一种碳纤维增强聚乳酸复合材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种碳纤维增强复合材料，特别是设及一种碳纤维增强聚乳酸复合材 料及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 碳纤维增强复合材料是W碳纤维为增强体，W树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶 等为基体所形成的复合材料，其因具有优异的力学性能和热物理性能而获得了广泛的应 用。
[0003] 目前，应用在汽车构件上的碳纤维增强复合材料主要为碳纤维增强环氧树脂复合 材料，由于环氧树脂是一种热固性树脂，因此所制备的碳纤维复合材料无法再生利用。为了 解决回收再利用的问题，制备W热塑性树脂为基体的碳纤维复合材料成为了当前的热点之 一，W热塑性树脂聚丙締、聚酷胺为基体制备的热塑性碳纤维复合材料已有报道。该类树脂 制备的碳纤维复合材料解决了回收再利用的问题，然而其在产品生命周期终点不能完全降 解，从而在环境中存留大量废弃物。
[0004]聚乳酸是由天然植物如马铃馨、玉米等发酵后的乳酸经过聚合得到，其生物可降 解性好，使用后的材料能被自然界中的微生物完全降解，终产物为二氧化碳和水，无任何环 境负荷。目前，也有一些研究利用聚乳酸作为基体制备碳纤维增强复合材料。例如，公开 号为CN101967271A的中国专利公开了一种短碳纤维增强抗静电聚乳酸复合材料及其制 备方法，该复合材料包括聚乳酸树脂56. 5至86. 5%、短碳纤维10至40%、偶联剂0. 5至 1. 5%、抗氧剂0. 5至1%、润滑剂0. 5至1%;上述材料经高速混合、烙融挤出造粒、切粒，即 制得该复合材料。然而，该复合材料的拉伸强度仅为lOOMI^a左右，力学性能有限。
[0005] 又如，公开号为CN102532832A的中国专利公开了一种聚乳酸/碳纤维复合材料 及其制备方法。该复合材料包括50-95份聚乳酸、5-50份改性碳纤维、0. 05-1份抗氧剂和 0. 05-1份光稳定剂；其中，改性碳纤维是通过将碳纤维和氧化剂溶液混合后进行超声处理 所获得。该复合材料的冲击强度最高达88J/m，力学性能仍有待增强。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种碳纤维增强聚乳酸复合材料及其制备方法和应用，用于解决现有 技术中碳纤维复合材料各项力学性能有限、制备效率低等技术缺陷。
[0007]本发明提供一种碳纤维增强聚乳酸复合材料，包括如下重量份的组分；改性碳纤 维20~50份，聚乳酸50~80份，硅烷偶联剂1. 5~5份，抗氧剂0. 5~3份，润滑剂0. 1~ 1份，光稳定剂0. 1~0. 5份；其中，所述改性碳纤维是通过对碳纤维依序进行氧化改性和 接枝改性所得到的。
[0008]在本发明中，可采用本领域常规方法对碳纤维进行氧化改性和接枝改性。在一实 施方式中，所述氧化改性的改性剂可W为质量百分含量50~70%的氧化剂溶液；其中，氧 化剂可W为硝酸、高铺酸钟、过硫酸锭、次氯酸钢、硫酸等，氧化改性可在60~80°C下进行 5~lOmin。对碳纤维进行氧化改性有利于增加后续接枝改性的反应活性，提高接枝改性的 效果。
[0009] 进一步地，所述接枝改性的改性剂可W为质量百分含量为40~60%的棚酸盐溶 液，例如四氣棚酸盐的水溶液或醇溶液；接枝改性可在70~120°C下进行5~lOmin。经接 枝改性的碳纤维在后续加工过程中与聚乳酸界面的结合强度显著增强，有利于使所形成的 复合材料具有良好的各项力学性能。
[0010] 特别是，本发明采用的聚乳酸的重均分子量为150000~600000,进一步为 250000~500000,该特定分子量的聚乳酸有利于提高与改性碳纤维界面的结合强度，进而 提高复合材料的力学性能；聚乳酸可W选自左旋聚乳酸、右旋聚乳酸和混旋聚乳酸中一种 或多种。
