本發明屬于復合材料領域，涉及一種熱塑性彈性體/碳纖維復合發泡材料的成型工藝。
背景技術：
熱塑性彈性體發泡材料具備高彈性、耐老化、耐油性等優異特點，其應用領域逐漸向航天、航空、艦船、高速列車、風力發電等許多技術領域發展。隨著復合材料的發展，熱塑性彈性體發泡材料開始向填料型復合材料發展，填料的加入主要是為了提高熱塑性彈性體發泡材料的力學性能、耐溫性能。碳纖維以其高比強度、高比模量、小的線膨脹系數、低密度、耐高溫、抗腐蝕、優異的熱及電傳導性等特點，被稱為新材料之王，常用作高性能樹脂基復合材料的增強材料。將碳纖維添加到熱塑性彈性體發泡材料中，理論上可以起到提高材料力學性能和導電性能的作用。但是碳纖維和熱塑性彈性體發泡材料的相容性不佳，碳纖維在基體中分散不均勻，復合材料的性能遠沒有達到理論水平。
技術實現要素：
本發明在于提供一種擁有較好的力學性能、耐熱及導電性能的復合發泡材料，解決了傳統發泡材料力學性能差、功能單一的缺點。
為了達到上述發明目的，本發明采用以下技術方案：
一種熱塑性彈性體/碳纖維復合發泡材料的成型工藝，該成型工藝包括以下步驟：
(1)將熱塑性彈性體和碳纖維熔融共混，得粒徑為3-4mm的復合粒子；
(2)將復合粒子放入高壓反應釜中，通入co2，使co2處于超臨界狀態進行保壓滲透，滲透后泄壓，然后放入發泡設備中加熱發泡，制得發泡粒子；
(3)將發泡粒子進行蒸汽模壓成型，得熱塑性彈性體/碳纖維復合發泡材料。
本發明將彈性體與碳纖維熔融共混，使碳纖維均勻分散于彈性體中，制得粒徑為3-4mm的復合粒子，在此粒徑下的粒子發泡泡孔更均勻，在模壓成型中能有效填滿模腔，有利于后續模壓成型；然后復合粒子使用超臨界co2物理發泡，形成均勻、倍率大的泡孔，以提供發泡材料更大的彈性；最后發泡材料通過蒸汽模壓成型可以制備出各種形狀的發泡制品。
本發明將碳纖維作為熱塑性彈性體的增強材料，能夠顯著增加材料的力學性能，同時超臨界co2的超強溶解能力和滲透能力，能有效使碳纖維均勻分散于彈性體中，使碳纖維進一步發揮補強作用，發泡后碳纖維隨顆粒發泡膨脹形成一定的空間取向，材料的力學性能得到進一步提高。碳纖維具有一定的導電性能，材料發泡后碳纖維間距隨顆粒發泡膨脹變大，此時材料的導電性較小，當材料受壓顆粒變癟時，碳纖維之間的間距變小，材料導電性隨之變大，壓力移除后，因發泡顆粒的彈性較大，顆粒能夠快速回彈到初始狀態，因此添加有碳纖維的熱塑性彈性體發泡材料具有隨外界壓力不同而改變導電性的能力。
作為優選，所述熱塑性彈性體為聚氨酯彈性體、聚烯烴彈性體、苯乙烯類彈性體中的一種或幾種。
作為優選，步驟(1)中碳纖維用量為復合材料總重量的8-20％。碳纖維在復合材料中用量太小，不能有效發揮增強作用；用量太多，碳纖維與基體材料的相容性變差，導致復合材料性能降低。
進一步優選，碳纖維用量為復合材料總重量的10-15％。材料的導電性能和耐熱性能隨著碳纖維使用量的增加而提高，但是當碳纖維用量超過一定范圍時，材料的力學性能稍微有些降低。考慮材料的綜合性能，本發明選擇碳纖維用量為復合材料總重量的10-15％。
