CN101585966A - 三维正交机织物增强pmr型聚酰亚胺复合材料的生产方法 - Google Patents

三维正交机织物增强pmr型聚酰亚胺复合材料的生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种三维正交机织物增强PMR型聚酰亚胺复合材料的生产方法,其特征在于,具体步骤为:第一步:制成三维正交机织物预制件;第二步:将芳香族四酸二酐与低级醇混合,生成芳香族二酐二酯溶液;将反应性端基剂与低级醇混合,生成羧酸单酯溶液;在氮气保护下将芳香族二胺与低级醇混合,加入上述芳香族二酐二酯溶液和羧酸单酯溶液,搅拌,旋转蒸发得到树脂基体预聚物溶液;第三步:将第一步得到的三维正交机织物预制件浸入第二步得到的树脂基体预聚物溶液中,梯度加热;第四步:热压。三维正交机织物增强的聚酰亚胺耐高温复合材料结构完整性好,抗冲击性强,不易分层,可用于航空、航天、精密机械等领域,作为轻质耐高温部件的结构材料。

Description

三维正交机织物增强PMR型聚酰亚胺复合材料的生产方法
技术领域
本发明涉及一种三维正交机织物增强PMR型聚酰亚胺复合材料的生产方法,属于聚酰亚胺复合材料技术领域。
背景技术
纤维增强聚合物基复合材料比强度与比模量高,抗疲劳性好,是一种在现代航空航天领域中应用较为广泛的重要材料,其中,纺织结构预制件增强的聚合物基复合材料在其中占有一定的比重。传统的纤维增强聚合物基复合材料沿厚度方向的性能很差,易分层、抗冲击性差、损伤容限低。三维正交机织物预制件引入了沿厚度方向的纤维,使得沿厚度方向的性能得到了大幅提高,克服了传统的纤维增强聚合物基复合材料容易分层的弊端。
飞行器的速度越高,对作为飞行器结构材料的复合材料在比强度与比模量方面的要求也越高,且飞行器设计时速的不断提高,对制备复合材料的树脂基体的耐热性能也不断提出更高的要求。聚酰亚胺具有优异的耐热性能,比重小,尺寸稳定性好,是航空航天用复合材料树脂基体的理想选择。
聚酰亚胺是分子主链中含有酰亚胺环状结构的环链高聚物,是半梯形结构的杂环化合物。聚酰亚胺具有突出的耐热性、优良的机械性能、电学性能及稳定性能等,其各类制品如模塑料、复合材料、粘合剂、分离膜等已广泛应用于航天航空、空间工程、电子工业、光波通讯、防弹材料以及气体分离等诸多领域。
作为具有突出综合性能的耐高温聚合物,聚酰亚胺已成为一种公认的最具发展潜力的聚合物材料。虽然20世纪60年代最早开发的热塑性聚酰亚胺具有优异的性能,但其发展速度受到了加工成型困难和制造成本高这两大弊端的限制。
虽然许多芳香结构的聚合物都具有较好的热稳定性,但作为结构材料,耐热性设计的依据是材料的玻璃化温度,由于聚酰亚胺玻璃化温度较高,且具有结构的多样性和合成途径上的多样性,所以航空航天上适用的耐高温聚合物基复合材料,大量研究集中在以聚酰亚胺为基体树脂的先进复合材料上。但早期研究的一些聚酰亚胺聚合物,大部分不适合作为基体树脂制造连续纤维增强的树脂基复合材料。
Lubowitz在其1970年的工作中提到了PMR(Polymerization of Monomer Reactants)这一概念,即单体反应物的聚合。1972年,美国NASA Lewis研究中心的T.T.Serafini等人发展了PMR方法,由5-降冰片烯-2,3-二甲酸的单甲酯(NE)、4,4’-二苯氨基甲烷(MDA)和二苯甲酮四甲酸的二甲酯(BTDE)在低级醇中混合,得到一种PMR型聚酰亚胺的预聚物溶液。所制得的溶液具有高浓度和低黏度的特点,可直接用来浸渍纤维或织物,聚合和交联反应在加工过程中实现,得到具有优异耐热性能和高机械性能的先进复合材料。此方法中使用低级醇作为溶剂,沸点较低,在加工过程中易于去除,降低了复合材料制品的孔隙率。溶剂去除后,所得固体混合物的熔体黏度很低,容易浸润纤维表面,可在低压力下进行加工。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简单、成本低廉的三维正交机织物增强PMR型聚酰亚胺复合材料的生产方法。
