CN100366676C - 增强体定向排列的复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种增强体定向排列的复合材料及其制备方法，其特点是包括有具有磁场响应性的填料增强体和树脂及助剂，其中填料增强体的用量为总重量的0.5%-80%，树脂及助剂的用量为总重量的20%-99.5%。其制备方法为先将填料增强体添加于液态树脂中，并加入助剂使之混合搅拌均匀，使其形成稳定的均匀分散体系；再施加外界磁场，利用增强体在磁场作用下的取向特点来形成具有定向性的增强体排列结构；随着树脂体系的固化，增强体的定向结构被冻结在固化的树脂中，从而制得增强体定向排列的复合材料。本发明通过设计不同的磁场装置和磁力线走向，选择不同响应度的增强体材料，可以根据人为意愿分别设计并制造具有新型结构的功能复合材料，具有极大的设计自由度。

Description

增强体定向排列的复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料及其制备方法，特别是涉及一种增强体定向排列的复合材料及其制备方法，属于功能复合材料及制品技术领域。

背景技术

复合材料以其轻质高强的特点在工业建筑、军工、交通运输、化工防腐等领域得到广泛的应用。以传统玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢)领域为例，其是以不饱和聚酯树脂为基体，玻璃纤维或碳酸钙为增强材料，两者固化成型为复合材料。通常复合材料的特性根据增强材料的类型和成型方式有很大的不同。采用玻璃布作为增强材料，其复合材料在与玻璃布方向上具有很大的拉伸强度。若采用粉状轻质碳酸钙，则复合材料在力学性能方面是各向同性的。从目前的技术来看，材料的各向异性很大程度上受到纤维制品形状的限制，而根据实际需要，制备局部纤维定向排列的复合材料还很难实现。

随着社会的发展，对材料提出了更高的要求，不仅具有轻质高强的特性，还要求具有更多的功能特性。譬如在化工厂需要更多的抗静电的复合材料外壳、通讯领域需要材料还具有更高效的抗电磁屏蔽功能，电子工业希望高分子复合材料具有较高的导电特性。近年来以铁粉、石墨、导电炭黑、镍粉等为导电填料的复合材料应运而生，大都是利用导电填料的大规模填充，当含量超过一定的临界值(渗流阈值)时，导电填料之间形成导电通路而使复合材料形成半导体或导体。但普遍存在填料含量高、体系粘度大、施工困难等问题。

从导电通路的角度出发，可以预见若粉状填料能实现定向的搭接、形成优化的导电通路，必然可以在保证电学性能的基础上，来最大限度地降低导电填料的含量，对于体系粘度调节、方便施工、降低成本等具有显著的经济效益。尤其是对于局部定向排列的异性复合材料的制备，更是具有显著的优越性。

电磁应用技术在冶金行业得到广泛的应用，如电磁搅拌、电磁感应加热、电磁铸造等，使得定向凝固过程中出现晶粒取向、组织分布、凝固组织形态、化学反应速度发生显著变化，例如，强磁场使具有磁各向异性的晶体在形核长大过程中形成强制的磁优先生长方向，从而制得具有各种性能的优质合金。近年来，聚合物液晶在磁场、电场作用下的发生分子链沿外场方向的平行取向以及构象的相转变；在强磁场作用下，利用碳中间相(向列型液晶)对磁场的响应性，使其片层方向与磁场方向平行，同时与碳纤维布垂直，从而制备取向的C/C复合材料。

以上技术方案中给出的制备方法均绝大多数应用于金属合金或聚合物中晶粒的形成和演化，对于聚合物基复合材料中增强体的定向制备技术尚未涉及。从复合材料制备技术上来看，功能复合材料的制造技术还停留在粉末等增强体的简单填充与混合，存在填充量大、成本高、结构各向异性可控制性差等缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，通过研究探索，提出了一种增强体在磁场作用下定向排列的树脂基复合材料及其制备方法，该制备方法具有工艺简单、成型方便的特点，通过设计不同的磁场装置和磁力线走向，选择不同响应度的增强体材料，可以根据人为意愿分别设计并制造具有新型结构的功能复合材料，具有极大的设计自由度。

