一种再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及复合材料制备领域，尤其涉及一种再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料及其制备方法。

背景技术：

碳纤维作为一种近年来得到高速发展的材料，使用碳纤维得到的复合材料的机械性能能够得到全面的增强，碳纤维也在越来越多的领域中得到了广泛的应用。随着碳纤维制品产量的日益上升，废旧碳纤维的处理和利用变成了一个新的难题。而聚丙烯塑料由于其相对较低的价格，易加工，耐化学性等优点，被广泛应用于包装、纺织、汽车甚至飞机制造行业。但是由于聚丙烯本身的机械性能不足，需要通过改性才能够被应用于含有高附加值的产业中。常用的填料包括了滑石粉，云母粉，氢氧化铝，碳酸钙，玻璃纤维等等。通过再生短切碳纤维与聚丙烯的共混改性，可以有效增强复合材料的拉伸和弯曲性能，从而拓展材料的应用领域。

随着碳纤维产品工业的发展，未来将会有更多的废旧碳纤维需要处理，如果采用简单的垃圾填埋的方式处理，是对资源的极大浪费，纯碳纤维的各项优良的性能，如比重小，耐热性极好，热膨胀系数小，导热系数大，耐腐蚀，比强度和比模量高等，得到了大量研究者的关注。通过碳纤维加强得复合材料已经屡见不鲜。然而再生短切碳纤维的加工和处理方案，尚未见相关报道。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料及其制备方法，为再生短切碳纤维的进一步发展提供理论和技术支持。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料及其制备方法，为再生短切碳纤维的进一步发展提供理论和技术支持。

为实现上述目的，本发明提供了一种再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料，包括：

质量分数为1％-5％的再生短切碳纤维，质量分数为1％-20％的马来酸酐接枝聚丙烯，质量分数为0.5％-2.5％的表面活性剂，余量为聚丙烯。

进一步地，本发明提供了一种再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料的制备方法，所述方法包括：

s100、制备均匀分布的再生短切碳纤维：

s101、将再生碳纤维切短；

s102、将表面活性剂、再生短切碳纤维与蒸馏水共混；

s103、将共混后的混合物进行超声分散获得悬浊液；

s104、将聚酰亚胺薄膜铺在平底玻璃盘上，将悬浊液倒入玻璃盘，烘干得到均匀分布的再生短切碳纤维；

s200、制备再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料：

s201、将准备好的再生短切碳纤维与马来酸酐接枝聚丙烯、聚丙烯压成塑料片材；

s202、将塑料片材通过粉碎机粉碎得到再生短切碳纤维塑料颗粒；

s203、将得到的再生短切碳纤维塑料颗粒通过挤出机混合、挤出得到均匀分布的再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料颗粒；

s204、将挤出机得到的塑料颗粒加入到注塑机中，注塑成型，得到再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料。

本发明与现有技术相比，所具有的技术优势在于：

(1)本发明的复合材料能克服聚丙烯塑料的机械强度不足，改性后所得复合材料的机械性能得到大幅度加强，显著提升拉伸和弯曲性能，对冲击性能有一定增强效果。

(2)本发明材料面向汽车零部件应用，其中再生短切碳纤维和马来酸酐接枝聚丙烯配合显著增强复合材料的机械性能，也为再生碳纤维的应用领域拓展了方向，具有广阔的工业应用前景。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例制备的再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料的扫描电镜截面图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

本发明所提供的一种再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料包括质量分数为1％-5％的再生短切碳纤维，质量分数为1％-20％的马来酸酐接枝聚丙烯，质量分数为0.5％-2.5％的表面活性剂，余量为聚丙烯。

本发明所提供的一种再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料一种再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料的制备方法，包括：

s100、制备均匀分布的再生短切碳纤维，具体地，分为以下步骤：

s101、将再生碳纤维切短；

s102、将表面活性剂、再生短切碳纤维与蒸馏水共混，

其中，表面活性剂为聚氧乙烯20油醚溶液，表面活性剂与再生短切碳纤维之间的体积比为200-1000∶1；

s103、将共混后的混合物进行超声分散获得悬浊液，

其中，超声分散的时间为10-30mins，分散温度为30-40℃，悬浊液中含有的表面活性剂与再生短切碳纤维的质量比为1∶2，分散剂在悬浊液中的浓度为0.5g/l-2.5g/l；

s104、将聚酰亚胺薄膜铺在平底玻璃盘上，将悬浊液倒入玻璃盘，烘干得到均匀分布的再生短切碳纤维；

s200、制备再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料，具体地，分为以下步骤：

s201、将准备好的再生短切碳纤维与马来酸酐接枝聚丙烯、聚丙烯压成塑料片材，

其中，压片过程中在平板硫化机中压制过程中的温度设置在180-200℃，以50-100mpa压力在3-10mins内将再生短切碳纤维与聚丙烯压制成型，在平板硫化机中压制过程中泄压放气三次，每次2s，总压片时间控制在5-6mins；

s202、将塑料片材通过粉碎机粉碎得到再生短切碳纤维塑料颗粒；

s203、将得到的再生短切碳纤维塑料颗粒通过挤出机混合、挤出得到均匀分布的再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料颗粒，

