CN104830028B - 一种提高尼龙6纤维增强复合材料界面结合强度的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高尼龙6纤维增强复合材料界面结合强度的方法，其主要特征，包括以下步骤：1）对尼龙6纤维进行改性；2）将步骤1改性后的尼龙6纤维同环氧树脂进行机械共混，然后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，对预成型坯料进行预塑；3）迅速将温度升到180～185℃，保持50～60min，使模压料成型，然后采用随炉降温的方式降温到100℃后将压力撤掉；4）将步骤3）模压成型后的复合材料连同模具一起取出，冷却至室温，获得复合材料，工艺方法简单，制得的复合材料有很好的界面结合强度和优异的力学性能。

Description

一种提高尼龙6纤维增强复合材料界面结合强度的方法

技术领域

本发明属于复合材料界面结合强度技术领域，具体涉及一种提高尼龙6纤维增强复合材料界面结合强度的方法。

背景技术

尼龙6纤维由于具有高强度、高模数、耐磨性、耐疲劳、较强的韧性及良好的回弹性能、优异的热稳定性而被广泛的应用于汽车轮胎，航天员内外衣等领域，其中尼龙6纤维增强树脂基复合材料是尼龙纤维的主要应用形式，其较低的成本使其具有良好的市场应用前景。但是，由于尼龙6纤维表面极性不高，使得其溶解性较差，且与聚酯纤维相比其保型性较差，用于织物的纤维不够挺拔。尼龙6纤维的化学惰性和光滑表面导致纤维表面光滑且有蜡状感，不易于树脂浸润，导致纤维与树脂基体界面结合性较差，界面剪切强度较低。这些特征在很大程度上制约了尼龙6纤维在复合材料领域中的应用，对纤维表面进行改性后，使其能与树脂基体形成较好的界面层，从而发挥尼龙6纤维在有机纤维中的优势地位。

国内外人们对尼龙6纤维的改性方法有化学掺杂、表面接枝等化学方法以及用加入耐光剂、或制成异型断面等对表面进行处理的方法，采用以上方法成本高，改性尼龙纤维界面结合能力差；此外，化学改性等上述方法均在不同程度上损伤尼龙纤维的表面结构和性能，因此，本专利目的在于提出一种物理改性尼龙6纤维表面结构的方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种提高尼龙6纤维增强复合材料界面结合强度的方法，工艺方法简单，制得的复合材料有很好的界面结合强度和优异的力学性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种提高尼龙6纤维增强复合材料界面结合强度的方法，包括以下步骤：

1）对尼龙6纤维进行改性，具体作法是：将聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己内酯PCL溶液浇铸薄膜分别加热到135～145℃、80～100℃，保温10～15min消除热历史，随后将聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己内酯PCL以50～60℃/min的速率降温到102～106℃、42～46℃，将两端施加张力并将伸直的尼龙6纤维或机织布放置到过冷态聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己内酯PCL薄膜表面上并与其紧密接触；

2）将步骤1改性后的尼龙6纤维10%～20%同环氧树脂80%～90%进行机械共混，然后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，先将炉温升至135～145℃，保持50～60min，对预成型坯料进行预塑，压力控制在9～11MPa；

3）迅速将温度升到180～185℃，保持50～60min，使模压料成型，然后采用随炉降温的方式降温到100℃后将压力撤掉；

4）将步骤3）模压成型后的复合材料连同模具一起取出，冷却至室温，获得复合材料。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明结合半结晶聚合物聚丁二酸丁二醇酯PBS、聚己内酯PCL、能在尼龙6短纤维上形成包埋的柱晶结构，增加尼龙6纤维的界面结合力，采用此法来改善尼龙6纤维的界面性能（图1，图2）。国内外研究表明，树脂在纤维表面形成横穿晶体后，纤维与树脂的界面结合强度明显增强。因此，使用包埋法在尼龙6纤维表面形成一种相容性树脂，从而提高纤维界面结合强度，改善尼龙6纤维表面性能以提高尼龙6纤维/环氧树脂的界面结合强度的目的。根据形成横穿晶体这一现象，进而将附生结晶后的尼龙6纤维采用偏光显微镜（POM）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、差示扫描量热仪（DSC）表征手段研究改性尼龙6纤维表面的形态、结构及性能，以验证纤维表面是否存在这种横穿晶体以及晶体的结构特性。改性前尼龙6纤维为棒状，改性后的尼龙6纤维为折叠链片晶以尼龙6为轴心附生生长，从而形成柱状晶体结构，附生体系间存在强的界面作用，从而增强了附生体系间的粘结力，而且柱状晶体含有强极性的氢键，有助于增强尼龙6纤维与基体的结合力，提高力学性能。最后将改性处理后的尼龙6纤维与环氧树脂复合，进行机械共混，控制尼龙6纤维的重量百分比为混合粉料的10～20%，再将混合粉料放入不锈钢模具中压制成型，经过高温烧结从而制备出改性后的尼龙6纤维/环氧树脂复合材料。其中所述的聚丁二酸丁二醇酯PBS、聚己内酯PCL原料来源易得，本发明最大的优点是工艺方法简单而且成本低，制得的复合材料有很好的力学性能。界面强度高出原来20%～30%的纤维/树脂复合材料。

