CN100358708C - 自增强层间剪切强度树脂基纤维增强复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自增强层间剪切强度树脂基纤维增强复合材料的制备方法。该方法是液晶热固体树脂在基体树脂的重量百分含量为5～100%；按湿法或熔融法制备预浸料；或采用液相成型工艺成型复合材料，则不需制备预浸料；将预浸料铺层，按常规复合材料成型方法成型复合材料，在成型过程中同时施加磁场强度为2-20T的静磁场或可变脉冲磁场，使液晶热固体在设定方向取向，模压结束后，自然冷却至常温后，卸模；或再进行后处理，自然冷却至常温后，卸模即得自增强层间剪切强度树脂基复合材料。本发明同时具有基体自增强和提高复合材料层间剪切强度的特点，而且兼顾成本，使材料的性价比大幅度提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种自增强层间剪切强度树脂基纤维增强复合材料的制备方法。
背景技术
先进树脂基复合材料以其突出的轻质、高耐热、高比强、高比模的特点而在现代工业中扮演着不可或缺的重要角色，复合材料的研发水平已经被认为是评价一个国家综合实力的重要指标。材料更高的性能、更优良的工艺性、适当的成本是人们一直追求的目标。然而，一般，复合材料的层间剪切性能较低，对冲击是很敏感的，尤其是在遭受低速冲击的时候。而以碳纤维为代表的先进复合材料，这一问题更加突出，严重制约其在比现有工作环境更为苛刻的条件下的应用。
提高复合材料的层间剪切强度的方法较多，大致可从树脂基体、增强纤维、界面三个方面考虑，即通过提高聚合物的本体强度、纤维与基体之间的界面粘接强度、合理组织纤维增强体的构造(如二维、三维编织等)来获得高层间剪切强度的复合材料。这些方法都较为有效且得到了应用，但也存在一定的问题，如编织结构可以使现有的树脂体系发挥更大的潜力，无论从树脂体系还是方法本身，都有利于降低成本，但是，该法难以在复杂结构中加以运用。此外，编织结构不可避免地造成纤维的弯曲，从而降低复合材料的力学性能。再者，编织的成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自增强层间剪切强度树脂基纤维增强复合材料的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该方法的步骤如下：
1)基体树脂中液晶热固体树脂重量百分含量为5～100％，热固性树脂重量百分含量为95～0％；
2)按湿法或熔融法制备玻璃纤维或连续碳纤维预浸料；或采用液相成型工艺成型复合材料，则不需制备预浸料；
3)将预浸料铺层，放入模具中，按常规复合材料成型方法成型复合材料，在成型过程中同时施加磁场强度为2-20T的静磁场或可变脉冲磁场，使液晶热固体在设定方向取向，模压结束后，自然冷却至常温后，卸模，即得自增强层间剪切强度树脂基复合材料；或再进行后处理，自然冷却至常温后，卸模，即得自增强层间剪切强度先进树脂基复合材料。
所述的液晶热固体树脂为液晶环氧树脂、液晶双马来酰亚胺树脂、液晶丙烯酸酯树脂或液晶不饱和聚酯树脂中的一种及其任意组合。
所述的热固性树脂为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂、间苯二甲酸二烯丙基酯树脂、氰酸酯树脂或酚醛树脂中的一种及其任意组合。
所述的液相成型工艺是指树脂传递模塑和树脂熔渗工艺。
所述的常规复合材料成型方法是模压成型、层压成型、热压釜成型、真空袋压成型、接触压成型或长丝缠绕成型。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：本发明以含取向液晶热固体的树脂为基体，利用电磁场作用使液晶分子取向，通过分子取向有效阻碍银纹的发展从而提高材料的断裂强度，获得自增强材料。其次，有效降低热膨胀系数(CTE)，减少基体和树脂间因CTE相差太大引起的收缩应力差和界面应力差。第三，使介晶基元的取向方向与纤维的径向正交，形成“钉扎”作用使纤维和树脂基体之间的联系从原来简单的界面粘接(二维)变为具有空间效应的三维连接，从而大幅度提高制品的层间剪切强度，有效解决层压复合材料制品受冲击后易出现的层间开裂问题。
具体实施方式
实施例1：
