高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料及其制备方法.pdf

本发明提供一种高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料，其包括如下重量份的化学成分：邻苯二甲酸二甲酯40~50份，乙二醇20~30份，聚乙二醇10~20份，纳米碳纤维20~30份，增韧剂5~10份，双（2-噁唑啉）10~15份，醋酸锌1~5份，无机填料5~10份，偶联剂1~5份，润滑剂1~3份，抗氧剂1~5份。同时还提供该复合材料的制备方法，所述复合材料由热塑性聚酯和纳米碳纤维复合形成，具有优异抗拉强度、抗拉模量及电阻率，且制备方法简单，生产成本低。

权利要求书
1.  一种高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料，其特征在于，其包括如下重量份的化学成分：邻苯二甲酸二甲酯40~50份，乙二醇20~30份，聚乙二醇10~20份，纳米碳纤维20~30份，增韧剂5~10份，双（2-噁唑啉）10~15份，醋酸锌1~5份，无机填料5~10份，偶联剂1~5份，润滑剂1~3份，抗氧剂1~5份。

2.  根据权利要求1所述的一种高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料，其特征在于，其包括如下重量份的化学成分：邻苯二甲酸二甲酯40~45份，乙二醇20~25份，聚乙二醇10~15份，纳米碳纤维25~30份，增韧剂5~8份，双（2-噁唑啉）10~13份，醋酸锌1~3份，无机填料5~7份，偶联剂1~4份，润滑剂1~3份，抗氧剂1~3份。

3.  根据权利要求1所述的一种高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料，其特征在于，其包括如下重量份的化学成分：邻苯二甲酸二甲酯45份，乙二醇23份，聚乙二醇12份，纳米碳纤维28份，增韧剂7份，双（2-噁唑啉）10份，醋酸锌2份，无机填料6份，偶联剂1份，润滑剂3份，抗氧剂2份。

4.  根据权利要求1~3中任一项所述的一种高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料，其特征在于，所述无机填料选自滑石粉、碳酸钙、硫酸钡、玻璃微珠、玻璃粉或炭黑中的一种。

5.  根据权利要求1~3中任一项所述的一种高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料，其特征在于，所述的偶联剂为硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂中的至少一种。

6.  根据权利要求1~3中任一项所述的一种高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料，其特征在于，抗氧剂为抗氧剂1010或抗氧剂1076。

7.  根据权利要求1~3中任一项所述的一种高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料，其特征在于，所述润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙、芥酸酰胺中的至少一种。

8.  根据权利要求1~3中任一项所述的一种高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料，其特征在于，所述增韧剂选自聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氨酯中的一种。

9.  如权利要求1~3中任一项所述的一种高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：按重量配比称取各组分，并分别加入中速混合机中，使一起搅拌20~30min，待混合均匀后出料加入双螺杆挤压机，经螺杆机挤压共混、熔融，再进行纺丝，纺丝的熔体温度控制在150~200℃之间，卷绕速度控制在2000~4000m/min，热定型温度为80~100℃，即得到所述高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料。

