CN103660310B - 光固化的热塑性纤维增强环氧基复合材料及其制备方法 - Google Patents

光固化的热塑性纤维增强环氧基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光固化的热塑性纤维增强环氧基复合材料及其制备方法；制备时，以三羟甲基丙烷三丙烯酸酯为稀释单体，制备环氧丙烯酸酯稀释液；所述环氧丙烯酸酯稀释液与光引发剂混合、加热至形成液态胶状，得液态光敏树脂；在热塑性纤维增强布上刷涂所述液态光敏树脂，制成预浸布；将所述预浸布铺层在成型模具，置于紫外光固化成型设备上进行固化成型，即得所述热塑性纤维增强环氧基复合材料。本发明的热塑性纤维增强环氧基复合材料可用作电动汽车车身支撑架。通过本发明方法制备的光固化电动汽车车身支撑架的性能优良且环保，对人体及周边环境无任何危害影响，同时，其固化效果符合国家标准。

Description

光固化的热塑性纤维增强环氧基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于具有感光性能的树脂基复合材料用于智能电动汽车车身零件的紫外光固化快速成型方法的技术领域，具体涉及一种光固化的热塑性纤维增强环氧基复合材料及其制备方法。
技术背景
汽车工业的快速发展导致了汽车保有量的的急剧增加，同时带给社会三大问题：能源匮乏、环境污染、安全问题。减少燃料消耗和降低对环境造成的污染已成为汽车工业发展和社会可持续发展急需解决的关键问题。汽车实现轻量化，是节约能源和降低污染的最有效的途径之一，而采用复合材料制造汽车结构件又是实现汽车轻量化最有效的途径之一。复合材料大幅减轻汽车质量，这就意味着仅需较小功率的支持，从而为电动机技术的不断发展和电动汽车的推广使用提供平台。但传统复合材料工艺的效率低下，这就需要一种快速成型技术。
光固化技术的特点主要是节能环保和固化速度快。紫外光固化技术是一种在特殊配方的树脂中加入光引发剂(或光敏剂)，经过吸收紫外线(UV)光固化设备中的高强度紫外光后，产生活性自由基，从而引发聚合、交联和接枝反应，使树脂在数秒内由液态转化为固态，达到固化的目的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的问题，提供一种光固化的热塑性纤维增强环氧基复合材料及其制备方法；制得的热塑性纤维增强环氧基复合材料用于制备光固化的智能电动汽车车身支撑架。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
第一方面，本发明涉及一种光固化的热塑性纤维增强环氧基复合材料，由包括如下步骤的方法制备而得：
A、以三羟甲基丙烷三丙烯酸酯为稀释单体，制备环氧丙烯酸酯稀释液；
B、所述环氧丙烯酸酯稀释液与光引发剂混合、加热至形成液态胶状，得液态光敏树脂；
C、在热塑性纤维增强布上刷涂所述液态光敏树脂，制成预浸布；
D、将所述预浸布铺层在成型模具，置于紫外光固化成型设备上进行固化成型，即得所述光固化的热塑性纤维增强环氧基复合材料。
优选地，所述环氧丙烯酸酯稀释液中环氧丙烯酸酯与稀释单体的重量比为2:1。
优选地，所述环氧丙烯酸酯是在阻聚剂对羟基苯甲醚、催化剂N，N-二甲基苯胺存在的条件下，由丙烯酸与环氧树脂反应制得的。
优选地，所述对羟基苯甲醚、N，N-二甲基苯胺、丙烯酸与环氧树脂的重量比为50:50:50:100。
优选地，所述环氧丙烯酸酯稀释液与光引发剂的重量比为100:3。
优选地，所述热塑性纤维增强布为改性处理后的增强纤维热塑性纤维芳纶编织布。
优选地，所述改性处理具体为：将改性偶联剂与甲醇、去离子水混合，形成混合溶液；将热塑性纤维芳纶编织布去离子水清洗、烘干后，置于所述混合溶液中，搅拌后静置20～40min，取出，在120℃±3℃烘干60min±5min，即可。
优选地，所述紫外光固化具体为：紫外光源制备传输、转换折射、聚焦透镜聚焦是连续进行的，聚焦距离为400mm。
