一种用于汽车轮毂的碳纳米管改性碳纤维复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及汽车轻量化生产用改性工程塑料
技术领域：
，尤其是一种用于汽车轮毂的碳纳米管改性碳纤维复合材料及其制备方法。
背景技术：
：碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）力学性能优越，广泛应用于汽车、飞机、电子电器等的结构件。近年来，由于汽车轻量化的发展需求，CFRP力学性能和功能化的要求不断提高，多尺度混杂填充的研究得到了发展，尤其是在碳纤维/碳纳米管混杂填充聚合物复合材料方面得到广泛应用。但是碳纳米管（CNTs）由于其纳米级尺寸、大的比表面积和长径比，CNTs表面能较大，易发生团聚现象，且其表面呈现化学惰性；碳纤维与基体之间结合力下降，CFRP材料的力学性能还达不到汽车轮毂的性能要求，并且材料的导热性能存在不足之处。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是提供一种用于汽车轮毂的碳纳米管改性碳纤维复合材料及其制备方法，以解决现有的碳纤维增强树脂基复合材料力学性能不强及导热性能差的问题。为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：一种用于汽车轮毂的碳纳米管改性碳纤维复合材料，包含以下重量份的原料：尼龙PA6655-80份、碳纤维20-40份、碳纳米管2-5份、增韧剂4-10份、抗氧化剂0.1-0.6份、润滑剂0.2-0.5份、形核剂0.2-0.5份。进一步，所述的尼龙PA66为片状，采用平顶山神马集团EPR27，相对粘度2.6-2.7；碳纤维为日本石墨公司生产的短切碳纤维，纤维直径10，拉伸强度3530，拉伸模量230，密度2.12，导热系数320，碳纳米管采用中科院成都有机化学研究所提供的多壁碳纳米管MWCNTs，MWCNTs的平均长度15，平均直径为30；增韧剂为杜邦MN493D，为马来酸酐接枝的改性聚合物；抗氧化剂为主抗氧剂1098和辅抗氧剂168；润滑剂为PETS，高温下具有良好的热稳定性和低挥发性，良好的脱模和流动性能；形核剂为三合化工生产的型号HK-145成核剂，HK-145成核剂能够降低结晶成核自由能，结晶速率大大提高，针对尼龙PA66，能够缩短冷却时间，缩短生产周期，流动性和脱模性能改善，有助于注塑件脱模；进一步，所述的碳纳米管为采用表面化学镀镍处理的碳纳米管，该碳纳米管采用中科院成都有机化学研究所提供的多壁碳纳米管MWCNTs，MWCNTs的平均长度15，平均直径为30。一种用于汽车轮毂的碳纳米管改性碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一，按重量份称取以下原料，尼龙PA66、碳纤维、碳纳米管、增韧剂、抗氧化剂、润滑剂、形核剂，将除碳纤维、碳纳米管以外的原料加入到高速混合机内，高速旋转5分钟，提前混合均匀，制得预混料；步骤二，将碳纳米管制成悬浮液，悬浮液中各组分以重量比计，CNTs:四氢呋喃:油胺=0.1:100:3.3，涂覆在碳纤维表面；步骤三，将制得的预混料通过双螺杆挤出机主喂料口送入双螺杆挤出机内，在160℃-285℃温度下熔融共混；与此同时，双螺杆挤出机的侧喂料口放入涂覆有碳纳米管的碳纤维，由双螺杆挤出机挤出，再经过拉条、水冷、切粒操作步骤，得到碳纤维/碳纳米管混杂填充尼龙66（PA66）复合材料。