为了达到上述目的,本发明的技术方案是提供一种三维正交机织物增强PMR型聚酰亚胺复合材料的生产方法,其特征在于,具体步骤为:
第一步:将纤维在三维正交织机上制成三维正交机织物预制件;
第二步:将芳香族四酸二酐20-120重量份与低级醇60-200重量份混合,在65-117℃加热回流3-6个小时,生成芳香族二酐二酯溶液;将反应性端基剂15-100重量份与低级醇40-150重量份混合,在65-117℃加热回流2-4个小时,生成羧酸单酯溶液;在氮气保护下将芳香族二胺30-150重量份与低级醇40-200重量份混合,加入上述芳香族二酐二酯溶液和羧酸单酯溶液,在5-35℃以转速100R/Min-400R/Min搅拌6-15小时,旋转蒸发至固含量为40-70wt%,得到树脂基体预聚物溶液;
第三步:将第一步得到的三维正交机织物预制件浸入第二步得到的树脂基体预聚物溶液中,每隔10-30分钟抽真空至真空度为0.01-0.04MPa并保持10-30Min然后恢复至常压,重复抽真空3-5次后,从室温开始升温至低级醇溶剂沸点之上,升温速率1℃/Min,每升高10℃,保温一小时;再以2℃/Min的速率升温,至140℃保温2小时,然后继续以2℃/min的速率升温,至200℃保温4小时;
第四步:在温度为220-370℃、压力为2-30MPa的条件下热压得到三维正交机织物增强PMR型聚酰亚胺复合材料。
所述第一步中用于制作三维正交机织物预制件的纤维优选为玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、碳化硅纤维和聚酰亚胺纤维中的一种或至少两种的混合物。
所述第一步中制得的三维正交机织物预制件的经向纤维的体积分数20-23%,纬向纤维的体积分数为26-29%,厚度方向纤维的体积分数为2-6%。
所述的芳香族四酸二酐优选为3,3’,4,4’-二苯甲酮四酸二酐、3,3’,4,4’-二苯醚四酸二酐和4,4’-六氟异丙基双邻苯二甲酸酐中的一种或至少两种的混合物。
所述的反应性端基剂优选为降冰片烯二酸酐。
所述的芳香族二胺优选为4,4’-二苯氨基甲烷和3,4’-二氨基二苯醚中的一种或两种的混合物。
所述的低级醇优选为无水甲醇、无水乙醇、异丙醇和正丁醇中的一种或至少两种的混合物。
本发明的优点是操作简单、成本低廉,所得产品结构完整性好,抗冲击性强,不易分层,可用于航空、航天、精密机械等领域,作为轻质耐高温部件的结构材料。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
将玄武岩纤维在三维正交织机上织造三维正交机织物预制件,三维正交机织物预制件的经向纤维的体积分数20%,纬向纤维的体积分数为26%,厚度方向纤维的体积分数为2%。参照热压模具的尺寸,裁取相应尺寸的三维正交机织物。将3,3’,4,4’-二苯甲酮四酸二酐(BTDA)20重量份与无水乙醇60重量份混合,在78℃加热回流3小时得到3,3’,4,4’-二苯酮四酸二乙酯(BTDE)。将封端剂降冰片烯二酸酐(NA)15重量份在40重量份无水乙醇中78℃加热回流2小时得到相应的5-降冰片烯-2,3-二羧酸单乙酯(NE)。在氮气保护下将30重量份4,4’-二苯氨基甲烷(MDA)溶解于40重量份无水乙醇中。将以上三种单体的无水乙醇溶液在氮气保护下,5℃以转速100R/Min搅拌6小时,得到橙红色或棕红色溶液,将制得的溶液在50℃旋转蒸发除去大部分无水乙醇溶剂,使其固含量为40wt%。
