本发明属于改性高分子材料领域，具体涉及一种碳纤维增强聚酮复合材料及其制备方法和应用。
背景技术：
聚酮(pok)是以一氧化碳、乙烯、丙烯为共聚单体，通过配位聚合制成的环保型高分子材料。聚酮(pok)材料具有耐磨、耐油、自润滑、耐冲击等诸多优良性能，适合于应用于制作耐磨性能要求较高的部件。然而，与大部分的有聚烯烃材料类似，聚酮材料存在材料的强度偏低，使其在一些需要承压的结构件的应用领域受到限制。此外，聚酮(pok)材料作为耐磨材料时在其实际工作过程中容易产生静电蓄积，影响材料的长期应用性能。因此，如何通过物理改性提升材料的拉伸和弯曲强度，降低材料的电阻率具有重要的应用研究前景。
碳纤维是一种含碳量在95％以上的新型纤维材料，它是以有机纤维，如腈纶丝(pan)、沥青及粘胶纤维等做原料，在惰性气体中经过高温煅烧石墨化后得到的微晶石墨纤维材料。由于碳纤维在物理性能上具有比重小、强度大、模量高、线膨胀系数小、导电性强、导热率高等特点，这类材料已经广泛应用于热塑性和热固性树脂的增强和功能化改性中。利用碳纤维进行改性的热塑性塑料其物理力学性能和耐热性都有极大的提高，以聚酰胺材料为例，加入20％的碳纤维之后材料的拉伸强度提高近3倍，弯曲模量提高近4倍。通过对碳纤维表面处理方式和复合加工工艺的优化，提高碳纤维改性聚酮(pok)材料的使用性能，将是未来聚酮(pok)材料发展的一个重要研究方向。
技术实现要素：
为了克服聚酮材料(pok)现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种碳纤维增强改性的聚酮复合材料，该材料具有高强度、高韧性、高耐热温度、抗静电等特点。本发明提供的碳纤维增强聚酮复合材料适用于通过注塑成型制备轻量化要求较高的耐磨制品，可用于电子电气、交通运输、电动工具等领域。
本发明另一目的在于提供一种上述碳纤维增强聚酮复合材料的制备方法。
本发明再一目的在于提供上述碳纤维增强聚酮复合材料在电子电气、交通运输、电动工具等领域中的应用，特别适用于制备一些环保化、轻量化、对材料耐摩擦性能要求较高的领域，如家电外壳、耐磨齿轮等。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种碳纤维增强聚酮复合材料，包含以下质量百分数的组分：
所述聚酮为乙烯、丙烯与一氧化碳为共聚单体共聚得到的高分子量聚合物材料。
所述碳纤维可为聚丙烯腈基材的碳纤维、黏胶丝碳纤维和沥青丝碳纤维中的一种，优选为聚丙烯腈基材的碳纤维。
所述碳纤维优选为单丝直径4～8μm，束丝线密度200～800tex的聚丙烯腈基材的碳纤维。该碳纤维强度高，能有效提高聚酰胺的抗冲击性能。
所述相容剂优选为马来酸酐类接枝物或者共聚物，包括聚丙烯接枝马来酸酐(pp-g-mah)、聚乙烯接枝马来酸酐(pe-g-mah)、乙烯/马来酸酐共聚物、以及苯乙烯-丙烯腈-马来酸酐共聚物(sam)等中的至少一种，其中更优选为聚 丙烯接枝马来酸酐(pp-g-mah)和聚乙烯接枝马来酸酐(pe-g-mah)。
所述分散剂可为季戊四醇酯类分散剂、硅酮类分散剂和树枝状化合物中的至少一种。
所述分散剂优选为季戊四醇油酸酯、季戊四醇硬脂酸酯(pets)、n’n-乙撑双硬脂酰胺(ebs)和有机硅类分散剂(如4-7081，dowcorning)中的至少一种。
所述分散剂更优选为有机硅类分散剂(如4-7081，dowcorning)。
所述加工助剂可为本领域常见的适用于聚烯烃体系的加工助剂，如加工稳定剂和抗氧剂中的至少一种。
所述抗氧剂优选为亚磷酸酯类抗氧剂(如3,9-二(2,4-二枯基苯氧基)-2,4,8,10-四氧杂-3,9-二磷杂螺[5.5]十一烷(s9228)，三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯(168))，更优选为三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯(抗氧剂168)。
本发明还提供了一种上述碳纤维增强聚酮复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
把聚酮、相容剂、分散剂、加工助剂在高速搅拌机中充分混合后，从双螺杆挤出机的主喂料口加入，碳纤维经过双螺杆挤出机的侧喂料口加入，材料经过熔融共混、冷却造粒，得到碳纤维增强聚酮复合材料。