第二方面，本发明还涉及一种前述的光固化的热塑性纤维增强环氧基复合材料在用作轻量化汽车车身部件中的用途。
优选地，所述轻量化汽车车身部件为电动汽车车身支撑架；所述成形模具为电动汽车车身支撑架成形模具。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
(1)提高复合材料结构件的加工制造速度，可实现批量化生产。
(2)达到汽车轻量化的目的，进而实现电动汽车的应用和推广。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明使用的化学物质原料为环氧树脂(E-51)、丙烯酸、催化剂N，N-二甲基苯胺、阻聚剂对羟基苯甲醚、光引发剂异丙基硫杂蒽酮(ITX)、稀释单体三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)、清洗剂去离子水、擦拭剂无水乙醇、改性偶联剂硅烷(KH-560)、溶剂甲醇，增强纤维为热塑性纤维芳纶编织布。其组合配比是：以500mm×300mm×300mm矩形零件为例，以克、毫升为计量单位。当采用的成形模具为电动汽车车身支撑架成型模具时，对应的各组分的用量按照上述组合配比进行换算。
实施例1
本实施例涉及一种光固化的热塑性纤维增强环氧基复合材料，其制备成型方法如下：
(1)精选化学物质原料
对使用的化学物质原料进行竞选，并进行纯度、细度控制：
环氧树脂(E-51)：99.8％
丙烯酸：99.99％
N，N-二甲基苯胺：99.9％
对羟基苯甲醚：99.9％
异丙基硫杂蒽酮(ITX)：99.1％
三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)：98％
去离子水：99.999％
无水乙醇：99.99％
硅烷偶联剂(KH-560)：99.9％
甲醇：99.99％
(2)合成环氧丙烯酸
①在四口烧瓶中，加入环氧树脂(E-51)100g±1g；
②在四口烧瓶中，加入阻聚剂对羟基苯甲醚50g±1g，并用搅拌器搅拌均匀；
③在等压滴液漏斗中加入丙烯酸:50g±1g、催化剂N，N-二甲基苯胺:50g±1g并搅拌，使混合均匀，成混合液；
④将四口烧瓶置于加热套上，使四口烧瓶升温至60℃时，开始均匀滴加丙烯酸与N，N-二甲基苯胺混合液，在反应温度75℃±1℃内滴加完毕，继续升温至110℃±1℃，保温维持反应240min±5min，并间隔30min测定反应物酸度值P，当酸度值P≤5mg/gKOH时，反应结束；关闭电加热套，使其自然冷却至20±3℃，冷却后即为环氧丙烯酸酯；
(3)稀释环氧丙烯酸酯
①称取环氧丙烯酸酯100g±1g、稀释单体三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)50g±1g，其比值为2：1；
②将环氧丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯置于容器中，搅拌均匀，及环氧丙烯酸酯稀释液；
(4)合成光敏树脂
称取环氧丙烯酸酯稀释液100g±1g，量取光引发剂异丙基硫杂蒽酮(ITX)3g±1g，置于烧杯中，将烧杯置于电加热套上并加热，加热温度40℃±1℃，边加热、边搅拌，使其成液态胶状，时间为30min±0.5min，然后将溶液倒入容器中，容器中的胶状液态即为液态光敏树脂；
(5)增强纤维热塑性纤维芳纶编织布改性处理
①称取热塑性纤维芳纶编织布100g±1g、硅烷偶联剂(KH-560)1g±g、液态光敏树脂50g±1g、去离子水50g±1g、甲醇50g±1g；
②将改性偶联剂(KH-560)与甲醇、去离子水混合成混合溶液；
③将热塑性纤维芳纶编织布，置于盛有去离子水的容器中，然后将容器置于超声波清洗器中震荡清洗，时间为10min±1min，去除表面杂志，然后取出，置于真空干燥箱内，加温烘干，温度为120℃±3℃，时间为1440min±5min；
