[发明专利]碳纤维增强炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法

说明书

技术领域

 本发明涉及的是碳纤维增强炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，属于木塑复合材料技术领域。

背景技术

 碳纤维是由不完全石墨结晶沿纤维轴向排列而成的一种多晶材料，碳含量一般在90%以上，常作为复合材料的增强体。它具有众多优异的性能，如强度高，模量大，而密度比率小；导热性能好，热膨胀系数低，热稳定性和抗热氧老化性较高；导电性好；耐摩擦性好，磨耗小，摩擦系数低，常用作抗磨减摩材料；化学性质稳定，耐腐蚀。因此，碳纤维被广泛用于航空航天、军事装备、体育用品等领域。

 碳纤维具有密度低、强度和模量较高、导电性能优异、导热性好、热稳定性高、耐化学腐蚀等优点，但其抗冲击性能和高温氧化性能较差，因此常作为树脂、金属、陶瓷等材料的增强体得以应用。碳纤维增强树脂基复合材料是八十年代后期发展起来的一类新型材料，如今正受到越来越多的关注，因为其优异的性能，不仅广泛应用于军事、航空航天等领域，在民用领域也有着广阔的发展空间。 

 常见的碳纤维一般有聚丙烯腈碳纤维、沥青基碳纤维和纤维素基碳纤维，而聚丙烯腈碳纤维目前产量最高。

 木炭在炭化烧制时并不会损坏其组织结构，各组织导管、细胞壁被完整炭化而形成了蜂窝状的多孔体。正因其丰富的孔隙结构和巨大的比表面积使其具有很强的吸附能力，能够有效地吸附空气中的有害气体，对水质的净化也能起到一定的作用。 

 如同干燥的海绵可以吸水，木炭在高温烧制时已蒸发掉了原木中的水分，其内部分散的无数孔隙使其具有较好的湿度调节作用。当环境湿度较高时，木炭能够吸收空气中的湿气，当环境干燥时则会释放已吸收的湿气，从而起到湿度调节作用。

 碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是以有机高分子材料为基体、碳纤维为增强材料，通过复合工艺制备而成，具有明显优于原组分性能的一类新型材料。它具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、便于大面积整体成型以及具有特殊电磁性能等特点，已经成为最重要的航空结构材料之一。

 由于超高分子量聚乙烯熔体粘度极高, 加工比较困难,限制了其的应用，超高分子量聚乙烯通过改性,可以改变其缺陷, 提高了其加工流动性,可以达到增韧、增强、提高耐热以及抗磨损的性能。但是改性后的超高分子量聚乙烯的抗冲击性、耐磨性等物理机械性能较纯的超高分子量聚乙烯下降较多,下降的幅度随着超高分子量聚乙烯的比例降低而增加，因此使用碳纤维增强改性的超高分子量聚乙烯，使超高分子量聚乙烯的优异性能得到更为广泛研究和应用。

发明内容

 本发明提出的是一种碳纤维增强炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其目的是解决碳纤维与炭粉/超高分子量聚乙烯在融熔复合过程中因质量太轻、易团聚、不易分散、不易复合等问题。

 本发明的技术解决方案：一种碳纤维增强炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）用粉碎搅拌机将块状木炭粉打碎成细粉，60~70目后置于60℃恒温鼓风干燥箱中48小时，烘至绝干状态；

（2）将超高分子量聚乙烯粉末至于电热恒温鼓风干燥箱中在60℃下恒温干燥24小时；

（3）准确称取烘干的超高分子量聚乙烯粉末25%（按总质量计，wt%）与木炭粉在蒸馏水中混合42~62%，并用搅拌器在常温下搅拌10~30分钟至混合均匀；

（4）将混合均匀的超高分子量聚乙烯粉末和木炭粉混合溶液置于研磨机中研磨10~15次，并用真空泵抽滤出水分；

（5）将步骤（4）的混合均匀的超高分子量聚乙烯粉末和炭粉混合溶液加入10~30%不同长度的短碳纤维（长度范围1~5μm），加入蒸留水1000ml，马来酸酐偶联剂3%，在超高速搅拌机内搅拌均匀，选用的搅拌速度为15000~24000转/分钟，使三者充分混合，呈融溶状态的悬浮溶液；

（6）将步骤（5）的悬浮溶液置于旋转蒸发器中去除水分，然后将碳纤维/超高分子量聚乙烯/木碳粉三者的混合物置于电热恒温鼓风干燥箱中在60℃下恒温干燥24~48小时，使得混合物干燥；

（7）将步骤（6）得到的混合干燥物置于搅拌粉碎机中搅拌打碎成粉；

（8）将步骤（7）得到的将打碎成粉的三种材料混合物投入到双螺杆挤出机中进行混炼复合，复合温度为170~190℃，螺杆旋转方向设置为同向旋转，螺杆转速为30~50rpm，混合10~20min；

（9）混合完成后挤出成型，样条放置在20士2℃，相对湿度为50士5%的恒温恒湿环境中至少40小时。