所述混合优选在高速搅拌机中进行混合，混合温度不高于80℃，搅拌速度为300r/min，混合时间为10～30min。
所述熔融共混的条件优选为各加热段的温度在200～250℃之间，主机的螺杆转速为350～430r/min，料斗进料螺杆的转速为24～35r/min。
本发明的碳纤维增强聚酮复合材料具有高强度、高韧性、高耐热、抗静电的特点，可应用于电子电气、交通运输、电动工具等领域，特别适用于制备一些对材料强度和耐磨损性能要求较高的传动齿轮、电气支架、电动工具等。与通常用的耐磨聚甲醛材料相比，该材料具有强度更高、比重更低、环境友好性能更加优异的特点。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
本发明以碳纤维增强聚酮材料，充分融合碳纤维和聚酮基材在强度和耐磨性能方面的自身优势，所得到的材料具有比重低、耐磨性能优异、环境优化的特点。本发明相对于现有的技术相比，得到的材料综合性能更加优异，具有明显的应用优势。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：碳纤维增强聚酮复合材料制备
将聚酮(m330a，韩国晓星)87.9wt％，相容剂1wt％(佳易容，9801)，分散剂(dowcorning，4-7081)1wt％，抗氧剂0.1wt％(亚膦酸酯类抗氧剂168)加入到高速搅拌机中搅拌混合，混合温度不高于80℃，混合时间15min；将搅拌均匀的物料加入到长径比l/d为40:1，螺杆直径为30mm的平行双螺杆挤出机的料斗中，设定挤出机从料斗到模头的各段温度分别为(共九区)：150℃，190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主机的螺杆转速为350r/min，料斗进料螺杆的转速为28r/min。同时将碳纤维10wt％(px35cao250-65，日本东丽)通过双螺杆挤出机的侧喂料口加入。材料经过熔融共混挤出、经过水槽冷却，风干后进入切粒机进行切粒，得到碳纤维增强聚酮复合材料，注塑成测试样条后按照gb或者iso标准测试性能。
实施例2：碳纤维增强聚酮复合材料制备
将聚酮(m330a，韩国晓星)77.9wt％，相容剂1wt％(佳易容，9801)，分散剂(dowcorning，4-7081)1wt％，抗氧剂0.1wt％(亚膦酸酯类抗氧剂168)加入到高速搅拌机中搅拌混合，混合温度不高于80℃，混合时间15min；将搅拌均匀的物料加入到长径比l/d为40:1，螺杆直径为30mm的平行双螺杆挤出机的料斗中，设定挤出机从料斗到模头的各段温度分别为(共九区)：150℃， 190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主机的螺杆转速为350r/min，料斗进料螺杆的转速为28r/min。同时将碳纤维20wt％(px35cao250-65，日本东丽)通过双螺杆挤出机的侧喂料口加入。材料经过熔融共混挤出、经过水槽冷却，风干后进入切粒机进行切粒，得到碳纤维增强聚酮复合材料，注塑成测试样条后按照gb或者iso标准测试性能。
实施例3：碳纤维增强聚酮复合材料制备
将聚酮(m330a，韩国晓星)67.9wt％，相容剂1wt％(佳易容，9801)，分散剂(dowcorning，4-7081)1wt％，抗氧剂0.1wt％(亚膦酸酯类抗氧剂168)加入到高速搅拌机中搅拌混合，混合温度不高于80℃，混合时间15min；将搅拌均匀的物料加入到长径比l/d为40:1，螺杆直径为30mm的平行双螺杆挤出机的料斗中，设定挤出机从料斗到模头的各段温度分别为(共九区)：150℃，190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主机的螺杆转速为350r/min，料斗进料螺杆的转速为28r/min。同时将碳纤维30wt％(px35cao250-65，日本东丽)通过双螺杆挤出机的侧喂料口加入。材料经过熔融共混挤出、经过水槽冷却，风干后进入切粒机进行切粒，得到碳纤维增强聚酮复合材料，注塑成测试样条后按照gb或者iso标准测试性能。
实施例4：碳纤维增强聚酮复合材料制备
