CN102898622A - 用于低温热熔法制备碳纤维预浸料的环氧树脂及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明用于低温热熔法制备碳纤维预浸料的环氧树脂及制备方法，属于环氧树脂制备技术领域。由双酚A环氧树脂、活性稀释剂己二醇二缩水甘油醚、复配固化剂组成；稀释剂与双酚A环氧树脂的重量比为1:3.0~1:5.0；复配固化剂由苯二胺固化剂、3-（3,4-二氯苯基）-1,1-二甲脲促进剂和异辛酸钴盐催化剂组成，其重量比=3：3：4。该环氧树脂体系可以满足生产工艺的要求并获得较强的粘接性，降低反应温度，在加工过程中使预浸料在贮存过程中不流延等性能。由于其对工装模具的要求较低，可显著的降低能耗和制作成本。

Description

用于低温热熔法制备碳纤维预浸料的环氧树脂及制备方法

技术领域

本发明涉及一种适用于低温热熔法制备碳纤维预浸料的环氧树脂及制备方法,属于环氧树脂制备技术领域。

背景技术

碳纤维预浸料就是以碳纤维为强化纤维，再将其浸渍到树脂基体中。高性能碳纤维增强树脂基复合材料以其高比强、高比模、性能可设计性及综合性能优异等特点而在航空、航天、兵器和舰船等领域得到普遍重视，并已在航空航天领域得到了较广泛的应用。一般说来，碳纤维预浸料可以进行层合或缠绕，经热固化后制得多种功能性的复合材料。

为了提高碳纤维非取向方向的强度、及剪切强度，提高碳纤维和基体树脂的粘结性是必要的。众所周知，用于提高强化纤维和基体树脂的相容性的方法有对碳纤维的表面处理，如对碳纤维电解氧化等方法。然而，通过调节基体树脂的性能用以提高碳纤维和基体树脂间的结合性才能更好、更广的拓展碳纤维预浸料的功能性和实用性。

作为热固性树脂的代表，环氧树脂具有良好的物理化学性能，介电性能良好，变定收缩率小，制品尺寸稳定性好，硬度高，柔韧性较好，对碱及大部分溶剂稳定。而良好的粘结性能、优良的浸润性和工艺性能，对于制造高性能的碳纤维预浸料来说有其不可替代的作用。

CN 101805493 A的专利申请中围绕着一种耐高温碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法和用途进行细述。此专利中提出将一类潜伏性促进剂脂肪氢氟酸盐引入到树脂体系中， 可以有效的降低复合材料在模具中的成型时间，有效的提高生产效率、降低生产成本，同时还确保了预浸料的贮存期，满足在180 ℃高温环境下的使用要求。

CN 102076735 A的专利申请旨在探讨环氧树脂组合物以及作为基体树脂的预浸料坯的应用。该专利申请中将环氧树脂的组分和含量进行系统介绍，而且对组分的含量进行了优化，此种环氧树脂组合物应用于预浸料体系可以体现优异的耐高温性和耐湿热型，并且可以得到具有高机械特性的复合材料。

由日本东丽株式会社在中国申请的CN 1242792 A 的专利中，阐述了一种树脂混合物浸润于强化纤维所得的预浸料及此种热固性树脂组合物和强化纤维组成的碳纤维强化复合材料。并对树脂体系的压缩强度、拉伸强度、层间剪切强度和抗冲击性进行了测试评估。

CN201110071475.6 涉及一种碳纤维废丝增强聚碳酸酯复合材料及其制备方法，得到力学性能优良、耐候性好、热稳定性强、抗静电的复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种适用于低温热熔法制备碳纤维预浸料用的热固性环氧树脂体系。通过控制树脂体系的粘度来调整预浸料的粘接性能。热熔法预浸料的树脂体系一般要求熔融温度较低，且熔融后具有较低的粘度，因此树脂体系在加工温度时的粘度应足够低，以便树脂能充分浸润纤维束中的每根单丝，使纤维与基体界面间在加工过程中获得较强的粘接性，但为了提高粘接性的保持力，使预浸料在贮存过程中不流延，要提高常温或低温下树脂体系的粘度。

