[发明专利]非连续聚酰亚胺长纤增强热塑性树脂基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了非连续聚酰亚胺长纤维增强热塑性树脂基复合材料及其制备方法。该复合材料的组份及质量分数为：热塑性树脂70.0～90.0wt.％，聚酰亚胺长纤维29.0～9.0wt.％，光稳定剂0.1～0.2wt.％，抗氧化剂0.1～0.2wt.％，润滑剂0.2～0.8wt.％。该复合材料通过熔融拉挤方法制备成长度为10±0.2mm或25±0.5mm的长条状粒料，分别应用于注射和模压成型。本发明技术所制备复合材料具有综合力学性能优异、轻量化效果好的特点，特别适用于对强度和轻量化要求高的无人机、大飞机等航空器零部件的制造。

技术领域

本发明涉及复合材料领域，特别是涉及非连续聚酰亚胺长纤维增强热塑性树脂基复合材料及其制备方法。

背景技术

高性能轻量化复合材料的开发是当前复合材料制造领域中最重要的发展方向之一。利用轻质无机纤维增强复合技术所开发的轻量化高性能树脂基复合材料可替代钢铁及铝镁合金材料广泛应用于工程及结构制件的生产制造，由此开发出来的产品已经广泛应用于汽车、轨道交通、船舶、航空航天及国防军工领域，成为国家经济发展重要的重要支柱性材料。纤维增强塑料是制造高性能轻量化复合材料的常规手段，利用传统无机纤维如玻璃纤维、碳纤维及玄武岩纤维增强有机树脂基复合材料具有优异的拉伸性能、弯曲性能和高刚性；而且这些无机刚性纤维的引入还会造成复合材料韧性的损失，难以实现力学性能的全面提升。由于这些无机纤维本身密度较大，其轻量化效果虽然适用于普通工业及民用领域，在重要的航空航天及国防军工等对轻量化要求极高的制造领域如无人机、特种航空器等，上述无机纤维增强树脂基复合材料仍然难以适用。因此，开发性能更高、轻量化效果更好的新型复合材料成为新材料领域重要的研究开发课题。

聚酰亚胺(PI)纤维是近年来迅速发展起来的高性能人工合成纤维，其中特别为增强复合材料专门开发的高强高模PI纤维，其强度超过了3.5GPa、模量达到140GPa，其纤维强度指标完全达到T300型碳纤维水平。然而PI纤维的密度仅1.34g/cm³，具有明显的轻质优势，将其应用于树脂基复合材料的增强不但可有效提高材料的拉伸强度和冲击断裂韧性，还能使增强塑料密度明显低于传统无机纤维增强树脂基复合材料，因此，PI纤维未来将在高性能轻量化树脂基复合材料制造领域扮演关键的角色。

传统无机纤维增强热塑性复合材料的增强模式多为短纤维增强，但是短纤维增强技术在加工过程中，纤维在挤出机中与树脂混炼时，由于螺杆的剪切作用，纤维会受到很大的损伤，所得粒料中纤维残余长度仅有0.2～1mm，而经过注塑所得制品中纤维的残留长度会更短，这样，由于纤维残留长度的降低会大大影响复合材料的机械性能，因而其应用也受到了限制。而长纤维增强技术加工过程中采用纤维在熔体中浸渍的方法，可以最大程度的保留纤维在基体中的长度，从而可以进一步提高增强型热塑性树脂基复合材料的机械性能以适应更高的使用要求。已公开的制备长纤维增强型热塑性树脂基复合材料的发明专利充分表明了这一结论，如中国专利CN 1775515A，该专利公布了运用熔融拉挤技术将尼龙66熔体与玻璃纤维或碳纤维进行复合，所制备的长纤维增强热塑性复合材料增强效果远高于传统短切纤维的增强效果。在另一中国专利CN102675740A中，公开了一种用于小型风能发电机上的热塑性复合材料叶片，主要由长纤维增强热塑性复合材料制成，该复合材料中纤维含量为32～75wt.％，纤维保留长度为2.8～25mm，并且可形成相互缠结的三维网状结构，使制品具有较高的冲击性能。另外，产品还具有生产工艺简单，成本低，使用寿命长等显著的优良性能。

发明内容

本发明所要解决的问题是传统无机纤维增强热塑性树脂基复合材料在增强强度、韧性及轻量化效果上存在的不足，运用连续长纤维熔融拉挤技术，制备出非连续聚酰亚胺长纤维增强热塑性树脂基复合材料。该复合材料具有拉伸强度高、抗冲击性能优异、轻量化效果更显著的优势。该复合材料可采用通过加工设备制备，且生产工艺简单、操作相对容易、生产效率较高。

本发明通过下述技术方案实现：非连续聚酰亚胺长纤维增强热塑性树脂基复合材料的组成和配比如下：