将聚酮(m330a，韩国晓星)57.9wt％，相容剂1wt％(佳易容，9801)，分散剂(dowcorning，4-7081)1wt％，抗氧剂0.1wt％(亚膦酸酯类抗氧剂168)加入到高速搅拌机中搅拌混合，混合温度不高于80℃，混合时间15min；将搅拌均匀的物料加入到长径比l/d为40:1，螺杆直径为30mm的平行双螺杆挤出机的料斗中，设定挤出机从料斗到模头的各段温度分别为(共九区)：150℃，190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主机的螺杆转速为350r/min，料斗进料螺杆的转速为28r/min。同时将碳纤维40wt％(px35cao250-65，日本东丽)通过双螺杆挤出机的侧喂料口加入。材料经过熔融共混挤出、经过水槽冷却，风干后进入切粒机进行切粒，得到碳纤维增强 聚酮复合材料，注塑成测试样条后按照gb或者iso标准测试性能。
实施例5：碳纤维增强聚酮复合材料制备
将聚酮(m330a，韩国晓星)65.9wt％，相容剂3wt％(佳易容，9801)，分散剂(dowcorning，4-7081)1wt％，抗氧剂0.1wt％(亚膦酸酯类抗氧剂168)加入到高速搅拌机中搅拌混合，混合温度不高于80℃，混合时间15min；将搅拌均匀的物料加入到长径比l/d为40:1，螺杆直径为30mm的平行双螺杆挤出机的料斗中，设定挤出机从料斗到模头的各段温度分别为(共九区)：150℃，190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主机的螺杆转速为350r/min，料斗进料螺杆的转速为28r/min。同时将碳纤维30wt％(px35cao250-65，日本东丽)通过双螺杆挤出机的侧喂料口加入。材料经过熔融共混挤出、经过水槽冷却，风干后进入切粒机进行切粒，得到碳纤维增强聚酮复合材料，注塑成测试样条后按照gb或者iso标准测试性能。
实施例6：碳纤维增强聚酮复合材料制备
将聚酮(m330a，韩国晓星)65.9wt％，相容剂1wt％(佳易容，9801)，分散剂(dowcorning，4-7081)3wt％，抗氧剂0.1wt％(亚膦酸酯类抗氧剂168)加入到高速搅拌机中搅拌混合，混合温度不高于80℃，混合时间15min；将搅拌均匀的物料加入到长径比l/d为40:1，螺杆直径为30mm的平行双螺杆挤出机的料斗中，设定挤出机从料斗到模头的各段温度分别为(共九区)：150℃，190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主机的螺杆转速为350r/min，料斗进料螺杆的转速为28r/min。同时将碳纤维30wt％(px35cao250-65，日本东丽)通过双螺杆挤出机的侧喂料口加入。材料经过熔融共混挤出、经过水槽冷却，风干后进入切粒机进行切粒，得到碳纤维增强聚酮复合材料，注塑成测试样条后按照gb或者iso标准测试性能。
实施例7：碳纤维增强聚酮复合材料制备
将聚酮(m330a，韩国晓星)65.7wt％，相容剂1wt％(佳易容，9801)，分散剂(dowcorning，4-7081)3wt％，抗氧剂0.3wt％(亚膦酸酯类抗氧剂168) 加入到高速搅拌机中搅拌混合，混合温度不高于80℃，混合时间15min；将搅拌均匀的物料加入到长径比l/d为40:1，螺杆直径为30mm的平行双螺杆挤出机的料斗中，设定挤出机从料斗到模头的各段温度分别为(共九区)：150℃，190℃，200℃，210℃，215℃，210℃，200℃，200℃，215℃，主机的螺杆转速为350r/min，料斗进料螺杆的转速为28r/min。同时将碳纤维30wt％(px35cao250-65，日本东丽)通过双螺杆挤出机的侧喂料口加入。材料经过熔融共混挤出、经过水槽冷却，风干后进入切粒机进行切粒，得到碳纤维增强聚酮复合材料，注塑成测试样条后按照gb或者iso标准测试性能。
上述制得的碳纤维增强聚酮复合材料密度按照iso1183-1测试，熔体质量流动指数按照iso1133(300℃，1.2kg)测试，拉伸性能测试按照iso527测试，弯曲性能测试按照iso178，缺口冲击性能测试按照iso180(23℃，kj/m2)测试，具体的测试结果如下表所示。
由上表中的数据可见，本发明采用丙烯腈基碳纤维作为增强材料提高聚酮(pok)材料的强度的同时能够赋予聚合物材料导电和抗静电的特性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。