本发明的技术方案是：一种用于低温热熔法制备碳纤维预浸料的环氧树脂组合物，由双酚A环氧树脂、活性稀释剂和复配型固化剂组成；

其中所述活性稀释剂为己二醇二缩水甘油醚，它与双酚A环氧树脂的重量比为1 : 2. 0 ~ 1 : 5. 0；

其中所述复配型固化剂由苯二胺固化剂、脲类化合物3-（3,4-二氯苯基）-1, 1-二甲脲促进剂和异辛酸钴盐催化剂组成，其重量比为3：3：4。复配型固化剂与混合物A（将双酚A环氧树脂和活性稀释剂按比例均匀泪合，得混合物A）的重量比为1 : 10. 0 ~ 1 : 12. 5。

上述的环氧树脂组合物中所述双酚A环氧树脂的物性指标为：环氧当量170 ~ 1909/ eq，可水解氯300 ~ 1000ppm， 室温下的粘度8000 ~ 11000mPa.s，外观为透明无杂质。 

上述的环氧树脂组合物及其所述复合型固化剂按配方比例混合充分搅拌，并将混合物通过三辊研磨机进行再混合，确保固化体系的均匀性，并要求此固化体系在常温下可以保持潜伏状态；室温下固化24小时；再在相对湿度50%下固化24小时。

如以上所述的一种适用于低温热熔法制备碳纤维预浸料用环氧树脂组合物的制备方法，由如下步骤组成：

（1）将双酚A环氧树脂和活性稀释剂均匀泪合，得混合物A；其次，在室温下将复配型固化剂与混合物A均匀混合，得混合物B；

（2）在温度升到50℃时开始机械搅拌，搅拌速度为250 ~ 350rpm，搅拌至表面温度为80℃停止搅拌，得环氧树脂固化组合物；其环氧树脂体系的粘度控制在2000-15000 mpa.s；

（3）将苯二胺固化剂、促进剂和催化剂按照上述比例的配比，经过充分搅拌后，在三辊研磨机上再次进行混合加工，务必使整个固化体系达到绝对的均匀，在混合温度适当的情况下，将固化体系添加到树脂体系中，迅速搅拌，减少局部反应热，如此可以缩短含固化体系树脂基体的热历史。

本发明提出了一种适用于低温热熔法制备碳纤维预浸料专用的环氧类基体树脂的调配方法。尤其可以提高碳纤维与环氧树脂间相容性，并针对与低温热熔制备预浸料工艺的要求，该环氧树脂体系可以满足生产工艺的要求并获得较强的粘接性，降低反应温度，在加工过程中使预浸料在贮存过程中不流延等性能。由于其对工装模具的要求较低，可显著的降低能耗和制作成本。

具体实施方式

一种用于低温热熔法制备碳纤维预浸料的环氧树脂组合物，由双酚A环氧树脂、活性稀释剂、复配型固化剂等组成；其中，所述活性稀释剂为己二醇二缩水甘油醚，它与双酚A环氧树脂的重量比为1 : 2. 0 ~ 1 : 5. 0；所述复配型固化剂由苯二胺固化剂、提高固化剂在环氧体系中的脲类化合物3-（3,4-二氯苯基）-1, 1-二甲脲促进剂和异辛酸钴盐催化剂组成，其重量比为3：3：4。复配型固化剂与混合物A（将双酚A环氧树脂和活性稀释剂按比例均匀泪合，得混合物A）的重量比为1 : 10. 0 ~ 1 : 12. 5。