其中，挤出机转速设置为145rpm-155rpm，5个加热区温度控制依次为165℃-175℃-185℃-190℃-190℃；

s204、将挤出机得到的塑料颗粒加入到注塑机中，注塑成型，得到再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料，

其中，注塑区5个加热区温度控制依次为195℃-195℃-200℃-200℃-200℃，注塑压力控制在45-55mpa，注塑速度控制在55-65g/s，模温控制在45-55℃。

下面详细介绍本发明的4个应用实施例来具体说明。

实施例1

s100、制备均匀分布的再生短切碳纤维：

s101、将再生碳纤维切短至1mm；

s102、将5g再生短切碳纤维与2.5g表面活性剂共混，加入到1l蒸馏水中；

s103、将共混后的混合物进行超声分散获得悬浊液，功率为100w，用时15分钟；

s104、将聚酰亚胺薄膜铺在平底玻璃盘上，将悬浊液倒入玻璃盘，烘干得到均匀分布的再生短切碳纤维；

s200、制备再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料：

s201、将准备好的均匀分布的再生短切碳纤维，加入5g马来酸酐接枝聚丙烯，87.5g聚丙烯压成塑料片材，压片时温度设定为180摄氏度，压力80mpa，压片过程中三次泄压放气，每次2s，总成型时间为5mins；

s202、将塑料片材通过粉碎机粉碎得到再生短切碳纤维塑料颗粒；

s203、将得到的颗粒通过挤出机混合后挤出得到均匀分布的复合材料颗粒，挤出机转速150rpm，5个加热区温度控制依次为165℃-175℃-185℃-190℃-190℃；

s204、将挤出机得到的塑料颗粒加入到注塑机中，注塑成型，得到再生短切碳纤维和聚丙烯复合材料，注塑机5个加热区温度控制依次为195℃-195℃-200℃-200℃-200℃，注塑压力50mpa，注塑速度60g/s，保压压力60mpa，保压时间10s，冷却时间10s，模温50℃。

应用实施例1制备的再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料的扫描电镜图如图1所示，在2μm尺寸下观察，条状的主体是再生短切碳纤维，外部紧密包裹了聚丙烯，原本碳纤维观察到的应该是光滑的表面，聚丙烯和碳纤维的接触界面可能存在较大空隙，但是这个图中可以看到马来酸酐接枝聚丙烯的加入使得再生短切碳纤维与聚丙烯在二者的接触界面形成了紧密的结合，紧密结合的界面使得复合材料在受到外力的时候能够更好地分散受力，并直接对复合材料机械性能起到了一个加强作用，下面的对比图标能做一个很好的解释。

本实施例在5％再生短切碳纤维加强的情况下，所得复合材料的拉伸模量为2485mpa，拉伸、弯曲与悬臂梁冲击强度分别达到25mpa、35mpa与107kjm^-2。

原聚丙烯材料拉伸模量仅为1790mpa，拉伸、弯曲与悬臂梁冲击强度分别为22mpa、27mpa与95mpa。

表15g再生短切碳纤维复合聚丙烯材料与聚丙烯材料机械强度对比

由上表数据我们可以得出，实施例的拉伸模量、拉伸强度、弯曲强度以及悬臂梁冲击强度均高于对比例，且实施例的拉伸模量达到2485mpa，显著高于对比例的1792mpa。

实施例2

s100、制备均匀分布的再生短切碳纤维：

s101、将再生碳纤维切短至1mm；

s102、将1g再生短切碳纤维与0.5g表面活性剂共混，加入到1l蒸馏水中；

s103、将共混后的混合物进行超声分散获得悬浊液，功率为100w，用时20mins：

s104、将聚酰亚胺薄膜铺在平底玻璃盘上，将悬浊液倒入玻璃盘，烘干得到均匀分布的再生短切碳纤维；

s200、制备再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料：

s201、将准备好的均匀分布的再生短切碳纤维，加入1g马来酸酐接枝聚丙烯，97.5g聚丙烯压成塑料片材，压片时温度设定为190摄氏度，压力80mpa，压片过程中三次泄压放气，每次2s，总成型时间为5mins；

