一种连续长碳纤维增强热塑性树脂基纳米复合材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种连续长碳纤维增强热塑性树脂基纳米复合材料化ongCarbon FiberReinforcedThermoplasticComposites，LCFRT)及其制备方法和应用，属于高性能 化、轻量化、环保化、可回收循环使用的长碳纤维热塑性树脂基复合材料。
【背景技术】
[0002] 复合材料和金属材料的力学性能具有明显的不同，主要体现在两个方面：1)复合 材料的力学性能具有明显的各向异性，且呈现出很强的可设计性，而金属材料则为各向同 性，材料组份构成确定后其性能保持不变；2)复合材料和金属材料的冲击破坏模式不同， 复合材料的冲击破坏模式呈现复杂多样性特征，属于多尺度渐进式的刚初渐变破坏，而金 属材料的冲击破坏模式为塑性变形为主导的屈服断裂破坏。目前，纤维复合材料己成为最 重要、数量最多、应用最广泛的轻质高强复合材料品种，主要分为：热固性树脂基复合材料 (thermosettingcomposites)和热塑性树脂基复合材料（thermoplasticcomposites)。 其中，热固性树脂基复合材料具有：刚性大、抗疲劳性能优异、能够整体化成型、重量相对较 轻，但是同时制造工艺成本高，且控制过程复杂，难W实现大批量、标准化的工业生产。热塑 性树脂基复合材料具有：重量轻、刚性大、低溫抗冲击初性好、加工成形过程简单、能够整体 化与模块化成型、生产周期短、成本低，可W实现标准化、大批量化生产，同时又具有绿色环 保加工、可回收循环使用的显著特点，符合当今时代产业化发展对高性能化、轻量化、加工 成本低的新型复合材料的先进技术趋势和政府的各项行业法规要求。
[0003] 根据碳纤维（C巧在树脂基体（热固性树脂基体和热塑性树脂基体）中的碳纤维 (C巧保留尺寸长度大小，可W分为：短切碳纤维（SCF)、长碳纤维化CF)、连续碳纤维（CCF， 包括二维纺织布和=维织物种碳纤维（C巧长度尺寸的形态结构。其中，短切碳纤维增 强热塑性树脂基复合材料（粒料，SCFRT)中的短切碳纤维（SCF)长度尺寸为：3-5mm，且在 制品中的碳纤维（SC巧保留长度尺寸为：0. 1-0. 3mm，纤维长径比小，增强效应有限，碳纤维 (SC巧重量含量为：10-35wt%;连续长碳纤维增强热塑性树脂基复合材料（粒料，LCFRT)中 的碳纤维化C巧长度尺寸为：5-25mm，且在制品中的碳纤维化C巧保留长度尺寸为：5-8mm， 纤维长径比大，增强效应明显提高，碳纤维化C巧重量含量为：40-70wt%。
[0004] 目前常规使用的连续碳纤维增强热固性环氧树脂复合材料（CFR巧制造的复合材 料汽车轮穀普遍存在W下缺点或不足：比重大、易吸潮易变形、低溫抗冲击性能差、制造加 工成本高、产品合格率低等许多不足或缺陷，不能够满足特殊应用的批量化、低成本化的使 用要求。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种重量轻、强度高、抗冲击初性好、散热性能 好、耐磨损、耐腐蚀、耐疲劳、成形加工性能优良、制造生产工艺简单、制件成本低，同时又具 有可设计性与可重复循环使用、绿色环保的连续长碳纤维增强热塑性树脂基纳米复合材料 化CFRT)及其制备方法和应用。
[0006] 本发明提供一种连续长碳纤维增强热塑性树脂基纳米复合材料，所述复合材料中 包含：长碳纤维、热塑性树脂、填充料和助剂；