上述的环氧树脂组合物中所述双酚A环氧树脂的物性指标：环氧当量170 ~ 1909/ eq，可水解氯300 ~ 1000ppm， 室温下的粘度8000 ~ 11000mPa.s，外观为透明无杂质。 

上述的环氧树脂组合物，及其所述复合型固化剂按配方比例混合充分搅拌，并将混合物通过三辊研磨机进行再混合，确保固化体系的均匀性，并要求此固化体系在常温下可以保持潜伏状态；室温下固化24小时；再在相对湿度50%下固化24小时。

如以上所述的一种适用于低温热熔法制备碳纤维预浸料用环氧树脂组合物的制备方法，由如下步骤组成：

首先，将双酚A环氧树脂和活性稀释剂均匀泪合，得混合物A；其次，在室温下将复合型胺类固化剂与混合物A均匀混合，得混合物B；再次，在温度升到50℃时开始机械搅拌，搅拌速度为250 ~ 350rpm，搅拌至表面温度为80℃停止搅拌，得环氧树脂固化组合物；其环氧树脂体系的粘度控制在2000-15000 mpa.s。

实施例1

 1）将100份的环氧树脂和高性能的活性稀释剂己二醇二缩水甘油醚50份搅拌均匀混合后配成混合物A；2)苯二胺固化剂、脲类化合物促进剂3-(3,4-二氯苯基)-1, 1-二甲脲和异辛酸钴盐催化剂复配成固化剂，其重量比：3：3：4；3)上述混合物A100份和复合型固化剂为10份，在室温下搅拌，均匀混合得混合物B；4)采用温度控制仪监测混合物B的温度；5) 机械搅拌，搅拌叶放置于混合物B的中央部位，搅拌速度为300rpm，搅拌至80℃时停止搅拌，并抽出搅拌机，环氧树脂组合物，上述用量均为重量份数。

 实施例2

  1）将100份的环氧树脂和高性能的活性稀释剂己二醇二缩水甘油醚30份搅拌均匀混合后配成混合物A ；2)由苯二胺固化剂、脲类化合物促进剂3-(3,4-二氯苯基)-1, 1-二甲脲和异辛酸钴盐催化剂复配成固化剂，重量比：3：3：4；3)上述混合物A100份和复合型固化剂为8份，在室温下搅拌，均匀混合得混合物B；4)采用温度控制仪监测混合物B的温度；5) 机械搅拌，搅拌叶放置于混合物B的中央部位，搅拌速度为300rpm，搅拌至80℃时停止搅拌，并抽出搅拌机，环氧树脂组合物，上述用量均为重量份数。

 实施例3

  1）将100份的环氧树脂和高性能的活性稀释剂己二醇二缩水甘油醚25份搅拌均匀混合后配成混合物A ；2)由苯二胺固化剂、脲类化合物促进剂3-(3,4-二氯苯基)-1, 1-二甲脲和异辛酸钴盐催化剂复配成固化剂，重量比：3：3：4；3)上述混合物A100份和复合型固化剂为10份，在室温下搅拌，均匀混合得混合物B；4)采用温度控制仪监测混合物B的温度；5) 机械搅拌，搅拌叶放置于混合物B的中央部位，搅拌速度为300rpm，搅拌至80℃时停止搅拌，并抽出搅拌机，环氧树脂组合物，上述用量均为重量份数。

    实施例4

  1）将100份的环氧树脂和高性能的活性稀释剂己二醇二缩水甘油醚20份搅拌均匀混合后配成混合物A ；2)由苯二胺固化剂、脲类促进剂3-(3,4-二氯苯基)-1, 1-二甲脲和异辛酸钴盐催化剂复配成固化剂，重量比：3：3：4；3)上述混合物A100份和复合型固化剂为10份，在室温下搅拌，均匀混合得混合物B；4)采用温度控制仪监测混合物B的温度；5) 机械搅拌，搅拌叶放置于混合物B的中央部位，搅拌速度为300rpm，搅拌至80℃时停止搅拌，并抽出搅拌机，环氧树脂组合物，上述用量均为重量份数。