附图说明

图1为本发明聚己二酸丁二醇酯在80℃时的柱晶偏光形貌图。

图2为本发明聚己内酯在46℃时的柱晶偏光形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

一种提高尼龙6纤维增强复合材料界面结合强度的方法，包括以下步骤：

1）对尼龙6纤维进行改性，具体作法是：将聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己内酯PCL溶液浇铸薄膜分别加热到135℃、80℃，保温10min消除热历史，随后将聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己内酯PCL薄膜以50℃/min的速率降温到102℃、42℃，将两端施加张力并将伸直的尼龙6纤维或机织布放置到过冷态聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己内酯PCL薄膜表面上并与其紧密接触,制得改性后的尼龙6纤维；

2）将步骤1改性后的尼龙6纤维10%同环氧树脂90%进行机械共混，然后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，先将炉温升至135℃，保持50min，对预成型坯料进行预塑，压力控制在10 MPa；

3）迅速将温度升到180℃，保持50min，使模压料成型，然后采用随炉降温的方式降温到100℃后将压力撤掉；

4）将步骤3）模压成型后的复合材料连同模具一起取出，冷却至室温，获得复合材料。

实施例2：

一种提高尼龙6纤维增强复合材料界面结合强度的方法，包括以下步骤：

1）对尼龙6纤维进行改性，具体作法是：将聚丁二酸丁二醇酯PBS的溶液浇铸薄膜加热到135℃保温10min消除热历史，随后将PBS薄膜以50℃/min的速率降温到102℃，立即将两端施加张力并将伸直的尼龙6纤维或机织布放置到过冷态PBS薄膜表面上并与其紧密接触，在偏光显微镜下观察温度降低到102℃后的结晶过程和结晶完成后的晶体结构，并对附生结晶后的尼龙6短纤维采用偏光显微镜（POM）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、差示扫描量热仪（DSC）表征手段研究改性尼龙6纤维表面的形态、结构及性能；

2）将步骤1改性后的尼龙6纤维10%（重量比）同环氧树脂90%（重量比）进行机械共混，然后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，先将炉温升至135℃，保持50 min，对预成型坯料进行预塑，压力控制在10 MPa；

3）迅速将温度升到180℃，保持50min，使模压料成型，然后采用随炉降温的方式降温到100℃后将压力撤掉；

4）将步骤3）模压成型后的复合材料连同模具一起取出，冷却至室温，获得复合材料。

对制备得到的复合材料进行力学实验，其拉伸强度可达61 MPa。

作为对照，在相同的复合材料组分及复合材料制备工艺下，未改性的尼龙6纤维与环氧树脂复合材料拉伸强度为 46MPa，由此可以看出，改性处理对尼龙6复合材料界面强度性能提高明显。

实施例3：

一种提高尼龙6纤维增强复合材料界面结合强度的方法，包括以下步骤：

1）对尼龙6纤维进行改性，具体作法是：将聚丁二酸丁二醇酯PBS的溶液浇铸薄膜加热到140℃保温10min消除热历史，随后将PBS薄膜以50℃/min的速率降温到104℃，立即将两端施加张力并将伸直的尼龙6纤维或机织布放置到过冷态PBS薄膜表面上并与其紧密接触，在偏光显微镜下观察温度降低到104℃后的结晶过程和结晶完成后的晶体结构，并对附生结晶后的尼龙6短纤维采用偏光显微镜（POM）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、差示扫描量热仪（DSC）表征手段研究改性尼龙6纤维表面的形态、结构及性能；