本发明给出的技术方案是：这种增强体定向排列的复合材料及其制备方法，该复合材料包括有具有磁场响应性的填料增强体和树脂及助剂，其中具有磁场响应性的填料增强体的用量为该复合材料总重量的0.5％-80％，树脂及助剂的用量为该复合材料总重量的20％-99.5％，其特点是所述的增强体定向排列的复合材料是由以下步骤制备而成：

(1).先将具有磁场响应性的填料增强体添加于液态树脂中，并加入助剂使之混合搅拌均匀，使其形成稳定的均匀分散体系，其中具有磁场响应性的填料增强体的用量为总质量的0.5％-80％，树脂及助剂的用量为总重量的20％-99.5％；

(2).再施加外界磁场，利用增强体在磁场作用下的取向特点来形成具有定向性的增强体排列结构，其中磁场强度为0.1-10T；

(3).随着树脂体系的固化，增强体的定向结构被冻结在固化的树脂中，从而制得一种增强体定向排列的复合材料。

本发明中所提及的具有磁场响应性的填料增强体为铁粉、石墨粉、炭黑、纳米碳管、磁粉及以上材料的连续或短切纤维体等，其具有对磁场响应的特性，可以在磁力线作用下发生定向排列，其用量为总重量的0.5％-80％。

本发明中所提及的液态树脂，通常指热固性树脂和热塑性树脂两种，热固性树脂通常指不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及其改型树脂等；热塑性树脂指处于各种熔融状态或溶液状态的热塑性树脂，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、有机玻璃及各种热塑性树脂等；以上树脂体系的共同特点在于初始状态可以为液体，以便于增强体的混合和磁场定向，当其冷却、固化、溶剂挥发等能形成具有一定形状和力学性能的固体材料，以使得形成的定向结构被冻结，形成定向排列的复合材料。树脂及助剂的用量为总重量的20％-99.5％。

本发明中所提及的助剂，通常指树脂固化成型过程中所需的添加剂。对于热固性树脂而言，通常指固化剂或促进剂；不同的树脂需要不同的固化体系配方，不饱和聚酯树脂的助剂通常为过氧化甲乙酮一苯乙烯溶液和环烷酸钴的苯乙烯溶液或过氧化苯甲酰等，环氧树脂的助剂通常为有机胺、酸酐、酰胺树脂等固化剂。对于热塑性树脂而言，助剂通常指调节加工粘度和流变性的相关助剂，如邻苯二甲酸二辛酯等增塑剂等。助剂的用量根据树脂的类型和固化成型加工的条件有所变化。

本发明中所提及的外加磁场，通常指稳定磁场、交变磁场或脉冲磁场，可以产生有规则的磁力线，驱使增强体的定向有规则排列。磁场强度为0.1-10T。

与现有技术相比，本发明的有益效果是

1.本发明工艺简单，成型方便，设计不同的磁场装置和磁力线走向，选择不同响应度的增强体材料，可以根据人为意愿分别设计并制造具有新型结构的功能复合材料，具有极大的设计自由度；

2.由于其具有各向结构异性的特性，在电学性能方面，由于导电填料的定向排布，可以在极低的添加量时，具有很好的导电特性；在力学性能方面，由于增强体的定向排列，可以在承受载荷的方向上形成取向结构，与各向同性的填充复合材料相比，其具有更高的力学强度；在磁学性能方面，磁性颗粒的定向排布，可以有意识地形成对电磁场的优化屏蔽效果。此外在其它导热性能方面，其与传统材料相比具有显著的优越性；