三维正交机织物的预制件用固含量为40wt%的树脂基体的预聚物溶液浸胶。将预制件置于尺寸匹配的胶槽中,用树脂基体的预聚物溶液浸没,放进真空烘箱,抽真空以排出预制件中气泡,在真空度为0.01MPa的条件下保持30Min,然后恢复至常压状态;30分钟后,再次抽真空,在真空度为0.01MPa的条件下保持30Min,然后再恢复至常压状态,如此反复3次,辅助浸胶。浸胶后的预制件,从室温开始升温至无水乙醇沸点之上,升温速率1℃/Min,每升高10℃,保温一小时,去除剩余的部分无水乙醇溶剂;再以2℃/Min的速率升温,至140℃保温2小时,然后继续以2℃/min的速率升温,至200℃保温4小时,基本完成聚酰亚胺预聚物的酰胺化反应和酰亚胺化反应,并在此过程中,脱去小分子。
将酰亚胺化后的预制件置于模具中,在平板硫化机上热压,压力为30MPa,以2℃/Min的速率从220℃升温至260℃,保温1小时,然后以3℃/Min的速率从260℃升温至固化交联温度370℃,保温3小时,完成复合材料板的制作加工。
实施例2
在三维正交织机上织造碳纤维纤维三维正交机织物预制件,三维正交机织物预制件的经向纤维的体积分数23%,纬向纤维的体积分数为29%,厚度方向纤维的体积分数为6%。参照热压模具的尺寸,裁取相应尺寸的三维正交机织物。将3,3’,4,4’-二苯甲酮四酸二酐(BTDA)120重量份在200重量份无水乙醇中78℃加热回流6小时得到3,3’,4,4’-二苯酮四酸二乙酯(BTDE)。将封端剂降冰片烯二酸酐(NA)100重量份在150重量份无水乙醇中78℃加热回流2-4小时得到相应的5-降冰片烯-2,3-二羧酸单乙酯(NE)。在氮气保护下将150重量份4,4’-二苯氨基甲烷(MDA)溶解于200重量份无水乙醇中。将以上三种单体的无水乙醇溶液在氮气保护下,35℃以转速400R/Min搅拌15小时,得到橙红色或棕红色溶液。将制得的溶液在(50)℃旋转蒸发除去大部分无水乙醇溶剂,使其固含量为70wt%。
三维正交机织物的预制件用固含量为70wt%的树脂基体的预聚物溶液浸胶。将预制件置于尺寸匹配的胶槽中,用树脂基体的预聚物溶液浸没,放进真空烘箱,抽真空以排出预制件中气泡,在真空度为0.04MPa的条件下保持10Min,然后恢复至常压状态;10分钟后,再次抽真空,在真空度为0.04MPa的条件下保持10Min,然后再恢复至常压状态,如此反复5次,辅助浸胶。浸胶后的预制件,从室温开始升温至无水乙醇沸点之上,升温速率1℃/Min,每升高10℃,保温一小时,去除剩余的部分无水乙醇溶剂;再以2℃/Min的速率升温,至140℃保温2小时,然后继续以2℃/min的速率升温,至200℃保温4小时,基本完成聚酰亚胺预聚物的酰胺化反应和酰亚胺化反应,并在此过程中,脱去小分子。
将酰亚胺化后的预制件置于模具中,在平板硫化机上热压,压力为2MPa,以2℃/Min的速率从220℃升温至260℃,保温1小时,然后以3℃/Min的速率从260℃升温至固化交联温度370℃,保温3小时,完成复合材料板的制作加工。
实施例3
