CN102675856A - 用高压树脂传递模塑工艺快速成型的聚氨酯基碳纤维复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用高压树脂传递模塑工艺快速成型的聚氨酯基碳纤维复合材料，由聚氨酯树脂组合物和碳纤维增强织物通过高压树脂传递模塑工艺得到，聚氨酯树脂由A组份和B组份按3:1-1:1比例混合构成，在40℃条件下粘度小于300mPa.s。A组份为多元醇，B组份为异氰酸酯；树脂注射压力为80-300par。本发明通过高压树脂传递模塑工艺成型的复合材料有很高的机械性能、良好的尺寸稳定性，并且提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维增强环氧树脂复合材料，具体地说是一种用高压树脂传递模塑工艺快速成型的聚氨酯基碳纤维复合材料。
背景技术
碳纤维增强复合材料是目前最先进的高性能复合材料之一，具有轻质高强、耐高温、耐腐蚀、热力学性能优良等特点，广泛用作结构材料和耐高温抗烧蚀材料。
聚氨酯树脂的聚集态结构中存在着硬段和软段的相分离，微相分离得越完全，它的物理机械性能越高。但在实际中往往达不到理论上的分离程度。为了弥补 这种不足，可以利用纤维的优异性能，将它干燥、剪切、定量的分散到聚氨酯中，使它在结构上起到一种骨架支撑和牵制软段滑移的作用，从而提高聚氨酯复合材料的性能。
碳纤维是纤维状的碳材料，即其化学组成中碳元素占总质量的90％以上。元素碳根据其原子结合方式的不同，可形成金刚石、石墨、卡宾等结晶态。随先驱物和热处理条件的变化，密度在1．6～2.0g/cm3变化，其力学性能也在一定范围变化。碳纤维最突出的特点是强度大和模量高、密度小，和碳素材料一样具有很好的耐高温、耐腐蚀性。碳纤维的强度超过金属钛和最强的钢，强度仅逊色于PBO(芳杂环高聚物纤维)等少数纤维，模量超过所有金属、有机高分子和无机陶瓷纤维。碳纤维有极好的热、电传导性，阻燃性能良好，热膨胀系数极低，并且还有低辐射线吸收性、非磁性和不磁化、极好的振动阻尼性、抗蠕变和抗疲劳性能以及生物相容性。
聚氨酯/碳纤维复合材料的复合成型工艺可以采用数值传递模塑成型。但RTM技术得到的复合材料普遍存在以下三个方面问题：(1)树脂对纤维的浸渍不够理想，导致成型时间加长，制品空隙率较高；(2)纤维含量较低(一般约50％)；(3)大面积、结构复杂的模具型腔内，树脂流动不均衡，而这个动态过程无法观察，更不能进行预测和控制，得到的复合材料结构简单。
发明内容
为了克服采用传统数值传递模塑成型方法得到的复合材料存在的问题，本发明的目的是提供一种用高压树脂传递模塑工艺快速成型的聚氨酯基碳纤维复合材料，该复合材料生产效率高、制造成本低、尺寸稳定性好、产品容易实现多样化和复杂结构。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种用高压树脂传递模塑工艺快速成型的聚氨酯基碳纤维复合材料，其特征在于：该复合材料由聚氨酯树脂组合物和碳纤维增强织物通过高压树脂传递模塑工艺得到，所述聚氨酯树脂由A组份和B组份按3:1-1:1比例混合构成，所述A组份为多元醇，B组份为异氰酸酯；树脂注射压力为80-300 par。在40℃条件下粘度小于300mPa.s。
所述高压树脂传递模塑成型工艺为在模具中放置预成型好的碳纤维增强织物，采用80-300 par注射压力高压将混合均匀聚氨酯脂体系注入到模具行腔中，使树脂体系浸渍增强材料碳纤维，最后经固化、脱模得到制品。
所述A组份还包括1-2%偶联剂、5-10%阻燃剂和1-5%抗静电剂。所述偶联剂为硅烷偶联剂，马来酸酐和铝酸酯偶联剂中的一种或几种。所述阻燃剂为氮系阻燃剂，磷酸酯类阻燃剂和卤素阻燃剂中的一种或几种。所述抗静电剂是乙氧基化脂肪族烷基胺类或烷基磺酸、磷酸或二硫代氨基甲酸的碱金属盐类抗静电剂。
所述碳纤维增强织物为短切毡、连续纤维毡、纤维布、无皱折织物、三维针织物或三维编织物。树脂注射压力为100-150par。
本发明利用高压树脂传递模塑工艺快速成型得到聚氨酯基碳纤维复合材料，有效解决传统工艺生产效率低、尺寸稳定性差的问题，得到的聚氨酯基碳纤维复合材料应用形式和应用范围广，尺寸稳定性好，复合材料制造成本低，实现了多样化和复杂结构。