1)23.66g对氨基苯磺酰胺于155-160℃投入到100g 4，4’-双(2，3-环氧丙氧基)-α-甲基二苯乙烯中，搅拌20min后，得到混合均匀的液晶环氧树脂；
2)在100-110℃将10g液晶环氧树脂加入到100g商品改性双马来酰亚胺树脂4501A中，搅拌均匀。再加入200ml丙酮，搅拌，得到树脂基体的丙酮溶液；
3)按常规湿法制备连续玻璃纤维预浸料，含胶量40％(重量百分比)；
4)将预浸料单向铺层，放入模具中，进行模压成型。采用静磁场，磁场方向平行于厚度方向，场强为9T。固化温度控制程序为150℃/4h+180℃/1h+200℃/4h；模压结束后，自然冷却至常温后，卸模；
5)在烘箱中进行后处理(220℃/6h)，自然冷却至常温后，卸模，即得自增强层间剪切强度树脂基复合材料。性能见表1。
实施例1的比较例
按实施例1法制备玻璃纤维复合材料，不同之处是基体组成仅为双马来酰亚胺树脂4501A树脂，无液晶组成，成型时无磁场。性能见表1。
实施例2
1)23.66g对氨基苯磺酰胺于155-160℃投入到100g 4，4’-双(2，3-环氧丙氧基)-α-甲基二苯乙烯中，搅拌20min后，得到混合均匀的液晶环氧树脂；
2)在100-110℃将10g液晶环氧树脂加入到100g商品改性双马来酰亚胺树脂4501A中，搅拌均匀。再加入200ml丙酮，搅拌，得到树脂基体的丙酮溶液；
3)按传统湿法制备连续碳纤维预浸料，含胶量40％；
4)将预浸料铺层，放入模具中，进行模压成型。采用可变脉冲磁场(磁场方向平行于厚度方向，场强从2-20T)，固化温度控制程序为150℃/4h+175℃/1h+200℃/4h；模压结束后，自然冷却至常温后，卸模；
5)在烘箱中进行后处理(220℃/6h)，自然冷却至常温后，卸模，即得自增强层间剪切强度树脂基复合材料。性能见表1。
实施例2的比较例
按实施例2法制备碳纤维复合材料，不同之处是基体组成仅为双马来酰亚胺树脂4501A树脂，无液晶组成，成型时无磁场。性能见表1。
实施例3：
1)23.66g对氨基苯磺酰胺于155-160℃投入到100g 4，4’-双(2，3-环氧丙氧基)-α-甲基二苯乙烯中，搅拌20min后，得到混合均匀的液晶环氧树脂；
2)在100-110℃将长度为3mm的23g短玻璃纤维放入液晶环氧树脂中，混合均匀，得到预浸料；
4)将预浸料铺放到模具中，进行模压成型。采用静磁场(磁场方向与厚度方向成45°，场强12T)，固化温度控制程序为150℃/4h+175℃/1h+200℃/4h；模压结束后，自然冷却至常温后，卸模，即得自增强层间剪切强度先进树脂基复合材料。性能见表1。
实施例4
1)23.66g对氨基苯磺酰胺于155-160℃投入到100g 4，4’-双(2，3-环氧丙氧基)-α-甲基二苯乙烯中，搅拌20min后，得到混合均匀的液晶环氧树脂；
2)在100-110℃将5g液晶环氧树脂加入到95g树脂传递模塑(或简称压铸、RTM)树脂-4503(由双马来酰亚胺和环氧树脂组成体系)中，搅拌均匀；
3)按玻璃纤维预成坯，放入模具中，常温树脂注射；
4)树脂注射完成后，进行固化。成型工艺为：静磁场(磁场方向平行于厚度方向，场强为12T)，固化程序150℃/2h+170℃/2h+200℃/2h进行固化；
5)RTM成型结束后，自然冷却至常温后，卸模；在烘箱中进行后处理(220℃/5h)，自然冷却至常温后，卸模，即得自增强层间剪切强度树脂基复合材料。性能见表1。
实施例5
1)23.66g对氨基苯磺酰胺于155-160℃投入到100g 4，4’-双(2，3-环氧丙氧基)-α-甲基二苯乙烯中，搅拌20min后，得到混合均匀的液晶环氧树脂；
2)在100-110℃将15g液晶环氧树脂加入到100g RTM(树脂传递模塑，或称压铸)树脂--双马来酰亚胺(4503)树脂体系中，搅拌均匀；
3)按玻璃纤维预成坯，放入模具中，常温树脂注射；
4)树脂注射完成后，进行固化。成型工艺为：静磁场(磁场方向与厚度方向成45°，场强为12T)，固化程序150℃/2h+170℃/2h+200℃/2h；
5)RTM成型结束后，自然冷却至常温后，卸模；在烘箱中进行后处理(220℃/5h)，自然冷却至常温后，卸模，即得自增强层间剪切强度树脂基复合材料。性能见表1。
实施例6
1)将DAIP与二甲基苯甲酰DCP(1％)混合，在110℃反应1h，冷却至室温、出料，得到DAIP预聚体。
