碳纤维增强热塑性复合材料及其制备方法

1.本发明涉及碳纤维复合材料技术领域，具体是碳纤维增强热塑性复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.能源危机催生了运载行业对轻量化结构材料的强烈需求，碳纤维作为一种高性能纤维，具有比模量高、强度高、热学性能优异、化学稳定性好等特点，是优异的增强体材料，碳纤维增强热塑性复合材料相较于传统碳纤维增强热固性复合材料，具有高韧性、成型周期短、加工特性与金属接近等优势，且具有更好的回收适用性和大规模生产能力，是一种性能优越的轻量化结构材料，因此碳纤维增强热塑性复合材料作为未来最重要的轻量化结构材料受到运载行业的广泛重视。
3.但是现有的碳纤维热塑性复合材料硬度较差，用这些材料制备的外壳、发动机外罩等产品时，在发生磕碰后容易造成损坏，并且现有的碳纤维热塑性复合材料性能单一，因此，亟需一种碳纤维增强热塑性复合材料来解决上述技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供碳纤维增强热塑性复合材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.碳纤维增强热塑性复合材料，包括以下按重量份组成的原料：热塑性树脂75-100份、碳纤维60-80份、纳米二氧化硅10-15份、氦气120-135份、硅烷偶联剂3-7份、环氧上浆剂13-17份、过氧乙酸1-4份、石墨烯2-6份。
7.作为本发明进一步的方案：包括以下按重量份组成的原料：热塑性树脂85-100份、碳纤维60-75份、纳米二氧化硅12-15份、氦气120-130份、硅烷偶联剂4-7份、环氧上浆剂15-17份、过氧乙酸1-3份、石墨烯4-6份。
8.作为本发明进一步的方案：包括以下按重量份组成的原料：热塑性树脂90份、碳纤维70份、纳米二氧化硅14份、氦气125份、硅烷偶联剂6份、环氧上浆剂16份、过氧乙酸2份、石墨烯5份。
9.作为本发明进一步的方案：所述热塑性树脂为聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺中的一种。
10.碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，包括以下步骤：
11.s1：按重量份选取热塑性树脂、碳纤维，将热塑性树脂、碳纤维通过烘干机进行充分烘干，烘干时长为2-3小时；
12.s2：将s1中烘干的碳纤维置于氦气空间内进行等离子改性处理，从而对碳纤维表面进行刻蚀处理，从而增加碳纤维的抗拉强度；
13.s3：将s2中处理后的碳纤维加入纳米二氧化硅、硅烷偶联剂，硅烷偶联剂加强碳纤
维和纳米二氧化硅的结合性，从而增加碳纤维的抗冲击性；
14.s4：将s3中处理后的碳纤维加入石墨烯、过氧乙酸，增加碳纤维的化学活性及表面自由能，从而增加与热塑性树脂之间的浸润性，提高复合材料的界面黏结性能；
15.s5：将s1中烘干的热塑性树脂加入环氧上浆剂，并通过加热器进行加温，加温过程中进行充分搅拌混合，得到热塑性树脂混合物；
16.s6：将s5得到的热塑性树脂混合物与s4得到的碳纤维在搅拌机内高速混合，然后将混合得到的物料加入到挤出机内，挤出造粒，自然冷却后，得到碳纤维增强热塑性复合材料。
17.作为本发明进一步的方案：在s5中，加热器加热时长2-3小时，加热温度为300-350℃。
18.作为本发明再进一步的方案：所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.本发明碳纤维置于氦气空间内进行等离子改性处理，从而对碳纤维表面进行刻蚀处理，从而增加碳纤维的抗拉强度，并且碳纤维加入纳米二氧化硅、硅烷偶联剂，硅烷偶联剂加强碳纤维和纳米二氧化硅的结合性，从而增加碳纤维的抗冲击性，以及碳纤维加入石墨烯、过氧乙酸，增加碳纤维的化学活性及表面自由能，从而增加与热塑性树脂之间的浸润性，提高复合材料的界面黏结性能，大大增加碳纤维热塑性复合材料的硬度，实现了本发明碳纤维增强热塑性复合材料性能的多样性。
附图说明
21.图1为碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
