[发明专利]聚合物/碳纤维中空复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及高分子材料技术领域，具体涉及一种高性能聚合物/碳纤维中空复合材料及其制备方法。本发明提供一种聚合物/碳纤维中空复合材料，所述中空复合材料中，碳纤维均匀地分散在聚合物中，聚合物分子在碳纤维表面附生结晶形成取向的串晶结构；其中，碳纤维占聚合物/碳纤维中空复合材料质量比例为1％～20wt％。本发明方法制备的中空复合材料最显著的优点是：(a)接枝到碳纤维表面的聚合物分子链与基体中的聚合物分子链相互穿插堆砌形成片晶，能够增强了碳纤维与聚合物基体之间的界面结合力；(b)聚合物分子在碳纤维表面附生结晶形成高取向的杂化结构使得中空复合材料可能表现出刚韧兼顾的力学性能。

技术领域

本发明涉及高分子材料技术领域，具体涉及一种高性能聚合物/碳纤维中空复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维是一种来源及使用非常广泛的增强填料，其特点是价格便宜易获得，具有高的力学性能。但是用碳纤维增强聚合物复合材料由于具有高比模量、高比强度、耐腐蚀、耐高温等一系列优异的性能，已被广泛用于导弹、航空、汽车、文体用品及医疗器材等各个领域。但未经处理的碳纤维表面缺乏活性官能团，表面惰性大，使其很难在聚合物基体中的分散均匀，并且其与基体树脂之间的界面性能比较差。

针对这些缺陷，现有技术中往往是对填料进行一系列的化学表面改性或者对填料的形状进行特殊设计而达到目的(如Carbon 1997,35(10),1581-1585.)(Carbon 2004,42(10),1923-1929)，又如专利申请CN103469534A介绍了碳纤维表面化学接枝六亚甲基四胺改善其与树脂之间的界面性能；专利申请CN103806274A介绍了利用Ce⁴⁺引发在碳纤维表面化学接枝聚合物提高碳纤维的表面活性，进而提高其与树脂间的界面结合质量。还有大量文献报道了增强碳纤维与树脂基界面结合力的多种方法，主要包括碳纤维表面活化法和表面接枝的方法。

但是这些方法均存在要么反应激烈难以控制，或对设备的要求较高，或成本过高，或者工艺复杂等缺陷，从而导致这些方法无法大规模工业化。

气体辅助注射成型(GAIM)是在常规注射成型(CIM)的基础上发展而来的一种新型的成型加工方法，具有成型周期短、节省原料、降低锁模力、减少残余应力以及制件尺寸稳定性好等优点，受到了广泛的关注(Advances in Polymer Technology,1995,14(1):1-13)。在气辅成型过程中，首先将一定量的聚合物熔体注入模具型腔中，其次将高压惰性气体(通常为N₂)注入模具型腔，穿透并推动聚合物熔体，直至熔体充满整个模具型腔，之后在高压气体的保压作用下熔体逐渐冷却固化，最后排出气体并开模取出制件(Polymer,2007,48(19):5486-5492)。目前，该成型技术已应用于制备汽车部件、电子器件、家电、办公自动化设备、建筑材料等塑料制品领域内(Macromolecular materials and engineering,2000,284(1):76-80)。

但是现有技术中，没有有关采用气体辅助注射成型法制备聚合物/碳纤维复合材料的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚合物/碳纤维中空复合材料，所得复合材料中，聚合物的一部分接枝到碳纤维表面，接枝在碳纤维表面的聚合物分子链与未接枝的那部分聚合物分子链相互穿插堆砌形成片晶，所得中空复合材料内部为大量的高取向结构，从而提高了碳纤维与聚合物之间的界面结合力，使得中空复合材料拥有高的力学性能。

本发明的技术方案：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种聚合物/碳纤维中空复合材料，所述中空复合材料中，碳纤维均匀地分散在聚合物中，聚合物分子在碳纤维表面附生结晶形成取向的串晶结构；其中，碳纤维占聚合物/碳纤维中空复合材料质量比例为1％～20wt％。