[0007] 其中，长碳纤维重量含量为：40-70wt% ;热塑性树脂重量含量为：25-40wt% ;填充 料重量含量为：3-15wt% ;助剂重量含量为：2-5wt%。
[0008] 根据本发明所述的连续长碳纤维增强热塑性树脂基纳米复合材料，所述复合材料 的粒料的长度尺寸为：5-25mm，其中优选的粒料长度尺寸为：10-15mm，直径尺寸为：4-7mm。
[0009] 根据本发明所述的连续长碳纤维增强热塑性树脂基纳米复合材料，在所述纳米复 合材料的加工成形部件制品中的长碳纤维化C巧保留长度尺寸为：0.5-15mm，其中优选的 长碳纤维化C巧保留长度尺寸为：5-8mm，且满足正态分布要求> 80%。
[0010] 根据本发明所述的连续长碳纤维增强热塑性树脂基纳米复合材料，所述的热塑性 树脂包括：聚酷胺（PA)、聚碳酸醋（PC)、聚对苯二甲酸下二醇醋（PBT)、聚对苯二甲酸乙二 醇醋（PET)、聚甲醒（P0M)、聚酬（P0K)、聚酸酬（PEK)、聚酸酸酬（PEEK)、聚苯硫酸（PPS)、聚 讽（PSU)、聚酸讽（PES)、聚苯讽（PPS巧、聚硫酸讽（PTE巧、聚芳硫酸（PA巧、聚酷亚胺（PI)、 聚酷胺酷亚胺（PAI)、聚酸酷亚胺（PEI)、热塑性聚醋（TP邸）、热塑性聚氨醋（TPU)中的一 种，或两种W上品种再经过物理机械共混或化学改性形成的多相态多组份聚合物共混物。
[0011] 根据本发明所述的连续长碳纤维增强热塑性树脂基纳米复合材料，所述的填充料 之中含有：5-35wt%导电填充料、10-55wt%耐磨损填充料和35-70wt%导热填充料，其中， 导电填充料为：导电炭黑、导电石墨、碳纳米管中的一种或两种W上形成的共混物复合物； 耐磨损填充料为：聚四氣乙締、二硫化钢中的一种或两种W上形成的共混物复合物；导热 填充料为：微米侣纤维、纳米碳化娃纤维、纳米石墨締、纳米氮化侣、纳米氮化钢、纳米氧化 侣、纳米氧化儀中的一种或两种W上形成的共混物复合物。
[0012] 根据本发明所述的连续长碳纤维增强热塑性树脂基纳米复合材料，所述助剂含 有：增初剂、阻燃剂、抗氧剂、抗紫外光剂、润滑剂、成核剂、偶联剂、抗冲击改性剂中的一种 或两种W上形成的共混物复合物。
[0013] 根据本发明所述的连续长碳纤维增强热塑性树脂基纳米复合材料，所述复合材料 注塑成形后的平板表面电阻为：l〇-l〇〇〇〇/Q?cm,导热率为：2-100W/m?K，静摩擦系数为： 0.09-0. 18/ys。
[0014] 本发明还提供一种连续长碳纤维增强热塑性树脂基纳米复合材料的制备方法，所 述的制备方法采用等静压烙融树脂浸溃复合工艺制备得到具有多相态结构特征的多组份 共混物复合材料，即用连续碳纤维长纱卷（CC巧先经过预加热装置，控制放纱输送张力器、 纱线（束）气流动态分散装置后形成平行的单分散排列，经过导向漉轴输送与双螺杆挤出 机挤出的由热塑性树脂基体、填充料、助剂烙融共混复合形成的多相态多组份共混复合材 料，同时经过浸溃槽口模模具内加热、加压，并且在恒定等静压力和控制放纱张力条件下， 快速牵引通过浸溃模具内部安置的11-15个不等间距的变径漉轴进行烙融树脂浸溃与复 合成形过程，形成烙融的多相态多组份共混高分子复合粘流体系，再经过拉伸、冷却、压实 定型、吹干、切割，最后可W制备得到复合材料粒料化CFRT)。
[0015] 本发明还提供一种连续长碳纤维增强热塑性树脂基纳米复合材料在车轮轮穀上 的应用，用于低载荷的纯电动汽车的复合材料车轮轮穀的动态弯曲疲劳性能> 350Kg，加载 偏移《4% ;动态径向疲劳性能> 450Kg，加载偏移《2%。