④将热塑性纤维芳纶编织布放入已备的偶联剂硅烷(KH-560)混合溶液中，轻微搅拌，静置30min，然后取出，置于真空干燥箱内，加温烘干，温度为120℃±3℃，时间为60min±5min，既得改性塑性纤维芳纶编织布；
(6)清洗电极槽
将清洗剂去离子水，置于静电槽内，然后将电极槽置于超声波清洗器中，进行清洗，时间为5min±0.5min，晾干；
(7)擦洗透镜、反射镜、光栅
用无水乙醇、白色软质材料对透镜、反射镜、光栅分别逐一进行清洗、擦拭，使之洁净；
(8)排布刷胶
将热塑性纤维芳纶编织布刷胶制成预浸布；
(9)铺层
将浸过胶的热塑性纤维芳纶编织布铺层在成型模具里；
(10)制备
将铺层好的成型模具放在紫外光固化成型设备上进行固化成型；
(11)冷却
取下，置于阴凉、洁净的环境中自然冷却，至常温20℃±3℃，冷却时间为120min；
(12)脱模
(13)修正外形轮廓、清除外形毛刺、污物，使其光洁；
(14)检验、化验分析、表征
(15)包装储存
对光固化快速成型制备的产品储存于阴凉、干燥、洁净的环境中，储存温度为20℃±3℃，相对湿度≤40％，要放火、防潮、防晒、防酸碱腐蚀。
上述所制产品经力学及地面存储试验验证后，符合要求。
对比例1
本对比例的目的在于研究比较未改性处理热塑性纤维芳纶编织布，对最终制得的复合材料性能的影响。本对比例同实施例1，所不同之处在于：将热塑性纤维芳纶编织布，置于盛有去离子水的容器中，然后将容器置于超声波清洗器中震荡清洗，时间为10min±1min，去除表面杂质，然后取出，置于真空干燥箱内，加温烘干，温度为120℃±3℃，时间为1440min±5min；烘干后的热塑性纤维芳纶编织布即用于后续的浸胶等操作。经比较，对比例1所制产品经力学及地面存储试验验证，芳纶编织布与光敏树脂结合力(5％)有一定的提高，但仍远低于实施例1改性处理后的热塑性纤维芳纶编织布与光敏树脂的结合力。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种光固化的热塑性纤维增强环氧基复合材料，其特征在于，由包括如下步骤的方法制备而得：
A、以三羟甲基丙烷三丙烯酸酯为稀释单体，制备环氧丙烯酸酯稀释液；
B、所述环氧丙烯酸酯稀释液与光引发剂混合、加热至形成液态胶状，得液态光敏树脂；
C、在热塑性纤维增强布上刷涂所述液态光敏树脂，制成预浸布；
D、将所述预浸布铺层在成型模具，置于紫外光固化成型设备上进行固化成型，即得所述光固化的热塑性纤维增强环氧基复合材料；
所述环氧丙烯酸酯稀释液中环氧丙烯酸酯与稀释单体的重量比为2:1；
所述环氧丙烯酸酯是在阻聚剂对羟基苯甲醚、催化剂N，N-二甲基苯胺存在的条件下，由丙烯酸与环氧树脂反应制得的；所述对羟基苯甲醚、N，N-二甲基苯胺、丙烯酸与环氧树脂的重量比为50:50:50:100；
所述环氧丙烯酸酯稀释液与光引发剂的重量比为100:3；
所述热塑性纤维增强布为改性处理后的热塑性纤维芳纶编织布；
所述改性处理具体为：将改性偶联剂与甲醇、去离子水混合，形成混合溶液；将热塑性纤维芳纶编织布去离子水清洗、烘干后，置于所述混合溶液中，搅拌后静置20～40min，取出，在120℃±3℃烘干60min±5min，即可；
所述热塑性纤维芳纶编织布、改性偶联剂、甲醇、去离子水的质量比为100:1:50:50。
2.如权利要求1所述的光固化的热塑性纤维增强环氧基复合材料，其特征在于，所述紫外光固化具体为：紫外光源制备传输、转换折射、聚焦透镜聚焦是连续进行的，聚焦距离为400mm。
3.一种如权利要求1所述的光固化的热塑性纤维增强环氧基复合材料在用作轻量化汽车车身部件中的用途。
4.如权利要求3所述的用途，其特征在于，所述轻量化汽车车身部件为电动汽车车身支撑架；所述成型模具为电动汽车车身支撑架模具。
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