CN103419383A

CN103419383A - 一种新型碳纤维拉挤板材的制备方法

Info

Publication number: CN103419383A
Application number: CN2012101604122A
Authority: CN
Inventors: 梅诗宇; 咸贵军; 黄胜德; 李静; 王自柯; 洪斌
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Shanghai Petrochemical Co Ltd
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Shanghai Petrochemical Co Ltd
Priority date: 2012-05-22
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明公开了一种具有耐高温、抗火性能的碳纤维增强树脂基复合材料板材及其制备方法，该碳纤维板材由拉挤工艺制备，具有皮芯结构，其皮层由碳纤维束增强耐高温、抗火树脂基体组成，碳纤维板材的芯层由碳纤维增强普通树脂组成；板材固化后内部不形成明显界面。本发明的碳纤维拉挤板材能够充分利用耐高温、抗火树脂基体的功能性能，同时发挥普通树脂的高浸润性能、价廉等优势。该碳纤维拉挤板材作为结构材料，可以用于土木工程结构加固、航空航天等各种领域。

Description

一种新型碳纤维拉挤板材的制备方法

技术领域

本发明是涉及一种新型碳纤维板材的制备方法，特别涉及开发一种具有耐高温、抗火性能的碳纤维板材。

背景技术

碳纤维具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳性、耐高温等许多优异的性能。在实际工程应用中，碳纤维增强各种树脂基体，形成适用于不同应用领域的碳纤维复合材料，如应用于航空航天或各种工业领域的碳纤维复合材料。其中，碳纤维复合材料的耐高温、抗火性能对其工程应用具有重要的影响，如航空航天复合材料需要抗高温、抗火；土木工程复合材料的耐高温与抗火性能也是影响其在重要建筑结构应用的关键性能。

用于成型复合材料的树脂基体性能是决定其耐高温、抗火性能的主要因素。如，航空航天选择具有自熄性能的酚醛树脂；土木工程复合材料通过改性普通环氧树脂(如添加大量的抗火填料)，以实现复合材料的抗火性能。但上述树脂，一般价格高昂，或成型困难，甚至无法通过拉挤工艺制备。

传统的碳纤维复合材料(如碳纤维拉挤板材)，所用的树脂基体均一，所制备的碳纤维拉挤板材常常不能满足工程需求，如由于普通树脂基体的耐高温性能差，在较高温度环境下应用时，碳纤维板材的表面树脂容易发生热降解降解，纤维暴露，板材性能大幅度退化；普通用于拉挤的环氧树脂基体不具有阻燃性能，在火灾下，会燃烧，并放出大量的有毒气体，影响其工程应用(如高层建筑、航空航天等)。碳纤维拉挤板材耐高温、抗火性能主要取决于碳纤维拉挤板材的表面性能，因此，为提高碳纤维复合材料的耐高温、抗火性能，通过在复合材料制品的表面涂覆高性能树脂涂层(如耐高温树脂、抗火树脂等)，可以在一定程度上提高、改善碳纤维复合材料的性能。但是，在实际应用过程中，耐高温、抗火涂层的作用有限；且由于涂层与碳纤维复合材料存在界面，容易脱落，失去作用。

发明内容

本发明提供了一种耐高温、抗火碳纤维拉挤板材的制备方法，采用拉挤工艺，使得碳纤维拉挤板材具有皮芯结构，其皮层由碳纤维束增强耐高温、抗火树脂基体组成，碳纤维板材的芯层由碳纤维增强普通树脂组成；所要解决的技术问题是通过调整树脂基体的种类和含量，制备具有耐高温、抗火性能的具有皮芯结构的碳纤维拉挤板材，克服现有的工程应用中碳纤维复合材料耐高温和抗火性能差的缺陷。

为充分发挥不同树脂基体的优异性能，针对工程结构的应用要求，通过调整树脂基体的种类和含量，制备具有耐高温、抗火性能的具有皮芯结构的碳纤维拉挤板材，利用碳纤维增强耐高温、抗火树脂作为碳纤维拉挤板材的皮层，提供碳纤维拉挤板材的耐高温、抗火性能；而芯层利用普通树脂基体，提供碳纤维板材的基本力学、热性能。通过调整拉挤板材树脂种类和含量，实现具有皮芯结构的耐高温、抗火碳纤维拉挤板材。