2)100g DAIP预聚体、15g 4(3-甲基丙烯酰氧基-2-羟基丙氧基)苯甲酸4’-(3-甲基丙烯酰氧基-2-羟基丙氧基)苯酯液晶树脂混合均匀，加热至80℃，在搅拌的作用下使之透明，冷却至60℃，加入过氧化苯甲酰BPO(2％)，搅拌混合，得到树脂基体；
3)按传统湿法制备连续玻璃纤维预浸料，含胶量50％；
4)将预浸料单向铺层，放入模具中，进行真空袋压成型。采用静磁场，(磁场方向与厚度方向成45°，场强为9T，固化温度控制程序为60℃/2h+80℃/2h+100℃/2h+120℃/2h+140℃/2h+170℃/2h；
5)模压结束后，自然冷却至常温后，卸模，即得自增强层间剪切强度树脂基复合材料。性能见表1。
实施例6的比较例
按实施例6法制备复合材料，不同之处是基体组成仅为DAIP树脂，无液晶组成，成型时无磁场。性能见表1。
实施例7
1)将DAIP与DCP(1％)混合，在110℃反应1h，冷却至室温、出料，得到DAIP预聚体。
2)11.83g对氨基苯磺酰胺于155-160℃投入到50g 4，4’-双(2，3-环氧丙氧基)-α-甲基二苯乙烯中，搅拌20min后，得到混合均匀的液晶环氧树脂；
3)100g DAIP预聚体、15g 4(3-甲基丙烯酰氧基-2-羟基丙氧基)苯甲酸4’-(3-甲基丙烯酰氧基-2-羟基丙氧基)苯酯液晶树脂、10g液晶环氧树脂混合均匀，加热至80℃，在搅拌的作用下使之透明，冷却至60℃，加入过氧化苯甲酰BPO(1％)，搅拌混合，得到树脂基体；
4)按常规湿法制备连续玻璃纤维预浸料，含胶量50％；
5)将预浸料平面内正交铺层，放入模具中，进行热压釜成型。采用静磁场(磁场方向与厚度方向成30°，场强为9T，固化温度控制程序为60℃/2h+80℃/2h+100℃/2h+120℃/2h+140℃/2h+170℃/2h；
6)热压釜成型结束后，自然冷却至常温后，卸模，即得自增强层间剪切强度树脂基复合材料。性能见表1。
表1复合材料层间剪切强度和冲击韧性
| 层间剪切强度(MPa) | |
| 实施例1 | 48.0 |
| 实施例1的比较例 | 43.5 |
| 实施例2 | 42.3 |
| 实施例2的比较例 | 38.9 |
| 实施例3 | 46.2 |
| 实施例4 | 41.9 |
| 实施例5 | 47.6 |
| 实施例6 | 29.2 |
| 实施例6的比较例 | 25.4 |
| 实施例7 | 32.1 |
Claims (3)
1、自增强层间剪切强度树脂基纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于该方法的步骤如下：
1)基体树脂中液晶热固体树脂重量百分含量为5～100％，热固性树脂重量百分含量为95～0％；
2)按湿法或熔融法制备玻璃纤维或连续碳纤维预浸料；或采用液相成型工艺成型复合材料，则不需制备预浸料；
3)将预浸料铺层，放入模具中，按常规复合材料成型方法成型复合材料，在成型过程中同时施加磁场强度为2-20T的静磁场或可变脉冲磁场，使液晶热固体在设定方向取向，模压结束后，自然冷却至常温后，卸模，即得自增强层间剪切强度树脂基复合材料；或再进行后处理，自然冷却至常温后，卸模，即得自增强层间剪切强度先进树脂基复合材料；
所述的液相成型工艺是指树脂传递模塑和树脂熔渗工艺；
所述的常规复合材料成型方法是模压成型、层压成型、热压釜成型、真空袋压成型、接触压成型或长丝缠绕成型。
2、根据权利要求1所述的自增强层间剪切强度树脂基纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于：所述的液晶热固体树脂为液晶环氧树脂、液晶双马来酰亚胺树脂、液晶丙烯酸酯树脂或液晶不饱和聚酯树脂中的一种及其任意组合。
3、根据权利要求1所述的自增强层间剪切强度树脂基纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于：所述的热固性树脂为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂、间苯二甲酸二烯丙基酯树脂、氰酸酯树脂或酚醛树脂中的一种及其任意组合。
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