作為優選，所述碳纖維為單絲直徑6-7μm，細度20-100目的碳纖維粉。碳纖維粉形狀細小、比表面積大，易于被基體潤濕從而能夠均勻分散于基體中，使材料具有良好的力學性能、耐熱性能以及導電性能。碳纖維粉細度太小，顆粒之間容易團聚，細度太大，分散性受限。
作為優選，步驟(2)中反應釜的壓力為10-40mpa，溫度為35-55℃。co2的臨界溫度為31℃，臨界壓力7.38mpa，當溫度和壓力均超過臨界值時的壓縮co2氣體則為超臨界co2，一般而言，溫度和壓力越高，超臨界co2的滲透能力越好，但是設備的承受能力有限，若溫度和壓力過大，會嚴重損害設備，進而影響整個工藝。
作為優選，步驟(2)中滲透時間為2-4h。超臨界co2滲透進入彈性體中是一個緩慢的過程，保壓滲透時間太短，超臨界co2還沒有完全滲入彈性體；保壓滲透時間太長，不利于節能，降低生產效率。
作為優選，步驟(2)中加熱發泡溫度為100-150℃，加熱發泡時間為1-10min。發泡的溫度取決于材料本身的特性，不同材料的發泡溫度會有所不同。若發泡處理的溫度過高，則會導致材料發泡過大而爆裂，溫度過低則發泡的倍率不夠。
進一步優選，步驟(2)中加熱發泡溫度為120-140℃，加熱發泡時間為5-8min。
發泡粒子進行蒸汽模壓成型的具體步驟為：先將模具進行預熱，使模具的表面溫度達到發泡材料的熔點；熱塑性彈性體發泡顆粒由料槍打入模具腔體內，然后通入高壓蒸汽，此時關閉一邊的冷凝水閥，打開蒸汽進汽閥。同時，使相對面的蒸汽進汽閥關閉，冷凝水閥打開，以使蒸汽從相反的方向噴出。在一定壓力下，各個顆粒表面相互熔融粘合制得制品。通蒸汽一定時間后，通冷卻水冷卻，冷卻一定時間后脫模并烘干定型。
蒸汽模壓成型使用的溫度、壓力、時間取決于材料的本身特性，不同的材料使用的成型條件有所不同。例如，對于聚氨酯彈性體材料，蒸汽模壓成型的溫度為100-200℃，壓力為0.1-0.8mpa，保壓時間為1-5min；對于聚烯烴彈性體材料，蒸汽模壓成型的溫度為160-250℃，壓力為0.5-1.5mpa，保壓時間為3-8min；對于苯乙烯類彈性體材料，蒸汽模壓成型的溫度為200-280℃，壓力為0.8-2mpa，保壓時間為3-10min。
碳纖維與熱塑性彈性體材料復合起到增強的效果，復合材料發泡后碳纖維隨顆粒發泡膨脹形成一定的空間取向，材料的力學性能進一步提高。發泡的過程是基于超臨界二氧化碳滲透，經純物理發泡制備，整個過程環保無污染，所制備的材料彈性大、密度小，由于添加了碳纖維，材料具備一定的導電能力。解決了傳統發泡材料力學性能差、功能單一的缺點，可廣泛應用于體育休閑、汽車、建筑、軌道交通等領域。
附圖說明
圖1為復合材料滲透發泡形成空間取向圖。
圖中，a為熱塑性彈性體/碳纖維復合材料，b為超臨界co2滲透復合材料，b為碳纖維發泡后形成的空間取向。
具體實施方式
下面通過具體實施例以及附圖對本發明的技術方案作進一步描述說明。如果無特殊說明，本發明的實施例中所采用的原料均為本領域常用的原料，實施例中所采用的方法，均為本領域的常規方法。