进一步，所述的步骤二中，对碳纳米管（CNTs）进行表面化学镀镍预处理，包括以下步骤：首先对碳纳米管CNTs进行敏化处理，将碳纳米管CNTs称重放入异丙醇中，以重量比计，CNTs:异丙醇=1:40，60℃下超声波震荡30min，震荡完成后，用蒸馏水清洗干净碳纳米管CNTs并过滤；其次，用混酸对碳纳米管CNTs酸化处理30min，混酸中各组分重量配比为SnCl2:HCl:H2O=1:36.5:100，PdCl2:HCl:H2O=2.5:36.5:100；再次，将处理后的碳纳米管CNTs加入镀液中，镀液中各组分重量比为NiCl26H2O:NiSO46H2O:Na3C6H5O72H2O:NaH2PO2H2O:NH4Cl:Pb（NO3）2=0.6:0.24:0.16:0.9:1:0.025，镀液PH=8，温度25℃，进行水浴加热1h；最后，将表面化学镀镍处理的碳纳米管CNTs用蒸馏水反复清洗，过滤，放入真空干燥箱进行干燥，80℃下真空干燥24h至恒重。本发明相比现有技术的有益效果：本发明制成的碳纤维/碳纳米管混杂填充尼龙66（PA66）复合材料，采用多尺度混杂填充，既保留了优良的碳纤维主导力学性能，又提高了层间剪切强度，改善了层间增韧效果，同时还提高了复合材料的导电性、导热性，解决了现有的碳纤维复合材料力学性能不强及导热性能差的问题。附图说明图1为实施例3酸化处理后的碳纳米管扫描电子显微镜照片。图2为实施例3表面化学镀镍的碳纳米管扫描电子显微镜照片。图3为实施例1碳纳米管改性碳纤维复合材料拉伸断口的扫描电子显微镜照片。图4为图3的放大图。图5实施例2碳纳米管改性碳纤维复合材料拉伸断口的扫描电子显微镜照片。图6为图5的放大图。图7为实施例3碳纳米管改性碳纤维复合材料拉伸断口的扫描电子显微镜照片。图8为图7的放大图。图9为对比例1改性碳纤维复合材料拉伸断口的扫描电子显微镜照片。图10为实施例1、2、3和对比例1碳纳米管改性碳纤维复合材料力学性能对比图。图11为实施例1、2、3和对比例1碳纳米管改性碳纤维复合材料导热性能对比图。具体实施方式以下对本发明作进一步地详细描述。实施例1一种用于汽车轮毂的碳纳米管改性碳纤维复合材料，包含以下重量份的原料：尼龙PA6675份、碳纤维20份、表面镀镍预处理的CNTs(CNTs-Ni)2份、增韧剂5份、抗氧化剂0.3份、润滑剂0.5份、形核剂0.2份。上述材料的制备方法包括以下步骤：步骤一，按重量份称取以下原料，尼龙PA66、碳纤维、表面镀镍预处理碳纳米管、增韧剂、抗氧化剂、润滑剂、形核剂，将除碳纤维、表面镀镍预处理碳纳米管以外的原料加入到高速混合机内，高速旋转5分钟，提前混合均匀，制得预混料；其中，表面镀镍预处理碳纳米管的制备方法包括以下步骤：首先对碳纳米管CNTs进行敏化处理，将碳纳米管CNTs称重放入异丙醇中，以重量比计，CNTs:异丙醇=1:40，60℃下超声波震荡30min，震荡完成后，用蒸馏水清洗干净碳纳米管CNTs并过滤；其次，用混酸对碳纳米管CNTs酸化处理30min，混酸中各组分重量配比为SnCl2:HCl:H2O=1:36.5:100，PdCl2:HCl:H2O=2.5:36.5:100；再次，将处理后的碳纳米管CNTs加入镀液中，镀液中各组分重量比为NiCl26H2O:NiSO46H2O:Na3C6H5O72H2O:NaH2PO2H2O:NH4Cl:Pb（NO3）2=0.6:0.24:0.16:0.9:1:0.025，镀液PH=8，温度25℃，进行水浴加热1h；最后，将