[0016]应用本发明所述的连续长碳纤维增强热塑性树脂基纳米复合材料化CFRT)在加 工成形零部件制品中的碳纤维化C巧保留长度尺寸为：0. 5-15mm，其中优选的碳纤维化CF) 保留长度尺寸为：5-8mm，且满足正态分布要求> 80%，同时具有比重小、强度高、低溫耐冲 击性能好、翅曲变形小、尺寸稳定、吸水吸潮低、导电散热性能好、抗划痕、抗紫外光老化、耐 化学溶剂腐蚀性能优异、使用寿命长、可回收循环使用，在汽车零部件制造领域可替代侣合 金材料，具有广泛应用前景，符合国家制订的低碳经济法规与节能减排的环保要求。
【附图说明】
[0017] 图1是SCFRT-G复合材料粒料和LCFRT-G复合材料粒料的结构示意图。
[0018] 图2是连续长碳纤维增强热塑性树脂基纳米复合材料化CFRT)的结构示意图。
[0019] 图3是连续长碳纤维增强热塑性树脂基纳米复合材料化CFRT)制成的轮穀。
【具体实施方式】
[0020] 本发明提供一种连续长碳纤维增强热塑性树脂基纳米复合材料化CFRT)的制备 方法，包括W下步骤：采用精密传感器（粘度、溫度和压力）控制连续碳纤维束（CC巧与低 粘度的融烙热塑性树脂共混物进行加热的溫度、加压压力、牵引张力，在挤出浸淆槽口模具 内部装置倒角不同的11-15个滚动漉轴用于分散分布的碳纤维（束）排列形成连续长单 丝碳纤维（CCF)，并且在保持融溶溫度和低粘流体下同时控制浸溃槽中内部的有效等静压 力为：85-250MPa，使连续单丝碳纤维（CC巧得到完全的热融烙浸溃、润湿与加压密实成形 复合（过程），两相之间的界面强度则可W得到显著提高，一步法完成融烙浸淆与成形复合 (过程）共挤出复合材料拉条，再经加压：50-180M化下密实加压冷固结l-3min，从而制备 得到高性能的连续长碳纤维增强热塑性树脂基纳米复合材料化CFRT)，最终再根据使用性 能要求切割成不同长度尺寸的复合材料（粒料）。
[0021] 采用上述方法，一步法解决了连续单丝碳纤维（CC巧可W单分散排到与被融烙的 热塑性树脂（基体）浸溃、润湿与密实压紧的成形复合过程，从而使浸溃效率得到明显提 高，并且可W形成良好的界面（相）微观结构，碳纤维（CC巧分布的更加均匀，碳纤维化CF) 保留长度尺寸明显增大，增强增初作用（效应）显著提高，加工流变性能提高，制件的机械 力学性能和尺寸稳定性、耐疲劳性、高低溫度下的抗冲击性能等得到显著提高。
[0022] 本发明的连续长碳纤维增强热塑性树脂基纳米复合材料化CFRT)注塑成形的平 板表面电阻为：10-10000/Q?畑1，导热率为：2-100W/m*K，静摩擦系数为：0. 09-0. 18/ys。
[0023] 使用本发明的连续长碳纤维增强热塑性树脂基纳米复合材料化CFRT)精密注 塑加工成形得到的低载荷使用的纯电动汽车复合材料轮穀中的碳纤维化C巧保留长度 尺寸为：5-8mm，且满足正态分布要求80%。复合材料汽车轮穀的动态弯曲疲劳性能 > 350Kg，加载偏移《4% ;动态径向疲劳性能> 450Kg，加载偏移《2%。
[0024] 纯电动汽车复合材料轮穀是采用精密注塑成形技术制造，具有加工工艺简单、生 产成本低、使用寿命长、重量轻、翅曲变形小、尺寸稳定、吸水吸潮小、强度高、散热性好、高 低溫度下耐冲击性能好、抗划痕、抗紫外光老化、耐化学溶剂腐蚀、安全可靠、绿色环保、又 可循环再回收使用的显著特点与优异性能，但是在实际使用过程中，复合材料轮穀所承受 载荷重量的能力有限度要求，疲劳强度与使用寿命均会