以下是本发明的具体技术方案：

碳纤维束通过不同的树脂槽与通过低温预成型口模，控制树脂含量，挤出包埋的空气，预成型最终拉挤板材的芯部尺寸。或者，不同树脂浸渍的纤维束，通过分纱架，使浸渍纤维按照设计均匀分布，形成皮芯结构。不同树脂浸渍的碳纤维束进入高温拉挤成型口模，一起固化成型具有耐高温、抗火性能的碳纤维拉挤板材。

该方法包括以下步骤：

1)碳纤维束通过含有热固性树脂，催化剂以及固化剂的芯层纤维浸渍槽和预成型模，预成型为拉挤板材的芯层，槽中热固性树脂与固化剂质量比为100∶60～120，催化剂质量为树脂体系总量的0.2～4wt.％，预成型温度为40～90℃。

2)另碳纤维束通过含有热固性树脂，催化剂以及固化剂的皮层浸渍槽，形成拉挤板材皮层，槽中热固性树脂与固化剂质量比为100∶20～120，催化剂质量为树脂体系总量的0.2～4wt.％，预成型温度为40～120℃。

3)预成型的拉挤板材皮芯与拉挤板材皮层一起通过高温模具，牵拉固化成型，形成具有耐高温、抗火性能的碳纤维拉挤板材，高温模具中固化温度为160～250℃。

上述步骤1)所述芯层纤维浸渍槽，热固性树脂与固化剂质量比最好为100∶70～110，催化剂质量最好为树脂体系总量的1～3wt.％，预成型温度最好为50～80℃。

上述步骤2)所述皮层纤维浸渍槽，热固性树脂与固化剂质量比最好为100∶30～100，催化剂质量最好为树脂体系总量的1～3wt.％，预成型模具温度最好为60～90℃。

上述步骤3)所述高温模具，固化温度最好为200～230℃。

上述步骤1)与步骤2)所述的碳纤维可以是不同k数、不同公司生产的连续碳纤维束的一种或几种混杂。

上述步骤1)与步骤2)所述的热固性树脂基体可选自耐高温、抗火的高性能环氧树脂基体、相应固化剂与乙烯基聚酯的混合物或其它改性热固性树脂的一种或几种。

发明人经研究发现：按本发明方法制备的具有皮芯结构的碳纤维拉挤板材，其耐高温、抗火性由碳纤维拉挤板材的皮层结构决定，而其基本力学性能由芯部结构决定，可以满足不同的工程结构对碳纤维拉挤板材耐高温、抗火性能的要求。本发明的优点在于：通过在碳纤维束外加入耐火皮层，使得碳纤维拉挤板材不但具有良好的力学性能，而且碳纤维束外包裹耐火皮层使得碳纤维拉挤板材具有很好的耐高温与抗火性。

为了对本发明作进一步说明，其结构与制备工艺流程见说明书附图。

图1为本发明所述具有皮芯结构碳纤维拉挤板材的断面结构示意图；

图2为本发明所述具有皮芯结构碳纤维板材的拉挤工艺示意图；

具体的实施方式

【实施例1】

台丽12K-T36S碳纤维束分别通过芯层浸渍槽与皮层浸渍槽，芯层浸渍槽树脂体系为普通双酚A环氧树脂E51，固化剂为甲基六氢邻苯二甲酸酐，环氧树脂与固化剂配比为100∶80及1～2％催化剂DMP30。皮层浸渍槽树脂体系为酚醛环氧树脂F51，固化剂为液体芳香胺Aradur 5200，环氧树脂与固化剂配比为100∶23及1～2wt.％催化剂DMP30。芯层浸渍槽与皮层浸渍槽的炭纤维束一起通过高温模具，在牵拉作用下形成具有耐高温、抗火性的碳纤维拉挤板材。

拉挤制备宽25mm，厚1.4mm的板材，共需要碳纤维55卷12k-T36S碳纤维束，其中芯层碳纤维用39卷，皮层用碳纤维16卷，制备的碳纤维板材，其皮层厚度约为0.2mm，芯部厚度为1mm。