表面化学镀镍处理的碳纳米管CNTs用蒸馏水反复清洗，过滤，放入真空干燥箱进行干燥，80℃下真空干燥24h至恒重，得到表面镀镍预处理碳纳米管CNTs（CNTs-Ni）；步骤二，将表面镀镍预处理碳纳米管制成悬浮液，悬浮液中各组分以重量比计，表面镀镍预处理碳纳米管CNTs:四氢呋喃:油胺=0.1:100:3.3，涂覆在碳纤维表面；步骤三，将制得的预混料通过双螺杆挤出机主喂料口送入双螺杆挤出机内，在160℃-285℃温度下熔融共混；与此同时，双螺杆挤出机的侧喂料口放入涂覆有表面镀镍预处理碳纳米管的碳纤维，由双螺杆挤出机挤出，再经过拉条、水冷、切粒操作步骤，得到碳纤维/碳纳米管混杂填充尼龙66（PA66）复合材料。实施例2一种用于汽车轮毂的碳纳米管改性碳纤维复合材料，包含以下重量份的原料：尼龙PA6675份、碳纤维20份、表面镀镍预处理的CNTs(CNTs-Ni)3份、增韧剂5份、抗氧化剂0.3份、润滑剂0.5份、形核剂0.2份。上述材料的制备方法包括以下步骤：步骤一，按重量份称取以下原料，尼龙PA66、碳纤维、表面镀镍预处理碳纳米管、增韧剂、抗氧化剂、润滑剂、形核剂，将除碳纤维、表面镀镍预处理碳纳米管以外的原料加入到高速混合机内，高速旋转5分钟，提前混合均匀，制得预混料；其中，表面镀镍预处理碳纳米管的制备方法包括以下步骤：首先对碳纳米管CNTs进行敏化处理，将碳纳米管CNTs称重放入异丙醇中，以重量比计，CNTs:异丙醇=1:40，60℃下超声波震荡30min，震荡完成后，用蒸馏水清洗干净碳纳米管CNTs并过滤；其次，用混酸对碳纳米管CNTs酸化处理30min，混酸中各组分重量配比为SnCl2:HCl:H2O=1:36.5:100，PdCl2:HCl:H2O=2.5:36.5:100；再次，将处理后的碳纳米管CNTs加入镀液中，镀液中各组分重量比为NiCl26H2O:NiSO46H2O:Na3C6H5O72H2O:NaH2PO2H2O:NH4Cl:Pb（NO3）2=0.6:0.24:0.16:0.9:1:0.025，镀液PH=8，温度25℃，进行水浴加热1h；最后，将表面化学镀镍处理的碳纳米管CNTs用蒸馏水反复清洗，过滤，放入真空干燥箱进行干燥，80℃下真空干燥24h至恒重，得到表面镀镍预处理碳纳米管CNTs（CNTs-Ni）；步骤二，将表面镀镍预处理碳纳米管制成悬浮液，悬浮液中各组分以重量比计，表面镀镍预处理碳纳米管CNTs:四氢呋喃:油胺=0.1:100:3.3，涂覆在碳纤维表面；步骤三，将制得的预混料通过双螺杆挤出机主喂料口送入双螺杆挤出机内，在160℃-285℃温度下熔融共混；与此同时，双螺杆挤出机的侧喂料口放入涂覆有表面镀镍预处理碳纳米管的碳纤维，由双螺杆挤出机挤出，再经过拉条、水冷、切粒操作步骤，得到碳纤维/碳纳米管混杂填充尼龙66（PA66）复合材料。实施例3一种用于汽车轮毂的碳纳米管改性碳纤维复合材料，包含以下重量份的原料：尼龙PA6675份、碳纤维20份、表面镀镍预处理的CNTs(CNTs-Ni)5份、增韧剂5份、抗氧化剂0.3份、润滑剂0.5份、形核剂0.2份。