说明书高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
复合纤维（英文名称compositefiber）是多组分纤维（英文名称multicomponentfibers）的一种，是针对人造纤维品种的术语。在同一根纤维截面上存在两种或两种以上不相混合的聚合物纤维，这种纤维称复合纤维，它是20世纪60年代发展起来的物理改性纤维。利用复合纤维制造技术可以获得兼有两种聚合物特性的双组分纤维。有并列型、皮芯型、海岛型等复合纤维，纤维截面有圆形和异形。纤维具有三维立体卷曲、高蓬松性和覆盖性，良好的导电性、抗静电性和阻燃性。复合纤维需要采用特殊结构的复合纺丝机纺丝。主要用于毛线、毛毯、毛织物、保暖絮绒填充料、丝绸织物、非织造布、医疗卫生用品和特殊工作服等。
纳米碳纤维(CarbonNanofibers简称CNF)是化学气象生长碳纤维的一种形式，是由通过裂解气相碳氢化合物制备的非连续石墨纤维。从物理尺寸、性能和生产成本来看它是构成以碳黑、富勒烯、单壁和多壁纳米碳管为一端，以连续碳纤维为另一端链节中的一环。纳米碳纤维的直径在50~200nm之间，但目前不少研究工作者把直径在100nm以下的中空纤维称之为纳米碳管，亦即纳米碳纤维的直径介于纳米碳管和气相生长碳纤维之间。与纳米碳管相比纳米碳纤维的制备更易于实现工业化生产。
热塑性聚酯具有热塑性特性的饱和聚酯。多指聚对苯二甲酸酯类。其实广义上还应包含其他线型聚酯。在聚对苯二甲酸酯中以聚对苯二甲酸乙二酯和聚对苯二甲酸丁二酯产量大、用途广，其他多用作高性能薄膜和纤维。
对于热塑性聚酯的研究目前主要存在如下专利文献：
专利公开号：CN103102658A，公开了一种无卤环保阻燃改性的热塑性聚酯树脂，热塑性聚酯树脂按照重量份数计算包括如下组分：5-95%的聚酯树脂；0.1-30%的次磷酸钙和0-10%的无卤阻燃添加剂；0.5-10%的加工助剂、热稳定和过程稳定剂、紫外稳定剂、流滴剂、色素、脱模剂、橡胶弹性聚合物、成核剂的一种或多种；0-50%的无机填充剂。本发明产品优良的无卤阻燃性能，尤其是在775℃，根据UL94标准在1.6mm和0.8mm厚度的条件下要有良好的耐灼热性能；优良的力学性能，尤其是耐冲击强度、弹性模量要好和优良的拉伸性；优良的电学性能，在600V的条件下通过CTI值。
然而，而目前市场上对于热塑性聚酯与纳米碳纤维的复合材料的研究并未提及。
发明内容
为解决上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料，同时还提供该复合材料的制备方法，所述复合材料由热塑性聚酯和纳米碳纤维复合形成，具有优异抗拉强度、抗拉模量及电阻率，且制备方法简单，生产成本低。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料，其包括如下重量份的化学成分：邻苯二甲酸二甲酯40~50份，乙二醇20~30份，聚乙二醇10~20份，纳米碳纤维20~30份，增韧剂5~10份，双（2-噁唑啉）10~15份，醋酸锌1~5份，无机填料5~10份，偶联剂1~5份，润滑剂1~3份，抗氧剂1~5份。
进一步，其包括如下重量份的化学成分：邻苯二甲酸二甲酯40~45份，乙二醇20~25份，聚乙二醇10~15份，纳米碳纤维25~30份，增韧剂5~8份，双（2-噁唑啉）10~13份，醋酸锌1~3份，无机填料5~7份，偶联剂1~4份，润滑剂1~3份，抗氧剂1~3份。
优选地，其包括如下重量份的化学成分：邻苯二甲酸二甲酯45份，乙二醇23份，聚乙二醇12份，纳米碳纤维28份，增韧剂7份，双（2-噁唑啉）10份，醋酸锌2份，无机填料6份，偶联剂1份，润滑剂3份，抗氧剂2份。
另，所述无机填料选自滑石粉、碳酸钙、硫酸钡、玻璃微珠、玻璃粉或炭黑中的一种。
另有，所述的偶联剂为硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂中的至少一种。
再，抗氧剂为抗氧剂1010或抗氧剂1076。
再有，所述润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙、芥酸酰胺中的至少一种。
且，所述增韧剂选自聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氨酯中的一种。
同时，本发明还提供一种高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：按重量配比称取各组分，并分别加入中速混合机中，使一起搅拌20~30min，待混合均匀后出料加入双螺杆挤压机，经螺杆机挤压共混、熔融，再进行纺丝，纺丝的熔体温度控制在150~200℃之间，卷绕速度控制在2000~4000m/min，热定型温度为80~100℃，即得到所述高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料。