22.以下将参考附图详细说明本技术的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
23.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
24.另外，为了更好的说明本技术，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本技术同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件未作详细描述，以便于凸显本技术的主旨。
25.实施例一
26.碳纤维增强热塑性复合材料，包括以下按重量份组成的原料：热塑性树脂75份、碳纤维60份、纳米二氧化硅10份、氦气120份、硅烷偶联剂3份、环氧上浆剂13份、过氧乙酸1份、石墨烯2份。
27.优选的，在本实施例中，所述热塑性树脂为聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺中的一种。
28.碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，包括以下步骤：
29.s1：按重量份选取热塑性树脂、碳纤维，将热塑性树脂、碳纤维通过烘干机进行充分烘干，烘干时长为2-3小时；
30.s2：将s1中烘干的碳纤维置于氦气空间内进行等离子改性处理，从而对碳纤维表面进行刻蚀处理，从而增加碳纤维的抗拉强度；
31.s3：将s2中处理后的碳纤维加入纳米二氧化硅、硅烷偶联剂，硅烷偶联剂加强碳纤维和纳米二氧化硅的结合性，从而增加碳纤维的抗冲击性；
32.s4：将s3中处理后的碳纤维加入石墨烯、过氧乙酸，增加碳纤维的化学活性及表面自由能，从而增加与热塑性树脂之间的浸润性，提高复合材料的界面黏结性能；
33.s5：将s1中烘干的热塑性树脂加入环氧上浆剂，并通过加热器进行加温，加温过程中进行充分搅拌混合，得到热塑性树脂混合物；
34.s6：将s5得到的热塑性树脂混合物与s4得到的碳纤维在搅拌机内高速混合，然后将混合得到的物料加入到挤出机内，挤出造粒，自然冷却后，得到碳纤维增强热塑性复合材料。
35.优选的，在本实施例中，在s5中，加热器加热时长2-3小时，加热温度为300-350℃。
36.优选的，在本实施例中，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。
37.试验一：通过实施例一所制备的碳纤维增强热塑性复合材料与对照组进行抗拉强度、抗冲击强度、硬度进行测试，对照组采用现有的碳纤维增强热塑性复合材料，详细结果请参见下表：
38.性能实施例一对照组抗拉强度/mpa201178抗冲击强度/mpa305288硬度hrc5545
39.需要具体说明的是：根据实施例一所制备的碳纤维增强热塑性复合材料相比于现有的碳纤维增强热塑性复合材料具有很好的抗拉强度、抗冲击强度以及硬度。
40.实施例二
41.碳纤维增强热塑性复合材料，包括以下按重量份组成的原料：热塑性树脂100份、碳纤维80份、纳米二氧化硅15份、氦气135份、硅烷偶联剂7份、环氧上浆剂17份、过氧乙酸4份、石墨烯6份。
42.优选的，在本实施例中，所述热塑性树脂为聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺中的一种。
43.碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，包括以下步骤：
44.s1：按重量份选取热塑性树脂、碳纤维，将热塑性树脂、碳纤维通过烘干机进行充分烘干，烘干时长为2-3小时；
45.s2：将s1中烘干的碳纤维置于氦气空间内进行等离子改性处理，从而对碳纤维表面进行刻蚀处理，从而增加碳纤维的抗拉强度；
46.s3：将s2中处理后的碳纤维加入纳米二氧化硅、硅烷偶联剂，硅烷偶联剂加强碳纤维和纳米二氧化硅的结合性，从而增加碳纤维的抗冲击性；
47.s4：将s3中处理后的碳纤维加入石墨烯、过氧乙酸，增加碳纤维的化学活性及表面自由能，从而增加与热塑性树脂之间的浸润性，提高复合材料的界面黏结性能；
48.s5：将s1中烘干的热塑性树脂加入环氧上浆剂，并通过加热器进行加温，加温过程中进行充分搅拌混合，得到热塑性树脂混合物；