在三维正交织机上织造玻璃纤维三维正交机织物预制件,三维正交机织物预制件的经向纤维的体积分数22%,纬向纤维的体积分数为28%,厚度方向纤维的体积分数为4%。参照热压模具的尺寸,裁取相应尺寸的三维正交机织物。将3,3’,4,4’-二苯甲酮四酸二酐(BTDA)80重量份在190重量份无水乙醇中78℃加热回流4.5小时得到3,3’,4,4’-二苯酮四酸二乙酯(BTDE)。将封端剂降冰片烯二酸酐(NA)39重量份在100重量份无水乙醇中78℃加热回流3小时得到5-降冰片烯-2,3-二羧酸单乙酯(NE)。在氮气保护下将73重量份4,4’-二苯氨基甲烷(MDA)溶解于90重量份无水乙醇中。将以上三种单体的无水乙醇溶液在氮气保护下,20℃以转速200R/Min搅拌10小时,得到橙红色或棕红色溶液。将制得的溶液在50℃旋转蒸发除去大部分无水乙醇溶剂,使其固含量为60wt%。
三维正交机织物的预制件用固含量为60wt%的树脂基体的预聚物溶液浸胶。将预制件用真空袋法抽真空以排出预制件中气泡,在真空度为0.01MPa的条件下保持30Min,然后恢复至常压状态;30分钟后,再次抽真空,在真空度为0.01MPa的条件下保持30Min,然后再恢复至常压状态,如此反复3次,辅助浸胶。浸胶后的预制件,从室温开始升温至无水乙醇沸点之上,升温速率1℃/Min,每升高10℃,保温一小时,去除剩余的部分无水乙醇溶剂;再以2℃/Min的速率升温,至140℃保温2小时,然后继续以2℃/min的速率升温,至200℃保温4小时,基本完成聚酰亚胺预聚物的酰胺化反应和酰亚胺化反应,并在此过程中,脱去小分子。
将酰亚胺化后的预制件置于模具中,在平板硫化机上热压,压力为30MPa,以2℃/Min的速率从220℃升温至260℃,保温1小时,然后以3℃/Min的速率从260℃升温至固化交联温度370℃,保温3小时,完成复合材料板的制作加工。
实施例4
在三维正交织机上织造碳化硅纤维三维正交机织物预制件,三维正交机织物预制件的经向纤维的体积分数22%,纬向纤维的体积分数为28%,厚度方向纤维的体积分数为4%。参照热压模具的尺寸,裁取相应尺寸的三维正交机织物。将3,3’,4,4’-二苯醚四酸二酐(ODPA)150重量份在320重量份丙醇中97℃加热回流5小时得到相应的二苯醚四酸二丙酯(ODPE)。将封端剂降冰片烯二酸酐(NA)35重量份在100重量份丙醇中97℃加热回流2-4小时得到相应的5-降冰片烯-2,3-二羧酸单丙酯(NE)。在氮气保护下将120重量份4,4’-二苯氨基甲烷(MDA)溶解于150重量份丙醇中。将以上三种单体的丙醇溶液在氮气保护下,30℃以转速200R/min搅拌5小时,得到橙红色或棕红色溶液。将制得的溶液在65℃旋转蒸发除去大部分丙醇溶剂,使其固含量为55wt%。
三维正交机织物的预制件用固含量为55wt%的树脂基体的预聚物溶液浸胶。将预制件置于尺寸匹配的胶槽中,用树脂基体的预聚物溶液浸没,放进真空烘箱,抽真空以排出预制件中气泡,在真空度为0.01MPa的条件下保持30Min,然后恢复至常压状态;30分钟后,再次抽真空,在真空度为0.01MPa的条件下保持30Min,然后再恢复至常压状态,如此反复3次,辅助浸胶。浸胶后的预制件,从室温开始升温至丙醇沸点之上,升温速率1℃/Min,每升高10℃,保温一小时,去除剩余的部分丙醇溶剂;再以2℃/Min的速率升温,至140℃保温2小时,然后继续以2℃/min的速率升温,至200℃保温4小时,基本完成聚酰亚胺预聚物的酰胺化反应和酰亚胺化反应,并在此过程中,脱去小分子。
将酰亚胺化后的预制件置于模具中,在平板硫化机上热压,压力为30MPa,以2℃/Min的速率从220℃升温至260℃,保温1小时,然后以3℃/Min的速率从260℃升温至固化交联温度370℃,保温3小时,完成复合材料板的制作加工。
实施例5