本发明的有益效果在于：
所述复合材料由热塑性聚酯和纳米碳纤维复合形成，纳米碳纤维的一个重要用途是改进力学性能，它可以达到连续碳纤维一样的增强效果，但价格仅相当于玻璃纤维。用纳米碳纤维制备复合材料的成本很低，可以采用例如注射成型等低成本生产技术。经表面处理的纳米碳纤维可提高纯树脂的强度和模量性能4~6倍。作为结构复合材料增强剂的现实应用是改性基体材料，少量的纳米碳纤维加入到环氧树脂，可极大改进PAN基或沥青基碳纤维复合材料的层间剪切强度；加入到玻璃纤维复合材料可以改进导热性能、导电性能、热膨胀系数以及力学性能。纳米碳纤维增强热塑性聚脂的抗拉强度达到50~60MPa、抗拉模量达到4~5GPa。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据厂家的条件作进一步调整，未说明的实施条件通常为常规实验条件。
本发明所提供的一种高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料，其包括如下重量份的化学成分：邻苯二甲酸二甲酯40~50份，乙二醇20~30份，聚乙二醇10~20份，纳米碳纤维20~30份，增韧剂5~10份，双（2-噁唑啉）10~15份，醋酸锌1~5份，无机填料5~10份，偶联剂1~5份，润滑剂1~3份，抗氧剂1~5份。
进一步，其包括如下重量份的化学成分：邻苯二甲酸二甲酯40~45份，乙二醇20~25份，聚乙二醇10~15份，纳米碳纤维25~30份，增韧剂5~8份，双（2-噁唑啉）10~13份，醋酸锌1~3份，无机填料5~7份，偶联剂1~4份，润滑剂1~3份，抗氧剂1~3份。
优选地，其包括如下重量份的化学成分：邻苯二甲酸二甲酯45份，乙二醇23份，聚乙二醇12份，纳米碳纤维28份，增韧剂7份，双（2-噁唑啉）10份，醋酸锌2份，无机填料6份，偶联剂1份，润滑剂3份，抗氧剂2份。
另，所述无机填料选自滑石粉、碳酸钙、硫酸钡、玻璃微珠、玻璃粉或炭黑中的一种。
另有，所述的偶联剂为硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂中的至少一种。
再，抗氧剂为抗氧剂1010或抗氧剂1076。
再有，所述润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙、芥酸酰胺中的至少一种。
且，所述增韧剂选自聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氨酯中的一种。
同时，本发明还提供一种高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：按重量配比称取各组分，并分别加入中速混合机中，使一起搅拌20~30min，待混合均匀后出料加入双螺杆挤压机，经螺杆机挤压共混、熔融，再进行纺丝，纺丝的熔体温度控制在150~200℃之间，卷绕速度控制在2000~4000m/min，热定型温度为80~100℃，即得到所述高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料。
本发明所提供的高强度热塑性聚酯/纳米碳纤维复合材料由热塑性聚酯和纳米碳纤维复合形成，纳米碳纤维的一个重要用途是改进力学性能，它可以达到连续碳纤维一样的增强效果，但价格仅相当于玻璃纤维。用纳米碳纤维制备复合材料的成本很低，可以采用例如注射成型等低成本生产技术。经表面处理的纳米碳纤维可提高纯树脂的强度和模量性能4~6倍。作为结构复合材料增强剂的现实应用是改性基体材料，少量的纳米碳纤维加入到环氧树脂，可极大改进PAN基或沥青基碳纤维复合材料的层间剪切强度；加入到玻璃纤维复合材料可以改进导热性能、导电性能、热膨胀系数以及力学性能。纳米碳纤维增强热塑性聚脂的抗拉强度达到50~60MPa、抗拉模量达到4~5GPa。
本发明所提供的高弹性PBT/PET复合纤维材料由PBT和PET复合形成，具有优异的弹性，卷曲弹性率高达98~99%，柔软的手感，且制备方法简单，生产成本低。且纺丝卷绕速度高达2000~4000m/min，明显高出现有二步法的纺丝卷绕速度500~800m/min，生产流程短，生产效率高，还减少了设备投入，降低了复合纤维的生产成本。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。