由于碳纤维拉挤板材皮层树脂基体为酚醛环氧树脂F51与芳香胺固化剂，固化板材能够在150℃长期使用。

【实施例2】

台丽12K-T36S碳纤维束分别通过芯层浸渍槽与皮层浸渍槽，芯层浸渍槽树脂体系为普通双酚A环氧树脂E51，固化剂为甲基六氢邻苯二甲酸酐，环氧树脂与固化剂配比为100∶80及1～2％催化剂DMP30。皮层浸渍槽树脂体系为溴化环氧树脂DYB-450A80，固化剂为甲基六氢邻苯二甲酸酐，环氧树脂与固化剂配比为100∶75及1～2wt.％催化剂DMP30。芯层浸渍槽与皮层浸渍槽的炭纤维束一起通过高温模具，在牵拉作用下形成具有耐高温、抗火性的碳纤维拉挤板材。

由于碳纤维拉挤板材皮层树脂基体为溴化环氧树脂，固化后，具有自熄性能，碳纤维拉挤板材可以达到UL94，V0抗火要求。

【实施例3】

台丽12K-T36S碳纤维束分别通过芯层浸渍槽与皮层浸渍槽，芯层浸渍槽树脂体系为普通双酚A环氧树脂E51，固化剂为甲基六氢邻苯二甲酸酐，环氧树脂与固化剂配比为100∶80及1～2％催化剂DMP30。皮层浸渍槽树脂体系为多官能缩水甘油型环氧树脂JEh011，固化剂为甲基六氢邻苯二甲酸酐，环氧树脂与固化剂配比为100∶135及1～2％催化剂DMP30。芯层浸渍槽与皮层浸渍槽的炭纤维束一起通过高温模具，在牵拉作用下形成具有耐高温、抗火性的碳纤维拉挤板材。

碳纤维拉挤板材皮层树脂基体为多官能缩水甘油型环氧树脂，固化后，使用温度可以超过200℃。

Claims

1.一种新型碳纤维板材的制备方法，其特征在于碳纤维束通过含有热固性树脂，催化剂以及固化剂的芯层纤维浸渍槽和预成型模，预成型为拉挤板材芯层，槽中热固性树脂与固化剂质量比为100∶60～120，催化剂质量为树脂体系总量的0.2～4wt.％，预成型模具温度为40～90℃。

2.一种新型碳纤维板材的制备方法，其特征在于另碳纤维束通过含有热固性树脂，催化剂以及固化剂的皮层纤维浸渍槽，形成拉挤板材皮层，槽中热固性树脂与固化剂质量比为100∶20～120，催化剂质量为树脂体系总量的0.2～4wt.％，预成型模具温度为40～120℃。

3.一种新型碳纤维板材的制备方法，其特征在于预成型的拉挤板材皮芯与拉挤板材皮层一起通过高温模具，牵拉固化成型，形成具有耐高温、抗火性能的碳纤维拉挤板材，高温模具中固化温度为160～250℃。

4.根据权利要求书1所述芯层纤维浸渍槽，其特征在于热固性树脂与固化剂质量比最好为100∶70～110，催化剂质量最好为树脂体系总量的1～3wt.％，预成型温度最好为50～80℃。

5.根据权利要求书2所述皮层纤维浸渍槽，其特征在于热固性树脂与固化剂质量比最好为100∶30～100，催化剂质量最好为树脂体系总量的1～3wt.％，预成型模具温度最好为60～90℃。

6.根据权利要求书3所述高温模具，其特征在于固化温度最好为200～230℃。

7.根据权利要求书1与根据权利要求书步骤2所述的碳纤维束，其特征在于碳纤维束可以是不同k数、不同公司生产的连续碳纤维束的一种或几种混杂。

8.根据权利要求书1与根据权利要求书2所述的热固性树脂，其特征在于树脂基体可选自耐高温、抗火的高性能环氧树脂基体、相应固化剂与乙烯基聚酯的混合物或其它改性热固性树脂的一种或几种。

9.根据权利要求1、权利要求书2和权利要求书3所述的一种新型碳纤维板材的制备方法，其特征在于芯部纤维通过普通树脂胶槽后，先通过一低温(低于固化温度)预成型模，挤出多余树脂与空气，纤维束粘合在一起，然后再与皮层浸胶纤维束复合，通过高温口模固化、成型。