上述材料的制备方法包括以下步骤：步骤一，按重量份称取以下原料，尼龙PA66、碳纤维、表面镀镍预处理碳纳米管、增韧剂、抗氧化剂、润滑剂、形核剂，将除碳纤维、表面镀镍预处理碳纳米管以外的原料加入到高速混合机内，高速旋转5分钟，提前混合均匀，制得预混料；其中，表面镀镍预处理碳纳米管的制备方法包括以下步骤：首先对碳纳米管CNTs进行敏化处理，将碳纳米管CNTs称重放入异丙醇中，以重量比计，CNTs:异丙醇=1:40，60℃下超声波震荡30min，震荡完成后，用蒸馏水清洗干净碳纳米管CNTs并过滤；其次，用混酸对碳纳米管CNTs酸化处理30min，混酸中各组分重量配比为SnCl2:HCl:H2O=1:36.5:100，PdCl2:HCl:H2O=2.5:36.5:100；再次，将处理后的碳纳米管CNTs加入镀液中，镀液中各组分重量比为NiCl26H2O:NiSO46H2O:Na3C6H5O72H2O:NaH2PO2H2O:NH4Cl:Pb（NO3）2=0.6:0.24:0.16:0.9:1:0.025，镀液PH=8，温度25℃，进行水浴加热1h；最后，将表面化学镀镍处理的碳纳米管CNTs用蒸馏水反复清洗，过滤，放入真空干燥箱进行干燥，80℃下真空干燥24h至恒重，得到表面镀镍预处理碳纳米管CNTs（CNTs-Ni）；步骤二，将表面镀镍预处理碳纳米管制成悬浮液，悬浮液中各组分以重量比计，表面镀镍预处理碳纳米管CNTs:四氢呋喃:油胺=0.1:100:3.3，涂覆在碳纤维表面；步骤三，将制得的预混料通过双螺杆挤出机主喂料口送入双螺杆挤出机内，在160℃-285℃温度下熔融共混；与此同时，双螺杆挤出机的侧喂料口放入涂覆有表面镀镍预处理碳纳米管的碳纤维，由双螺杆挤出机挤出，再经过拉条、水冷、切粒操作步骤，得到碳纤维/碳纳米管混杂填充尼龙66（PA66）复合材料。对比例1一种用于汽车轮毂的改性碳纤维复合材料，包含以下重量份的原料：尼龙PA6675份、碳纤维20份、增韧剂为5份、抗氧化剂0.3份、润滑剂0.5份、形核剂0.2份。上述材料的制备方法包括以下步骤：步骤一，按重量份称取以下原料，尼龙PA66、碳纤维、增韧剂、抗氧化剂、润滑剂、形核剂，将除碳纤维以外的原料加入到高速混合机内，高速旋转5分钟，提前混合均匀，制得预混料。步骤二，将制得的预混料通过双螺杆挤出机主喂料口送入双螺杆挤出机内，在160℃-285℃温度下熔融共混；与此同时，双螺杆挤出机的侧喂料口放入碳纤维，由双螺杆挤出机挤出，再经过拉条、水冷、切粒操作步骤，得到碳纤维/碳纳米管混杂填充尼龙66（PA66）复合材料。根据实施例1、实施例2、实施例3制得样品1、样品2、样品3与对比例1制的样品4（PA66+20%CF）具有相同用途，上述产品性能对比情况如表1所示。表1样品1、样品2、样品3与样品4性能对比情况项目样品1样品2样品3样品4（PA66+20%CF）拉伸强度()180183194170弯曲强度()280285300275弯曲模量()13800142001500013000缺口冲击强度()13.214.115.215导热系数（）0.850.931.420.6由表1可知，样品1、样品2、样品3的强度、导热系数较之于样品4高，样品3的强度、导热系数最高，样品2次之，样品1最后。对比样品1、样品2、样品3和样品4，可知碳纳米管的加入对PA66+20%CF复合材料起到增强力学性能，提高导热性的作用。碳纳米管CNTs经过表面镀镍处理后，明显改善了碳纤维CF与PA66基体界面间的结合强度和相容性，碳纳米管CNTs吸附在碳纤维CF表面，不仅促进了碳纤维CF与PA66基体间形成“钉扎效应”，从而提高了碳纤维复合材料的力学性能，还在碳纤维CF与PA66基体间形成了导热通道，使界面热阻有所下降，提高了其导热性能，导热系数提高到了1.42。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3