s202、将塑料片材通过粉碎机粉碎得到再生短切碳纤维塑料颗粒；

s203、将得到的颗粒通过挤出机混合后挤出得到均匀分布的复合材料颗粒，挤出机转速150rpm，5个加热区温度控制依次为165℃-175℃-185℃-190℃-190℃；

s204、将挤出机得到的塑料颗粒加入到注塑机中，注塑成型，得到再生短切碳纤维和聚丙烯复合材料，注塑机5个加热区温度控制依次为195℃-195℃-200℃-200℃-200℃，注塑压力50mpa，注塑速度60g/s，保压压力60mpa，保压时间10s，冷却时间10s，模温50℃。应用实施例2与对比例机械性能对比如下表：

表21g再生短切碳纤维复合聚丙烯材料与聚丙烯材料机械强度对比

由上表数据我们可以得出，实施例的拉伸强度、弯曲强度以及悬臂梁冲击强度均高于对比例。

实施例3

s100、制备均匀分布的再生短切碳纤维：

s101、将再生碳纤维切短至1mm；

s102、将2g再生短切碳纤维与1.0g表面活性剂共混，加入到1l蒸馏水中；

s103、将共混后的混合物进行超声分散获得悬浊液，功率为100w，用时25分钟；

s104、将聚酰亚胺薄膜铺在平底玻璃盘上，将悬浊液倒入玻璃盘，烘干得到均匀分布的再生短切碳纤维；

s200、制备再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料：

s201、将准备好的均匀分布的再生短切碳纤维，加入2g马来酸酐接枝聚丙烯，95g聚丙烯压成塑料片材，压片时温度设定为180摄氏度，压力80mpa，压片过程中三次泄压放气，每次2s，总成型时间为5mins；

s202、将塑料片材通过粉碎机粉碎得到再生短切碳纤维塑料颗粒；

s203、将得到的颗粒通过挤出机混合后挤出得到均匀分布的复合材料颗粒，挤出机转速150rpm，5个加热区温度控制依次为165℃-175℃-185℃-190℃-190℃；

s204、将挤出机得到的塑料颗粒加入到注塑机中，注塑成型，得到再生短切碳纤维和聚丙烯复合材料，注塑机5个加热区温度控制依次为195℃-195℃-200℃-200℃-200℃，注塑压力50mpa，注塑速度60g/s，保压压力60mpa，保压时间10s，冷却时间10s，模温50℃。应用实施例3与对比例机械性能对比如下表：

表32g再生短切碳纤维复合聚丙烯材料与聚丙烯材料机械强度对比

由上表数据我们可以得出，实施例的拉伸强度、弯曲强度和悬臂梁冲击强度均高于对比例。

实施例4

s100、制备均匀分布的再生短切碳纤维：

s101、将再生碳纤维切短至1mm；

s102、将5g再生短切碳纤维与2.5g表面活性剂共混，加入到1l蒸馏水中；

s103、将共混后的混合物进行超声分散获得悬浊液，功率为100w，用时25分钟；

s104、将聚酰亚胺薄膜铺在平底玻璃盘上，将悬浊液倒入玻璃盘，烘干得到均匀分布的再生短切碳纤维；

s200、制备再生短切碳纤维-聚丙烯复合材料：

s201、将准备好的均匀分布的再生短切碳纤维，加入20g马来酸酐接枝聚丙烯，77g聚丙烯压成塑料片材，压片时温度设定为180摄氏度，压力80mpa，压片过程中三次泄压放气，每次2s，总成型时间为5mins；

s202、将塑料片材通过粉碎机粉碎得到再生短切碳纤维塑料颗粒；

s203、将得到的颗粒通过挤出机混合后挤出得到均匀分布的复合材料颗粒，挤出机转速150rpm，5个加热区温度控制依次为165℃-175℃-185℃-190℃-190℃；

s204、将挤出机得到的塑料颗粒加入到注塑机中，注塑成型，得到再生短切碳纤维和聚丙烯复合材料，注塑机5个加热区温度控制依次为195℃-195℃-200℃-200℃-200℃，注塑压力50mpa，注塑速度60g/s，保压压力60mpa，保压时间10s，冷却时间10s，模温50℃。应用实施例4与对比例机械性能对比如下表：

表45g再生短切碳纤维复合聚丙烯材料与聚丙烯材料机械强度对比

由上表数据我们可以得出，实施例的拉伸模量、拉伸强度、弯曲强度均高于对比例，且实施例4的拉伸模量达到了2515mpa，显著高于对比例的1790mpa。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。