49.s6：将s5得到的热塑性树脂混合物与s4得到的碳纤维在搅拌机内高速混合，然后将混合得到的物料加入到挤出机内，挤出造粒，自然冷却后，得到碳纤维增强热塑性复合材料。
50.优选的，在本实施例中，在s5中，加热器加热时长2-3小时，加热温度为300-350℃。
51.优选的，在本实施例中，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。
52.试验二：通过实施例二所制备的碳纤维增强热塑性复合材料与对照组进行抗拉强度、抗冲击强度、硬度进行测试，对照组采用现有的碳纤维增强热塑性复合材料，详细结果请参见下表：
[0053][0054][0055]
需要具体说明的是：根据实施例二所制备的碳纤维增强热塑性复合材料相比于现有的碳纤维增强热塑性复合材料具有很好的抗拉强度、抗冲击强度以及硬度。
[0056]
实施例三
[0057]
碳纤维增强热塑性复合材料，包括以下按重量份组成的原料：热塑性树脂85份、碳纤维60份、纳米二氧化硅12份、氦气120份、硅烷偶联剂4份、环氧上浆剂15份、过氧乙酸1份、石墨烯4份。
[0058]
优选的，在本实施例中，所述热塑性树脂为聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺中的一种。
[0059]
碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0060]
s1：按重量份选取热塑性树脂、碳纤维，将热塑性树脂、碳纤维通过烘干机进行充分烘干，烘干时长为2-3小时；
[0061]
s2：将s1中烘干的碳纤维置于氦气空间内进行等离子改性处理，从而对碳纤维表面进行刻蚀处理，从而增加碳纤维的抗拉强度；
[0062]
s3：将s2中处理后的碳纤维加入纳米二氧化硅、硅烷偶联剂，硅烷偶联剂加强碳纤维和纳米二氧化硅的结合性，从而增加碳纤维的抗冲击性；
[0063]
s4：将s3中处理后的碳纤维加入石墨烯、过氧乙酸，增加碳纤维的化学活性及表面自由能，从而增加与热塑性树脂之间的浸润性，提高复合材料的界面黏结性能；
[0064]
s5：将s1中烘干的热塑性树脂加入环氧上浆剂，并通过加热器进行加温，加温过程中进行充分搅拌混合，得到热塑性树脂混合物；
[0065]
s6：将s5得到的热塑性树脂混合物与s4得到的碳纤维在搅拌机内高速混合，然后将混合得到的物料加入到挤出机内，挤出造粒，自然冷却后，得到碳纤维增强热塑性复合材料。
[0066]
优选的，在本实施例中，在s5中，加热器加热时长2-3小时，加热温度为300-350℃。
[0067]
优选的，在本实施例中，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。
[0068]
试验三：通过实施例三所制备的碳纤维增强热塑性复合材料与对照组进行抗拉强度、抗冲击强度、硬度进行测试，对照组采用现有的碳纤维增强热塑性复合材料，详细结果请参见下表：
[0069]
性能实施例三对照组抗拉强度/mpa204178抗冲击强度/mpa301288硬度hrc5345
[0070]
需要具体说明的是：根据实施例三所制备的碳纤维增强热塑性复合材料相比于现有的碳纤维增强热塑性复合材料具有很好的抗拉强度、抗冲击强度以及硬度。
[0071]
实施例四
[0072]
碳纤维增强热塑性复合材料，包括以下按重量份组成的原料：热塑性树脂100份、碳纤维75份、纳米二氧化硅15份、氦气130份、硅烷偶联剂7份、环氧上浆剂17份、过氧乙酸3份、石墨烯6份。
[0073]
优选的，在本实施例中，所述热塑性树脂为聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺中的一种。
[0074]
碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0075]
s1：按重量份选取热塑性树脂、碳纤维，将热塑性树脂、碳纤维通过烘干机进行充分烘干，烘干时长为2-3小时；
[0076]
s2：将s1中烘干的碳纤维置于氦气空间内进行等离子改性处理，从而对碳纤维表面进行刻蚀处理，从而增加碳纤维的抗拉强度；
