[发明专利]一种大丝束长碳纤维热塑性复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种大丝束长碳纤维热塑性复合材料及其制备方法，属于碳纤维材料制备技术领域。大丝束碳纤维受到上压辊和下支撑辊的牵引，从入模口进入模具，同时从出模口离开模具，树脂熔体从模腔上部进入模具，在重力作用下自上而下浸没大丝束碳纤维，二者可以充分接触，实现热塑性树脂熔体与大丝束碳纤维良好浸渍；另外，上、下辊组数设计为三组以上，上压辊直径设计为不同大小的系列，根据需要调节压力，改变热塑性树脂熔体与大丝束碳纤维的浸渍效果。本发明提供的热塑性复合纤维材料，采用了经过无机纳米粒子与树脂杂化的热塑性材料，具有对碳纤维的浸渍效果好，碳纤维物理强度高的优点。

技术领域

本发明涉及一种大丝束长碳纤维热塑性复合材料及其制备方法，属于碳纤维材料制备技术领域。

背景技术

大丝束碳纤维通常指每束碳纤维的根数大于等于48000根(即48K)的碳纤维，而1K，3K，6K，12K 和24K 的碳纤维则称之为小丝束碳纤维。英国考尔兹(Courtaulds)公司最早于20世纪70年代末对大丝束碳纤维进行研究，并在1985年成功研制出性能与T300相当的48K及以上大丝束碳纤维；至20世纪90年代，该公司大丝束碳纤维研究取得进一步突破，拉伸强度达到3200～3800MPa，且成本大幅降低，并在建筑等多个领域逐步替代小丝束碳纤维。此后，国外知名碳纤维生产企业如日本东丽（Toray）、日本东邦（Toho）、美国赫克瑟（Hexcel） 、德国SGL炭集团相继开发出低成本大丝束碳纤维，同时，在制备大丝束碳纤维预浸料方面在也取得了重大突破。大丝束碳纤维已然成为碳纤维产业中最有发展潜力的品种，并逐渐取代原小丝束碳纤维应用于各行业。

大丝束碳纤维因丝束纤维数量多、纤维束直径大、毛羽多，大丝束展开及其碳纤维与热塑性树脂浸渍难度大，需要开发专用大丝束碳纤维的实验加工设备、工艺制备技术。就大丝束长碳纤维热塑性复合材料，国内外公开资料未见大丝束长碳纤维热塑性复合材料的研究报道。国外，可能是出于对具有战略意义的碳纤维及其复合材料制备技术严格保密、封锁；也许是国外长纤维增强热塑性复合材料制备技术与大丝束碳纤维低成本化技术均在上世纪90年代突破并快速发展，大小丝束长碳纤维热塑性复合材料已成功融合开发，无需强调大、小丝束概念。国内主要以玻璃纤维研发为主，而长碳纤维热塑性复合材料研究大多处于实验或中试阶段、批量生产的产品都较少，都是以小丝束碳纤维为原料，这与无国产工业化低成本大丝束碳纤维直接相关。北京中材汽车复合材料有限公司王婧等研究长碳纤维增强尼龙在线模压工艺，对比玻纤增强尼龙，碳纤维尼龙材料更优；北京化工大学研究生陈同海对长碳纤维增强尼龙66熔融浸渍模具结构、制备技术、注塑工艺及复合材料的性能进行了研究。根据Darcy定律和流体力学理论,建立了基于结构参数、工艺参数和物性参数的连续纤维束熔融浸渍模型,分析了连续纤维束的分散和浸渍机理,对熔体黏度、浸渍辊的形状和包覆角等关键参数对纤维束浸渍度的影响进行了数值分析和模拟。

现有技术中生产大丝束碳纤维复合材料的装置，主要存在以下的问题：

以长玻璃纤维、小丝束长碳纤维增强热塑性复合材料制备技术现用预热展丝装置大多为两辊，辊直径较小。

现有浸渍模具：熔融热塑性树脂大多从纤维束（从浸渍模具中间通过）下方、浸渍模具纤维进入端底部进入，需要熔融树脂熔体高才能使纤维与树脂充分接触，达到树脂与纤维充分浸渍目的非常困难。

发明内容

本发明针对大丝束碳纤维的特点，专门设计、定制加工适合大丝束长碳纤维热塑性复合材料制备的预热展丝装置、浸渍模具及整条专用实验生产线。设计为三辊及三辊以上、增大辊直径，辊的水平和垂直距离可调。设计熔融热塑性树脂大多从纤维束（从浸渍模具中间通过）上方、浸渍模具纤维进入端顶部进入，熔融树脂自身重力是熔体自上而下就可与纤维充分接触，实现树脂与纤维充分浸渍的目的；另外还可改变浸渍模具内张力辊结构与布局提高浸渍效果等。