在三维正交织机上织造聚酰亚胺纤维三维正交机织物预制件,三维正交机织物预制件的经向纤维的体积分数22%,纬向纤维的体积分数为28%,厚度方向纤维的体积分数为4%。参照热压模具的尺寸,裁取相应尺寸的三维正交机织物。将3,3’,4,4’-二苯醚四酸二酐(ODPA)80重量份在190重量份正丁醇中118℃加热回流3小时得到二苯醚四酸二丁酯(ODPE)。将封端剂降冰片烯二酸酐(NA)39重量份在100重量份正丁醇中118℃加热回流3小时得到5-降冰片烯-2,3-二羧酸单丁酯(NE)。在氮气保护下将73重量份3,4’-二氨基二苯醚(3,4’-ODA)溶解于80重量份正丁醇中。将以上三种单体的正丁醇溶液在氮气保护下,20℃以转速200R/min搅拌11小时,得到橙红色或棕红色溶液。将制得的溶液在70℃旋转蒸发除去大部分正丁醇溶剂,使其固含量为50wt%。
三维正交机织物的预制件用固含量为50wt%的树脂基体的预聚物溶液浸胶。将预制件置于尺寸匹配的胶槽中,用树脂基体的预聚物溶液浸没,放进真空烘箱,抽真空以排出预制件中气泡,在真空度为0.01MPa的条件下保持30Min,然后恢复至常压状态;30分钟后,再次抽真空,在真空度为0.01MPa的条件下保持30Min,然后再恢复至常压状态,如此反复3次,辅助浸胶。浸胶后的预制件,从室温开始升温至正丁醇沸点之上,升温速率1℃/Min,每升高10℃,保温一小时,去除剩余的部分正丁醇溶剂;再以2℃/Min的速率升温,至140℃保温2小时,然后继续以2℃/min的速率升温,至200℃保温4小时,基本完成聚酰亚胺预聚物的酰胺化反应和酰亚胺化反应,并在此过程中,脱去小分子。
将酰亚胺化后的预制件置于模具中,在平板硫化机上热压,压力为30MPa,以2℃/Min的速率从220℃升温至260℃,保温1小时,然后以3℃/Min的速率从260℃升温至固化交联温度370℃,保温3小时,完成复合材料板的制作加工。
实施例6
在三维正交织机上织造碳纤维三维正交机织物预制件,三维正交机织物预制件的经向纤维的体积分数22%,纬向纤维的体积分数为28%,厚度方向纤维的体积分数为4%。参照热压模具的尺寸,裁取相应尺寸的三维正交机织物。将4,4’-六氟异丙基双邻苯二甲酸酐(6FDA)90重量份在180重量份无水甲醇中65℃加热回流5小时得到4,4’-六氟异丙基双邻苯二甲酸二甲酯(6FDE)。将封端剂降冰片烯二酸酐(NA)16重量份在60重量份无水甲醇中65℃加热回流3小时得到相应的5-降冰片烯-2,3-二羧酸单甲酯(NE)。在氮气保护下将64重量份对苯二胺(PPDA)溶解于70重量份无水甲醇中。将以上三种单体的无水甲醇溶液在氮气保护下,25℃以转速200R/min搅拌12小时,得到橙红色或棕红色溶液。将制得的溶液在45℃旋转蒸发除去大部分无水甲醇溶剂,使其固含量为50wt%。
三维正交机织物的预制件用固含量为50wt%的树脂基体的预聚物溶液浸胶。将预制件置于尺寸匹配的胶槽中,用预聚物溶液浸没,放进真空烘箱,抽真空以排出预制件中气泡,在真空度为0.01MPa的条件下保持30Min,然后恢复至常压状态;30分钟后,再次抽真空,在真空度为0.01MPa的条件下保持30Min,然后再恢复至常压状态,如此反复3次,辅助浸胶。浸胶后的预制件,从室温开始升温至无水甲醇沸点之上,升温速率1℃/Min,每升高10℃,保温一小时,去除剩余的部分无水甲醇溶剂;再以2℃/Min的速率升温,至140℃保温2小时,然后继续以2℃/min的速率升温,至200℃保温4小时,基本完成聚酰亚胺预聚物的酰胺化反应和酰亚胺化反应,并在此过程中,脱去小分子。
将酰亚胺化后的预制件置于模具中,在平板硫化机上热压,压力为30MPa,以2℃/Min的速率从220℃升温至260℃,保温1小时,然后以3℃/Min的速率从260℃升温至固化交联温度370℃,保温3小时,完成复合材料板的制作加工。