[0077]
s3：将s2中处理后的碳纤维加入纳米二氧化硅、硅烷偶联剂，硅烷偶联剂加强碳纤维和纳米二氧化硅的结合性，从而增加碳纤维的抗冲击性；
[0078]
s4：将s3中处理后的碳纤维加入石墨烯、过氧乙酸，增加碳纤维的化学活性及表面自由能，从而增加与热塑性树脂之间的浸润性，提高复合材料的界面黏结性能；
[0079]
s5：将s1中烘干的热塑性树脂加入环氧上浆剂，并通过加热器进行加温，加温过程中进行充分搅拌混合，得到热塑性树脂混合物；
[0080]
s6：将s5得到的热塑性树脂混合物与s4得到的碳纤维在搅拌机内高速混合，然后将混合得到的物料加入到挤出机内，挤出造粒，自然冷却后，得到碳纤维增强热塑性复合材料。
[0081]
优选的，在本实施例中，在s5中，加热器加热时长2-3小时，加热温度为300-350℃。
[0082]
优选的，在本实施例中，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。
[0083]
试验四：通过实施例四所制备的碳纤维增强热塑性复合材料与对照组进行抗拉强
度、抗冲击强度、硬度进行测试，对照组采用现有的碳纤维增强热塑性复合材料，详细结果请参见下表：
[0084]
性能实施例四对照组抗拉强度/mpa199178抗冲击强度/mpa299288硬度hrc5045
[0085]
需要具体说明的是：根据实施例四所制备的碳纤维增强热塑性复合材料相比于现有的碳纤维增强热塑性复合材料具有很好的抗拉强度、抗冲击强度以及硬度。
[0086]
实施例五
[0087]
碳纤维增强热塑性复合材料，包括以下按重量份组成的原料：热塑性树脂90份、碳纤维70份、纳米二氧化硅14份、氦气125份、硅烷偶联剂6份、环氧上浆剂16份、过氧乙酸2份、石墨烯5份。
[0088]
优选的，在本实施例中，所述热塑性树脂为聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺中的一种。
[0089]
碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0090]
s1：按重量份选取热塑性树脂、碳纤维，将热塑性树脂、碳纤维通过烘干机进行充分烘干，烘干时长为2-3小时；
[0091]
s2：将s1中烘干的碳纤维置于氦气空间内进行等离子改性处理，从而对碳纤维表面进行刻蚀处理，从而增加碳纤维的抗拉强度；
[0092]
s3：将s2中处理后的碳纤维加入纳米二氧化硅、硅烷偶联剂，硅烷偶联剂加强碳纤维和纳米二氧化硅的结合性，从而增加碳纤维的抗冲击性；
[0093]
s4：将s3中处理后的碳纤维加入石墨烯、过氧乙酸，增加碳纤维的化学活性及表面自由能，从而增加与热塑性树脂之间的浸润性，提高复合材料的界面黏结性能；
[0094]
s5：将s1中烘干的热塑性树脂加入环氧上浆剂，并通过加热器进行加温，加温过程中进行充分搅拌混合，得到热塑性树脂混合物；
[0095]
s6：将s5得到的热塑性树脂混合物与s4得到的碳纤维在搅拌机内高速混合，然后将混合得到的物料加入到挤出机内，挤出造粒，自然冷却后，得到碳纤维增强热塑性复合材料。
[0096]
优选的，在本实施例中，在s5中，加热器加热时长2-3小时，加热温度为300-350℃。
[0097]
优选的，在本实施例中，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。
[0098]
试验五：通过实施例五所制备的碳纤维增强热塑性复合材料与对照组进行抗拉强度、抗冲击强度、硬度进行测试，对照组采用现有的碳纤维增强热塑性复合材料，详细结果请参见下表：
[0099]
性能实施例五对照组抗拉强度/mpa220178抗冲击强度/mpa320288硬度hrc6545
[0100]
需要具体说明的是：根据实施例五所制备的碳纤维增强热塑性复合材料相比于现
有的碳纤维增强热塑性复合材料具有很好的抗拉强度、抗冲击强度以及硬度。
[0101]
并且，根据实施例五所制备的碳纤维增强热塑性复合材料具有更好的抗拉强度、抗冲击强度以及硬度。
[0102]