2）将步骤1改性后的尼龙6纤维15%（重量比）同环氧树脂85%（重量比）进行机械共混，然后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，先将炉温升至135℃，保持50 min，对预成型坯料进行预塑，压力控制在10 MPa；

3）迅速将温度升到180℃，保持50min，使模压料成型，然后采用随炉降温的方式降温到100℃后将压力撤掉；

4）将步骤3）模压成型后的复合材料连同模具一起取出，冷却至室温，获得复合材料。

对制备得到的复合材料进行力学实验，其拉伸强度可达64 MPa。

实施例4：

一种提高尼龙6纤维增强复合材料界面结合强度的方法，包括以下步骤：

1）对尼龙6纤维进行改性，具体作法是：将聚丁二酸丁二醇酯PBS的溶液浇铸薄膜加热到145℃保温10min消除热历史，随后将PBS薄膜以50℃/min的速率分别降温到106℃，立即将两端施加张力并将伸直的尼龙6纤维或机织布放置到过冷态PBS薄膜表面上并与其紧密接触，在偏光显微镜下观察温度降低到106℃后的结晶过程和结晶完成后的晶体结构，并对附生结晶后的尼龙6短纤维采用偏光显微镜（POM）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、差示扫描量热仪（DSC）表征手段研究改性尼龙6纤维表面的形态、结构及性能；

2）将步骤1改性后的尼龙6纤维20%（重量比）同环氧树脂80%（重量比）进行机械共混，然后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，先将炉温升至135℃，保持50min，对预成型坯料进行预塑，压力控制在10MPa；

3）迅速将温度升到180℃，保持50min，使模压料成型，然后采用随炉降温的方式降温到100℃后将压力撤掉；

4）将步骤3）模压成型后的复合材料连同模具一起取出，冷却至室温，获得复合材料。

对制备得到的复合材料进行力学实验，其拉伸强度可达68MPa。

实施例5：

一种提高尼龙6纤维增强复合材料界面结合强度的方法，包括以下步骤：

1）对尼龙6纤维进行改性，具体作法是：将聚己内酯PCL的溶液浇铸薄膜加热到80～100℃，保温10min消除热历史，随后将PCL薄膜以50℃/min的速率降温到42～46℃，立即将两端施加张力并将伸直的尼龙6纤维或机织布放置到过冷态PCL薄膜表面上并与其紧密接触；

2）将步骤1改性后的尼龙6纤维10%（重量比）同环氧树脂90%（重量比）进行机械共混，然后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，先将炉温升至135℃～145℃，保持50min，对预成型坯料进行预塑，压力控制在9～11MPa；

3）迅速将温度升到180～185℃，保持50min，使模压料成型，然后采用随炉降温的方式降温到100℃后将压力撤掉；

4）将步骤3）模压成型后的复合材料连同模具一起取出，冷却至室温，获得复合材料。

实施例6：

一种提高尼龙6增强复合材料界面结合强度的方法，包括以下步骤：

1）对尼龙6纤维进行改性，具体作法是：将聚己内酯PCL的溶液浇铸薄膜加热到80℃保温10min消除热历史，随后将PCL薄膜以50℃/min的速率分别降温到42℃，立即将两端施加张力并将伸直的尼龙6纤维或机织布放置到过冷态PCL薄膜表面上并与其紧密接触，在偏光显微镜下观察温度降低到42℃后的结晶过程和结晶完成后的晶体结构，并对附生结晶后的尼龙6短纤维采用偏光显微镜（POM）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、差示扫描量热仪（DSC）表征手段研究改性尼龙6纤维表面的形态、结构及性能；

2）将步骤1改性后的尼龙6纤维10%（重量比）同环氧树脂90%（重量比）进行机械共混，然后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，先将炉温升至135℃，保持50 min，对预成型坯料进行预塑，压力控制在10 MPa；

3）迅速将温度升到180℃，保持50min，使模压料成型，然后采用随炉降温的方式降温到100℃后将压力撤掉；

4）将步骤3）模压成型后的复合材料连同模具一起取出，冷却至室温，获得复合材料。

对制备得到的复合材料进行力学实验，其拉伸强度可达54MPa。分析比较得知，PCL改性处理较不改性尼龙6纤维复合材料略有增强，但是明显低于PBS改性处理的尼龙6纤维复合材料。