3.该制备技术制得的功能复合材料，可以在航空航天、交通运输、电子工业、民用设施、建筑及化工等方面具有广泛的应用。

具体实施方式

实施例1：

称取不饱和聚酯树脂30克(占总重量的48.4％)，固化剂环烷酸钴苯乙烯溶液0.9克，促进剂过氧化甲乙酮苯乙烯溶液0.1克，加入铁粉31克(占总重量的50％)，混合均匀后倒入容器中，将其放置在磁场强度为0.6T的磁场中，铁粉在未固化的不饱和聚酯树脂中沿磁力线发生定向排列，静置10分钟后，树脂发生室温交联固化，将定向排列的铁粉固定于坚硬的树脂基体中，制得定向排列的复合材料。此定向复合材料的电阻率为4.5×10³□.cm，形成了半导体材料，而未填充的不饱和聚酯树脂的电阻率高达3.9×10¹³□.cm。此外增强体在重量百分比为0.5-80％时，都可以形成定向复合材料，填料含量不同，其对外界磁场的响应程度不同，因而定向程度有明显的不同；此外磁场变化也会影响增强体的取向程度。

实施例2：

称取不饱和聚酯树脂30克(占总重量的96.3％)，固化剂环烷酸钴苯乙烯溶液0.9克，促进剂过氧化甲乙酮苯乙烯溶液0.1克，加入未提纯的纳米碳管0.16克(占总重量的0.5％)，混合均匀后倒入容器中，将其放置在磁场强度为0.4T的磁场中，纳米碳管在未固化的不饱和聚酯树脂中沿磁力线发生定向排列，静置10分钟后，树脂发生室温交联固化，将定向排列的纳米碳管固定于坚硬的树脂基体中，制得定向排列的聚合物复合材料。其电阻率仅为6.3×10⁶□.cm，可见在磁场作用下，很容易形成导电网络，具有很低的渗流阈值，添加量仅为总重量的0.05％。

实施例3：

称取环氧树脂30克(占总重量的90％)，选用室温固化体系成型，固化剂乙二胺1.8克，搅拌均匀后，加入铁粉1.66克(占总重量的5％)，混合均匀后倒入容器中，将其放置在磁场强度为1T的磁场中，铁粉在未固化的环氧树脂中中沿磁力线发生定向排列，静置10分钟后，树脂发生室温交联固化，将定向排列的铁粉固定于坚硬的树脂基体中，制得定向排列的聚合物复合材料。其电阻率为1.5×10⁵□.cm。与实施例1相比，本实施例选用黏度较大的环氧树脂，体系黏度对于增强体铁粉的团聚和排列有明显的影响，黏度越大，团聚铁粉线越细，这是由于黏度影响了铁粉的定向运动、运动阻力增加、越不容易团聚造成的，同时形成的铁粉线越短。

Claims (5)

1.一种增强体定向排列的复合材料，该复合材料包括具有磁场响应性的填料增强体和树脂及助剂，其中所述的具有磁场响应性的填料增强体的用量为该复合材料总重量的0.5％-80％，所述的树脂及助剂的用量为该复合材料总重量的20％-99.5％，其特征在于所述的增强体定向排列的复合材料是由以下步骤制备而成：

(1).先将具有磁场响应性的填料增强体添加于液态树脂中，并加入助剂使之混合搅拌均匀，使其形成稳定的均匀分散体系，其中具有磁场响应性的填料增强体的用量为该复合材料总重量的0.5％-80％，树脂及助剂的用量为该复合材料总重量的20％-99.5％；

(2).再施加外界磁场，利用增强体在磁场作用下的取向特点来形成具有定向性的增强体排列结构，其中磁场强度为0.1-10T；

(3).随着树脂体系的固化，增强体的定向结构被冻结在固化的树脂中，从而制得一种增强体定向排列的复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种增强体定向排列的复合材料，其特征在于所述的具有磁场响应性的填料增强体至少为铁粉、石墨粉、炭黑、纳米碳管、磁粉及以上材料的连续或短切纤维体中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种增强体定向排列的复合材料，其特征在于所述的树脂为热固性树脂，所述的助剂为树脂固化加工成型过程中所需的固化剂或促进剂。

4.根据权利要求1所述的一种增强体定向排列的复合材料，其特征在于所述的树脂为热塑性树脂，所述的助剂为树脂固化加工成型过程中所需的调节加工粘度和流变性的添加剂。

5.根据权利要求1所述的一种增强体定向排列的复合材料，其特征在于所提及的外加磁场为可以产生有规则的磁力线、驱使增强体的定向有规则排列的稳定磁场、交变磁场、脉冲磁场中的一种。