡放入到溶解了0.005g/mL尼龙66的甲酸溶液中，静置24h。取出之后放在烘箱中，在90℃的温度条件下干燥
24h。

[0056] (3)再生碳纤维毡由回收碳纤维制得，再生碳纤维毡中的纤维长度为10mm。

[0057] (4)将6层尼龙66薄膜和5层改性的再生碳纤维毡按PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA(m＝1)的方式叠放好，将叠好的尼龙66薄膜和再生碳纤维毡放入到模具中。

[0058] (5)将放置好尼龙薄膜和再生碳纤维毡的模具放入热压机中，在280℃的温度下，经过预热10min后，缓慢加压(预压)2min并排气5次，然后在250kN压力下热压10min，最后在冷却水作用下冷压6min。

[0059] 比较例

[0060] (1)称取10份的尼龙6粒料，置于两块平整的模具之间，将模具置于热压机中，在280℃的温度之下，经过预热8min后，加压排气5次，然后在250kN压力下热压8min，最后在冷却水作用下冷压4min。尼龙66薄膜的厚度为0.35mm。

[0061] (2)再生碳纤维毡由回收碳纤维制得，再生碳纤维毡中的纤维长度为10mm。

[0062] (3)将6层尼龙6薄膜和5层未改性的再生碳纤维毡按PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA+CFM+PA(m＝1)的方式叠放好，将叠好的尼龙6薄膜和再生碳纤维毡放入到模具中。

[0063] (4)将放置好尼龙薄膜和再生碳纤维毡的模具放入热压机中，在280℃的温度下，经过预热10min后，缓慢加压(预压)2min并排气5次，然后在250kN压力下热压10min，最后在冷却水作用下冷压6min。

[0064] 各实施例及比较例的力学性能测试结果如下表1所示：

[0065] 表1力学性能测试结果

[0066]

[0067] 从表1可知，随着再生碳纤维毡含量的增加，复合材料的弯曲性能得到提高，密度得到下降，而热压温度、纤维长度以及尼龙种类对复合材料的弯曲性能和密度影响不大。但是对于未改性的再生碳纤维毡增强尼龙复合材料，其弯曲性能会有下降，说明了改性的必要性。

[0068] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对实施例做出各种修改，并把此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。