本發明復合材料滲透發泡形成空間取向如圖1所示，碳纖維均勻分散于熱塑性彈性體中，經超臨界二氧化碳滲透發泡后，碳纖維在基體匯總形成新的空間取向。
實施例1
在熱塑性聚氨酯彈性體合成時加入總重量8％的短切碳纖維進行混料合成造粒，制備出tpu/碳纖維復合材料，粒徑大小控制在3mm左右。將復合材料放入高壓反應釜中，通入二氧化碳并加壓，使壓強達到13mpa，溫度40℃，此時二氧化碳處于超臨界狀態，在此狀態下保壓滲透3h，快速泄壓后迅速放入加熱到100℃的發泡設備中，發泡10min得到tpu/碳纖維復合發泡顆粒。將復合發泡顆粒由料槍打入加熱至150℃的模具腔體內，然后通入高壓蒸汽，蒸汽壓力為0.3mpa，此時關閉一邊的冷凝水閥，打開蒸汽進汽閥，同時，使相對面的蒸汽進汽閥關閉，冷凝水閥打開，以使蒸汽從相反的方向噴出。通蒸汽2min后，通冷卻水冷卻100s，后脫模并烘干定型，得復合發泡材料。
實施例2
在熱塑性聚氨酯彈性體合成時加入總重量8％單絲直徑為6-7μm，細度為20-100目的碳纖維粉進行混料合成造粒，制備出tpu/碳纖維粉復合材料，粒徑大小控制在3mm左右。將復合材料放入高壓反應釜中，通入二氧化碳并加壓，使壓強達到13mpa，溫度40℃，此時二氧化碳處于超臨界狀態，在此狀態下保壓滲透3h，快速泄壓后迅速放入加熱到100℃的發泡設備中，發泡10min得到tpu/碳纖維粉復合發泡顆粒。將復合發泡顆粒由料槍打入加熱至150℃的模具腔體內，然后通入高壓蒸汽，蒸汽壓力為0.3mpa，此時關閉一邊的冷凝水閥，打開蒸汽進汽閥，同時，使相對面的蒸汽進汽閥關閉，冷凝水閥打開，以使蒸汽從相反的方向噴出。通蒸汽2min后，通冷卻水冷卻100s，后脫模并烘干定型，得復合發泡材料。
實施例3
在熱塑性聚氨酯彈性體合成時加入總重量10％單絲直徑為6-7μm，細度為20-100目的碳纖維粉進行混料合成造粒，制備出tpu/碳纖維粉復合材料，粒徑大小控制在3mm左右。將復合材料放入高壓反應釜中，通入二氧化碳并加壓，使壓強達到13mpa，溫度40℃，此時二氧化碳處于超臨界狀態，在此狀態下保壓滲透3h，快速泄壓后迅速放入加熱到100℃的發泡設備中，發泡10min得到tpu/碳纖維粉復合發泡顆粒。將復合發泡顆粒由料槍打入加熱至150℃的模具腔體內，然后通入高壓蒸汽，蒸汽壓力為0.3mpa，此時關閉一邊的冷凝水閥，打開蒸汽進汽閥，同時，使相對面的蒸汽進汽閥關閉，冷凝水閥打開，以使蒸汽從相反的方向噴出。通蒸汽2min后，通冷卻水冷卻100s，后脫模并烘干定型，得復合發泡材料。
實施例4
在熱塑性聚氨酯彈性體合成時加入總重量15％單絲直徑為6-7μm，細度為20-100目的碳纖維粉進行混料合成造粒，制備出tpu/碳纖維粉復合材料，粒徑大小控制在3mm左右。將復合材料放入高壓反應釜中，通入二氧化碳并加壓，使壓強達到13mpa，溫度40℃，此時二氧化碳處于超臨界狀態，在此狀態下保壓滲透3h，快速泄壓后迅速放入加熱到100℃的發泡設備中，發泡10min得到tpu/碳纖維粉復合發泡顆粒。將復合發泡顆粒由料槍打入加熱至150℃的模具腔體內，然后通入高壓蒸汽，蒸汽壓力為0.3mpa，此時關閉一邊的冷凝水閥，打開蒸汽進汽閥，同時，使相對面的蒸汽進汽閥關閉，冷凝水閥打開，以使蒸汽從相反的方向噴出。通蒸汽2min后，通冷卻水冷卻100s，后脫模并烘干定型，得復合發泡材料。