本发明所提供的加工成型方法工艺及设备简单,可操作性强。所制得复合材料成品耐热性能优良,具有高比强度和比模量,孔隙率低,力学性能高,抗分层性好,可作为轻质、耐高温部件的结构材料,在航空、航天等高新技术领域具有潜在的应用价值。表1和表2分别给出了典型三维正交玄武岩纤维机织物增强PMR型聚酰亚胺复合材料的热性能和力学性能。
表1典型玄武岩纤维三维正交机织物增强的复合材料的热性能
 名称   性能指标
 交联温度(℃)   270-350
 玻璃化温度(℃)   390
 失重5%温度(℃)   525
  失重10%温度(℃)   565
表2典型玄武岩纤维三维正交机织物增强复合材料的力学性能
  力学性能   性能指标
  弯曲强度(MPa)   436
  弯曲模量(GPa)   22..2
  拉伸强度(MPa)   461
  拉伸模量(GPa)   19.1

Claims (7)

1、一种三维正交机织物增强PMR型聚酰亚胺复合材料的生产方法,其特征在于,具体步骤为:
第一步:将纤维在三维正交织机上制成三维正交机织物预制件;
第二步:将芳香族四酸二酐20-120重量份与低级醇60-200重量份混合,在65-118℃加热回流3-6个小时,生成芳香族二酐二酯溶液;将反应性端基剂15-100重量份与低级醇40-150重量份混合,在65-118℃加热回流2-4个小时,生成羧酸单酯溶液;在氮气保护下将芳香族二胺30-150重量份与低级醇40-200重量份混合,加入上述芳香族二酐二酯溶液和羧酸单酯溶液,在5-35℃以转速100R/Min-400R/Min搅拌6-15小时,旋转蒸发至固含量为40-70wt%,得到树脂基体预聚物溶液;
第三步:将第一步得到的三维正交机织物预制件浸入第二步得到的树脂基体预聚物溶液中,每隔10-30分钟抽真空至真空度为0.01-0.04MPa并保持10-30Min然后恢复至常压,重复抽真空3-5次后,从室温开始升温至低级醇溶剂沸点之上,升温速率1℃/Min,每升高10℃,保温一小时;再以2℃/Min的速率升温,至140℃保温2小时,然后继续以2℃/min的速率升温,至200℃保温4小时;
第四步:在温度为220-370℃、压力为2-30MPa的条件下热压得到三维正交机织物增强PMR型聚酰亚胺复合材料。
2、如权利要求1所述的生产方法,其特征在于,所述第一步中用于制作三维正交机织物预制件的纤维为玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、碳化硅纤维和聚酰亚胺纤维中的一种或至少两种的混合物。
3、如权利要求1所述的生产方法,其特征在于,所述第一步中制得的三维正交机织物预制件的经向纤维的体积分数20-23%,纬向纤维的体积分数为26-29%,厚度方向纤维的体积分数为2-6%。
4、如权利要求1所述的生产方法,其特征在于,所述的芳香族四酸二酐为3,3’,4,4’-二苯甲酮四酸二酐、3,3’,4,4’-二苯醚四酸二酐和4,4’-六氟异丙基双邻苯二甲酸酐中的一种或至少两种的混合物。
5、如权利要求1所述的生产方法,其特征在于,所述的反应性端基剂为降冰片烯二酸酐。
6、如权利要求1所述的生产方法,其特征在于,所述的芳香族二胺为4,4’-二苯氨基甲烷和3,4’-二氨基二苯醚中的一种或两种的混合物。
7、如权利要求1所述的生产方法,其特征在于,所述的低级醇为无水甲醇、无水乙醇、异丙醇和正丁醇中的一种或至少两种的混合物。
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