需要特别说明的是：本发明碳纤维置于氦气空间内进行等离子改性处理，从而对碳纤维表面进行刻蚀处理，从而增加碳纤维的抗拉强度，并且碳纤维加入纳米二氧化硅、硅烷偶联剂，硅烷偶联剂加强碳纤维和纳米二氧化硅的结合性，从而增加碳纤维的抗冲击性，以及碳纤维加入石墨烯、过氧乙酸，增加碳纤维的化学活性及表面自由能，从而增加与热塑性树脂之间的浸润性，提高复合材料的界面黏结性能，大大增加碳纤维热塑性复合材料的硬度，实现了本发明碳纤维增强热塑性复合材料性能的多样性。
[0103]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
[0104]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.碳纤维增强热塑性复合材料，其特征在于，包括以下按重量份组成的原料：热塑性树脂75-100份、碳纤维60-80份、纳米二氧化硅10-15份、氦气120-135份、硅烷偶联剂3-7份、环氧上浆剂13-17份、过氧乙酸1-4份、石墨烯2-6份。2.根据权利要求1所述的碳纤维增强热塑性复合材料，其特征在于，包括以下按重量份组成的原料：热塑性树脂85-100份、碳纤维60-75份、纳米二氧化硅12-15份、氦气120-130份、硅烷偶联剂4-7份、环氧上浆剂15-17份、过氧乙酸1-3份、石墨烯4-6份。3.根据权利要求2所述的碳纤维增强热塑性复合材料，其特征在于，包括以下按重量份组成的原料：热塑性树脂90份、碳纤维70份、纳米二氧化硅14份、氦气125份、硅烷偶联剂6份、环氧上浆剂16份、过氧乙酸2份、石墨烯5份。4.根据权利要求3所述的碳纤维增强热塑性复合材料，其特征在于，所述热塑性树脂为聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺中的一种。5.一种如权利要求1-4所述的碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：按重量份选取热塑性树脂、碳纤维，将热塑性树脂、碳纤维通过烘干机进行充分烘干，烘干时长为2-3小时；s2：将s1中烘干的碳纤维置于氦气空间内进行等离子改性处理，从而对碳纤维表面进行刻蚀处理，从而增加碳纤维的抗拉强度；s3：将s2中处理后的碳纤维加入纳米二氧化硅、硅烷偶联剂，硅烷偶联剂加强碳纤维和纳米二氧化硅的结合性，从而增加碳纤维的抗冲击性；s4：将s3中处理后的碳纤维加入石墨烯、过氧乙酸，增加碳纤维的化学活性及表面自由能，从而增加与热塑性树脂之间的浸润性，提高复合材料的界面黏结性能；s5：将s1中烘干的热塑性树脂加入环氧上浆剂，并通过加热器进行加温，加温过程中进行充分搅拌混合，得到热塑性树脂混合物；s6：将s5得到的热塑性树脂混合物与s4得到的碳纤维在搅拌机内高速混合，然后将混合得到的物料加入到挤出机内，挤出造粒，自然冷却后，得到碳纤维增强热塑性复合材料。6.根据权利要求5所述的碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，其特征在于，在s5中，加热器加热时长2-3小时，加热温度为300-350℃。7.根据权利要求4所述的碳纤维增强热塑性复合材料的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。

技术总结
本发明公开了碳纤维增强热塑性复合材料及其制备方法，包括以下按重量份组成的原料：热塑性树脂75-100份、碳纤维60-80份、纳米二氧化硅10-15份、氦气120-135份、硅烷偶联剂3-7份、环氧上浆剂13-17份、过氧乙酸1-4份、石墨烯2-6份。本发明碳纤维置于氦气空间内进行等离子改性处理，从而对碳纤维表面进行刻蚀处理，从而增加碳纤维的抗拉强度，并且碳纤维加入纳米二氧化硅、硅烷偶联剂，硅烷偶联剂加强碳纤维和纳米二氧化硅的结合性，从而增加碳纤维的抗冲击性，以及碳纤维加入石墨烯、过氧乙酸，增加碳纤维的化学活性及表面自由能，从而增加与热塑性树脂之间的浸润性，提高复合材料的界面黏结性能，大大增加碳纤维热塑性复合材料的硬度。度。度。


技术研发人员：王剑磊 王号朋 周璇 吴立新
受保护的技术使用者：中国科学院福建物质结构研究所
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/8/9