實施例5
在熱塑性聚氨酯彈性體合成時加入總重量20％單絲直徑為6-7μm，細度為20-100目的碳纖維粉進行混料合成造粒，制備出tpu/碳纖維粉復合材料，粒徑大小控制在3mm左右。將復合材料放入高壓反應釜中，通入二氧化碳并加壓，使壓強達到13mpa，溫度40℃，此時二氧化碳處于超臨界狀態，在此狀態下保壓滲透3h，快速泄壓后迅速放入加熱到100℃的發泡設備中，發泡10min得到tpu/碳纖維粉復合發泡顆粒。將復合發泡顆粒由料槍打入加熱至150℃的模具腔體內，然后通入高壓蒸汽，蒸汽壓力為0.3mpa，此時關閉一邊的冷凝水閥，打開蒸汽進汽閥，同時，使相對面的蒸汽進汽閥關閉，冷凝水閥打開，以使蒸汽從相反的方向噴出。通蒸汽2min后，通冷卻水冷卻100s，后脫模并烘干定型，得復合發泡材料。
實施例6
在熱塑性聚氨酯彈性體合成時加入總重量15％單絲直徑為6-7μm，細度為20-100目的碳纖維粉進行混料合成造粒，制備出tpu/碳纖維粉復合材料，粒徑大小控制在3mm左右。將復合材料放入高壓反應釜中，通入二氧化碳并加壓，使壓強達到13mpa，溫度40℃，此時二氧化碳處于超臨界狀態，在此狀態下保壓滲透3h，快速泄壓后迅速放入加熱到120℃的發泡設備中，發泡10min得到tpu/碳纖維粉復合發泡顆粒。將復合發泡顆粒由料槍打入加熱至150℃的模具腔體內，然后通入高壓蒸汽，蒸汽壓力為0.3mpa，此時關閉一邊的冷凝水閥，打開蒸汽進汽閥，同時，使相對面的蒸汽進汽閥關閉，冷凝水閥打開，以使蒸汽從相反的方向噴出。通蒸汽2min后，通冷卻水冷卻100s，后脫模并烘干定型，得復合發泡材料。
實施例7
在熱塑性聚氨酯彈性體合成時加入總重量15％單絲直徑為6-7μm，細度為20-100目的碳纖維粉進行混料合成造粒，制備出tpu/碳纖維粉復合材料，粒徑大小控制在3mm左右。將復合材料放入高壓反應釜中，通入二氧化碳并加壓，使壓強達到13mpa，溫度40℃，此時二氧化碳處于超臨界狀態，在此狀態下保壓滲透3h，快速泄壓后迅速放入加熱到100℃的發泡設備中，發泡8min得到tpu/碳纖維粉復合發泡顆粒。將復合發泡顆粒由料槍打入加熱至150℃的模具腔體內，然后通入高壓蒸汽，蒸汽壓力為0.3mpa，此時關閉一邊的冷凝水閥，打開蒸汽進汽閥，同時，使相對面的蒸汽進汽閥關閉，冷凝水閥打開，以使蒸汽從相反的方向噴出。通蒸汽2min后，通冷卻水冷卻100s，后脫模并烘干定型，得復合發泡材料。
實施例8