具体实施方式
实施例1
一种用高压树脂传递模塑工艺快速成型的聚氨酯基碳纤维复合材料，该复合材料由聚氨酯树脂组合物和碳纤维增强织物组成。聚氨酯树脂由多元醇（A组份）和异氰酸酯（B组份）按2:1比例混合构成，在40℃条件下粘度小于300mPa.s。该聚氨酯树脂选购自亨斯曼聚氨酯树脂有限公司。
取按质量份计的2份3-缩水甘油醚丙氧基三乙氧基硅烷，1份甲基膦酸二甲酯，1份十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐加入到80质量份的A组份中，在20℃-30℃条件下搅拌30min直至混合均匀。
将步骤1中混合号的A组份与B组份按3:1混合，在静态混合器搅拌均匀，室温下抽真空脱气泡10min制聚氨酯树脂组合物。
把碳纤维织物按照成型制品的规格铺放到模具中，合模夹紧后，调节树脂注胶系统中的计量设备， 100par压力下将经静态混合器混合均匀树脂体系经注胶系统的注胶口注入到模具行腔中，使树脂体系浸渍增强材料与成型体，最后经固化、脱模得到制品。
本实施例制得的聚氨酯基碳纤维复合材料，弯曲强度800Mpa、弯曲模量 79GPa、抗拉强度765Mpa、抗拉模量72GPa。
实施例2
又一种用高压树脂传递模塑工艺快速成型的聚氨酯基碳纤维复合材料，该复合材料由聚氨酯树脂组合物和碳纤维增强织物组成，在40℃条件下粘度小于300mPa.s。该聚氨酯树脂选购自亨斯曼聚氨酯树脂有限公司。
取按质量份计的2份3-缩水甘油醚丙氧基三乙氧基硅烷，5份甲基膦酸二甲酯，1份十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐加入到80质量份的A组份中，在20℃-30℃条件下搅拌30min直至混合均匀。
将步骤1中混合号的A组份与B组份按2:1混合，在静态混合器搅拌均匀，室温下抽真空脱气泡10min制聚氨酯树脂组合物。
把碳纤维织物按照成型制品的规格铺放到模具中，合模夹紧后，调节树脂注胶系统中的计量设备， 150par压力下将经静态混合器混合均匀树脂体系经注胶系统的注胶口注入到模具行腔中，使树脂体系浸渍增强材料与成型体，最后经固化、脱模得到制品。
本实施例制得的聚氨酯基碳纤维复合材料，弯曲强度830Mpa、弯曲模量 82GPa、抗拉强度786Mpa、抗拉模量71GPa。
实施例3
又一种用高压树脂传递模塑工艺快速成型的聚氨酯基碳纤维复合材料，与实施例1区别仅仅是A组份与B组份按3:1混合。
本实施例制得的聚氨酯基碳纤维复合材料，弯曲强度、弯曲模量 、抗拉强度、抗拉模量都符合要求。
Claims (7)
1.一种用高压树脂传递模塑工艺快速成型的聚氨酯基碳纤维复合材料，其特征在于：该复合材料由聚氨酯树脂组合物和碳纤维增强织物通过高压树脂传递模塑工艺得到，所述聚氨酯树脂由A组份和B组份按3:1-1:1比例混合构成，所述A组份为多元醇，B组份为异氰酸酯；树脂注射压力为80-300 par。
2.根据权利要求1所述的用高压树脂传递模塑工艺快速成型的聚氨酯基碳纤维复合材料，其特征在于：所述A组份还包括1-2%偶联剂、5-10%阻燃剂和1-5%抗静电剂。
3.根据权利要求2所述的用高压树脂传递模塑工艺快速成型的聚氨酯基碳纤维复合材料，其特征在于：所述偶联剂为硅烷偶联剂、马来酸酐和铝酸酯偶联剂中的一种或几种。
4.根据权利要求2所述的用高压树脂传递模塑工艺快速成型的聚氨酯基碳纤维复合材料，其特征在于：所述阻燃剂为氮系阻燃剂、磷酸酯类阻燃剂和卤素阻燃剂中的一种或几种。
5.根据权利要求2所述的用高压树脂传递模塑工艺快速成型的聚氨酯基碳纤维复合材料，其特征在于：所述抗静电剂是乙氧基化脂肪族烷基胺类或烷基磺酸、磷酸或二硫代氨基甲酸的碱金属盐类抗静电剂。
6.根据权利要求1所述的用高压树脂传递模塑工艺快速成型的聚氨酯基碳纤维复合材料，其特征在于：所述碳纤维增强织物为短切毡、连续纤维毡、纤维布、无皱折织物、三维针织物或三维编织物。
7.根据权利要求1所述的用高压树脂传递模塑工艺快速成型的聚氨酯基碳纤维复合材料，其特征在于：树脂注射压力为100-150par。
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