 实施例5

  1）将100份的环氧树脂和高性能的活性稀释剂己二醇二缩水甘油醚20份搅拌均匀混合后配成混合物A；2)由苯二胺固化剂、脲类化合物促进剂3-(3,4-二氯苯基)-1, 1-二甲脲和异辛酸钴盐催化剂复配成固化剂，重量比：3：3：4；3)上述混合物A100份和复合型固化剂为8份，在室温下搅拌，均匀混合得混合物B ；4)采用温度控制仪监测混合物B的温度；5) 机械搅拌，搅拌叶放置于混合物B的中央部位，搅拌速度为300rpm，搅拌至80℃时停止搅拌，并抽出搅拌机，环氧树脂组合物，上述用量均为重量份数。

以上各例复合固化剂按配方比例充分搅拌，并将混合物通过三辊研磨机进行再混合，确保固化体系的均匀性，并要求此固化体系在常温下可以保持潜伏状态；室温下固化24小时；再在相对湿度50%下固化24小时。

实施例1～5制得的产品的黏度、可使用期和固化温度见表1 。按实施例3配比所得的产品其黏度：12000mpa.s（25℃），可使用期：9.5h（25℃），固化温度100℃，在相同温度下黏度最大，可使用期最长。实施例4所得产品黏度5400mpa.s（25℃），可使用期：9h（25℃），固化温度100℃，黏度最低，可使用期较长。

 

表1. 实施例1～5制得的产品的黏度、可使用期和固化温度

	粘度/mpa.s（25℃）	可使用期/h（25℃）	固化温度（℃）
				实施例1	5600	8	100
实施例2	7200	8	100
				实施例3	12000	9.5	100
实施例4	5400	9	100
				实施例5	11400	9.5	100

Claims (3)

1.一种用于低温热熔法制备碳纤维预浸料的环氧树脂组合物，其特征在于由双酚A环氧树脂、活性稀释剂和复配型固化剂组成；

其中所述活性稀释剂为己二醇二缩水甘油醚，它与双酚A环氧树脂的重量比为1 : 2. 0 ~ 1 : 5. 0；

其中所述复配型固化剂由苯二胺固化剂、脲类化合物3-（3,4-二氯苯基）-1, 1-二甲脲促进剂和异辛酸钴盐催化剂组成，其重量比为3：3：4；复配型固化剂与双酚A环氧树脂和活性稀释剂按比例均匀混合得混合物A的重量比为1 : 10. 0 ~ 1 : 12. 5。

2.根据权利要求1所述的一种用于低温热熔法制备碳纤维预浸料的环氧树脂组合物，其特征在于其中所述双酚A环氧树脂的物性指标为：环氧当量170 ~ 1909/ eq，可水解氯300 ~ 1000ppm， 室温下的粘度8000 ~ 11000mPa.s，外观为透明无杂质。

3.权利要求1所述的一种用于低温热熔法制备碳纤维预浸料的环氧树脂组合物的制备方法，其特征在于按照如下步骤进行：

（1）将双酚A环氧树脂和活性稀释剂均匀泪合，得混合物A；其次，在室温下将复配型固化剂与混合物A均匀混合，得混合物B；

（2）在温度升到50℃时开始机械搅拌，搅拌速度为250 ~ 350rpm，搅拌至表面温度为80℃停止搅拌，得环氧树脂固化组合物；其环氧树脂体系的粘度控制在2000-15000 mpa.s；

（3）将苯二胺固化剂、促进剂和催化剂按照上述比例的配比，经过充分搅拌后，在三辊研磨机上再次进行混合加工，务必使整个固化体系达到绝对的均匀，在混合温度适当的情况下，将固化体系添加到树脂体系中，迅速搅拌，减少局部反应热，如此可以缩短含固化体系树脂基体的热历史。