在熱塑性聚氨酯彈性體合成時加入總重量15％單絲直徑為6-7μm，細度為20-100目的碳纖維粉進行混料合成造粒，制備出tpu/碳纖維粉復合材料，粒徑大小控制在3mm左右。將復合材料放入高壓反應釜中，通入二氧化碳并加壓，使壓強達到13mpa，溫度40℃，此時二氧化碳處于超臨界狀態，在此狀態下保壓滲透3h，快速泄壓后迅速放入加熱到120℃的發泡設備中，發泡8min得到tpu/碳纖維粉復合發泡顆粒。將復合發泡顆粒由料槍打入加熱至150℃的模具腔體內，然后通入高壓蒸汽，蒸汽壓力為0.3mpa，此時關閉一邊的冷凝水閥，打開蒸汽進汽閥，同時，使相對面的蒸汽進汽閥關閉，冷凝水閥打開，以使蒸汽從相反的方向噴出。通蒸汽2min后，通冷卻水冷卻100s，后脫模并烘干定型，得復合發泡材料。
實施例9
在tpo彈性體合成時加入總重量15％的短切碳纖維進行混料合成造粒，制備出tpo/碳纖維復合材料，粒徑大小控制在4mm左右。將復合材料放入高壓反應釜中，通入二氧化碳并加壓，使壓強達到30mpa，溫度45℃，此時二氧化碳處于超臨界狀態，在此狀態下保壓滲透2.5h，快速泄壓后迅速放入加熱到150℃的發泡設備中，發泡5min得到tpo/碳纖維發泡材料。將發泡材料由料槍打入加熱至180℃的模具腔體內，然后通入高壓蒸汽，蒸汽壓力為0.7mpa，此時關閉一邊的冷凝水閥，打開蒸汽進汽閥，同時，使相對面的蒸汽進汽閥關閉，冷凝水閥打開，以使蒸汽從相反的方向噴出。通蒸汽4min后，通冷卻水冷卻130s，后脫模并烘干定型，得復合發泡材料。
實施例10
在poe彈性體合成時加入總重量10％單絲直徑為6-7μm，細度為20-100目的碳纖維粉進行混料合成造粒，制備出poe/碳纖維粉復合材料，粒徑大小控制在3mm左右。將復合材料放入高壓反應釜中，通入二氧化碳并加壓，使壓強達到25mpa，溫度40℃，此時二氧化碳處于超臨界狀態，在此狀態下保壓滲透2.5h，快速泄壓后迅速放入加熱到130℃的發泡設備中，發泡8min得到poe/石墨烯纖維復合發泡顆粒。將發泡材料由料槍打入加熱至190℃的模具腔體內，然后通入高壓蒸汽，蒸汽壓力為0.8mpa，此時關閉一邊的冷凝水閥，打開蒸汽進汽閥，同時，使相對面的蒸汽進汽閥關閉，冷凝水閥打開，以使蒸汽從相反的方向噴出。通蒸汽3min后，通冷卻水冷卻130s，后脫模并烘干定型，得復合發泡材料。
對比例1
將熱塑性聚氨酯彈性體和碳纖維粉混合造粒后，通入二氧化碳未達到超臨界狀態，其它步驟與實施例8相同，不在此贅述。
對比例2
對比例1與實施例8的區別在于，對比例1中的碳纖維粉用量為總重量的5％，其它與實施例8相同。
對比例3
對比例1與實施例8的區別在于，對比例1中的碳纖維粉用量為總重量的22％，其它與實施例8相同。
對比例4
對比例4與實施例8的區別在于，對比例4中發泡過程中加熱溫度為120℃，發泡時間為15min，其它與實施例8相同。
對實施例1-10以及對比例1-4的復合材料進行性能測試，測試結果見表1。
表1
另外，本發明要求保護的技術范圍中點值未窮盡之處以及在實施例技術方案中對單個或者多個技術特征的同等替換所形成的新的技術方案，同樣都在本發明要求保護的范圍內；同時本發明方案所有列舉或者未列舉的實施例中，在同一實施例中的各個參數僅僅表示其技術方案的一個實例(即一種可行性方案)。
本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。