[0011] 本发明对所采用的硅烷偶联剂、润滑剂、抗氧剂和光稳定剂不作严格限制，例如娃 烧偶联剂可W选自甲基二甲氧基硅烷、己締基二甲氧基硅烷、己締基二己氧基硅烷、苯基 =甲氧基硅烷、甲基丙締酷氧基丙基甲基二甲基硅烷和丫-甲基丙締酷氧基丙基=甲氧 基硅烷中的一种或多种；润滑剂可W为N，N'-己撑双硬脂酷胺（润滑剂邸巧和/或娃 酬；抗氧剂可W为四[0-(3, 5-二叔了基-4-哲基苯基）丙酸醋]季戊四醇醋（抗氧剂 1010)和/或S巧，4-二叔了基苯基]亚磯酸醋（抗氧剂168);光稳定剂可W为二-(N-甲 基-2, 2, 6, 6-四甲基-4-化晚基）癸二醋与甲基-(N-甲基-2, 2, 6, 6-四甲基-4-化晚基癸 二醋）的混合物（光稳定剂292)，和/或双（2, 2, 6, 6-四甲基-4-化晚基）癸二酸醋（光 稳定剂770)。
[0012] 进一步地，在不影响本发明碳纤维增强聚乳酸复合材料各项性能的前提下，本发 明的碳纤维增强聚乳酸复合材料还可W包括着色剂、抗静电剂、耐紫外老化剂等其它常规 助剂；着色剂例如可W为色母粒，其可丰富制品的色彩，抗静电剂可提高制品的表面导电 性，耐紫外老化剂可提高制品的紫外老化性能。该些助剂均可W本领域常规用量进行添加。
[0013] 特别是，本发明的碳纤维增强聚乳酸复合材料，可W通过将所述重量份的聚乳酸、 硅烷偶联剂、抗氧剂、润滑剂和光稳定剂烙融共混制成粘度为15化?S~40化?S的聚乳酸 烙体后，与所述改性碳纤维混合制成。本发明对所述聚乳酸烙体与改性碳纤维的混合方式 不限，例如可W将改性碳纤维浸溃于聚乳酸烙体中实现两者的混合等。此外，在混合后还可 W进行定型、冷却、切割等常规工艺。
[0014] 本发明还提供上述任一所述碳纤维增强聚乳酸复合材料的制备方法，包括如下步 骤：
[0015] 1)对碳纤维依序进行氧化改性和接枝改性，制得所述改性碳纤维；
[0016] 2)按照重量份将所述聚乳酸、硅烷偶联剂、抗氧剂、润滑剂和光稳定剂烙融共混， 制成粘度为15化?S~40化?S的烙体；
[0017] 3)将所述改性碳纤维浸溃于所述烙体中，并对浸溃后的改性碳纤维进行定型、冷 却，制得所述碳纤维增强聚乳酸复合材料。
[0018] 进一步地，可W采用如下方法进行所述氧化改性：
[0019] 将氧化剂制成质量百分含量为50~70%的氧化剂溶液，随后将碳纤维置于所述 氧化剂溶液中，在60~80°C下改性5~lOmin;所述氧化剂为硝酸、高铺酸钟、过硫酸锭、次 氯酸钢或硫酸。此外，可对氧化改性后的碳纤维水洗1次W上再进行后续接枝改性。
[0020] 进一步地，可W采用如下方法进行所述接枝改性：
[0021] 将棚酸盐制成质量百分含量为40~60%的棚酸盐溶液，随后将经氧化改性的碳 纤维置于所述棚酸盐溶液中，在70~120°C下改性5~lOmin。棚酸盐可W为四氣棚酸盐 等。
[0022] 特别是，在进行上述氧化改性和接枝改性时，可使碳纤维W-定速度通过装有改 性剂的改性装置，在使碳纤维与改性剂接触的同时实现连续生产；并且，可W通过控制碳纤 维的传输速度使其达到所需的改性时间，传输速度例如可W为1~3m/min。此外，可W通过 将改性剂加热至改性所需温度，或者在改性剂与碳纤维接触后将碳纤维加热至改性所需温 度来实现对改性温度的控制。
[0023] 在一实施方式中，可W采用双螺杆挤出机进行所述烙融共混，并且控制双螺杆挤 出机各段的温度为140~230°C，螺杆转速为30~l(K)r/min。进一步地，双螺杆挤出机后 一段的温度可设置为比前一段高5~30°C。在一实施方式中，双螺杆挤出机各段的温度可 依序设置为 140 ~170°C、170 ~190°C、190 ~205°C、200 ~215°C、205 ~225°C，螺杆转速 可设置为40~60r/min。
[0024] 进一步地，控制所述浸溃的浸溃量从而使浸溃后的复合材料具有上述重量份的组 分，例如可W控制所述浸溃的时间为5~lOmin。此外，可W采用本领域常规的浸溃装置进 行浸溃，特别是浸溃装置可设置2~6个浸溃漉，其可赋