实施例7：

一种提高尼龙6纤维增强复合材料界面结合强度的方法，包括以下步骤：

1）对尼龙6纤维进行改性，具体作法是：将聚己内酯PCL的溶液浇铸薄膜加热到90℃保温10min消除热历史，随后将PCL薄膜以50℃/min的速率分别降温到44℃，立即将两端施加张力并将伸直的尼龙6纤维或机织布放置到过冷态PCL薄膜表面上并与其紧密接触，在偏光显微镜下观察温度降低到44℃后的结晶过程和结晶完成后的晶体结构，并对附生结晶后的尼龙6短纤维采用偏光显微镜（POM）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、差示扫描量热仪（DSC）表征手段研究改性尼龙6纤维表面的形态、结构及性能；

2）将步骤1改性后的尼龙6纤维15%（重量比）同环氧树脂85%（重量比）进行机械共混，然后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，先将炉温升至135℃，保持50 min，对预成型坯料进行预塑，压力控制在10 MPa；

3）迅速将温度升到180℃，保持50min，使模压料成型，然后采用随炉降温的方式降温到100℃后将压力撤掉；

4）将步骤3）模压成型后的复合材料连同模具一起取出，冷却至室温，获得复合材料。

对制备得到的复合材料进行力学实验，其拉伸强度可达56MPa。

实施例8：

一种提高尼龙6增强复合材料界面结合强度的方法，包括以下步骤：

1）对尼龙6纤维进行改性，具体作法是：将聚己内酯PCL的溶液浇铸薄膜加热到100℃保温10min消除热历史，随后将PCL薄膜以50℃/min的速率分别降温到46℃，立即将两端施加张力并将伸直的尼龙6纤维或机织布放置到过冷态PCL薄膜表面上并与其紧密接触，在偏光显微镜下观察温度降低到46℃后的结晶过程和结晶完成后的晶体结构，并对附生结晶后的尼龙6短纤维采用偏光显微镜（POM）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、差示扫描量热仪（DSC）表征手段研究改性尼龙6纤维表面的形态、结构及性能；

2）将步骤1改性后的尼龙6纤维20%（重量比）同环氧树脂80%（重量比）进行机械共混，然后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，先将炉温升至135℃，保持50 min，对预成型坯料进行预塑，压力控制在10 MPa；

3）迅速将温度升到180℃，保持50min，使模压料成型，然后采用随炉降温的方式降温到100℃后将压力撤掉；

4）将步骤3）模压成型后的复合材料连同模具一起取出，冷却至室温，获得复合材料。

对制备得到的复合材料进行力学实验，其拉伸强度可达59MPa。

参见图1，为本发明聚己二酸丁二醇酯在80℃时的柱晶偏光形貌图，从图中可以看出聚己二酸丁二醇酯在尼龙6纤维上附生形成了更加稳定的柱晶形貌，从而提高了纤维复合界面的强度。

参见图2，为本发明聚己内酯在46℃时的柱晶偏光形貌图，从图中可以看出聚己内酯在尼龙6纤维上附生形成了更加稳定的柱晶形貌，从而提高了纤维复合界面的强度。

Claims (4)

1.一种提高尼龙6纤维增强复合材料界面结合强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）对尼龙6纤维进行改性，具体作法是：将聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己内酯PCL溶液浇铸薄膜分别加热到135～145℃、80～100℃，保温10～15min消除热历史，随后将聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己内酯PCL以50～60℃/min的速率降温到102～106℃、42～46℃，将两端施加张力并将伸直的尼龙6纤维或机织布放置到过冷态聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己内酯PCL薄膜表面上并与其紧密接触；

2）将步骤1改性后的尼龙6纤维10%～20%同环氧树脂80%～90%进行机械共混，然后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，先将炉温升至135～145℃，保持50～60min，对预成型坯料进行预塑，压力控制在9～11MPa；

3）迅速将温度升到180～185℃，保持50～60min，使模压料成型，然后采用随炉降温的方式降温到100℃后将压力撤掉；

4）将步骤3）模压成型后的复合材料连同模具一起取出，冷却至室温，获得复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种提高尼龙6纤维增强复合材料界面结合强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）对尼龙6纤维进行改性，具体作法是：将聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己内酯PCL溶液浇铸薄膜分别加热到135℃、80℃，保温10min消除热历史，随后将聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己内酯PCL薄膜以50℃/min的速率降温到102℃、42℃，将两端施加张力并将伸直的尼龙6纤维或机织布放置到过冷态聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己内酯PCL薄膜表面上并与其紧密接触,制得改性后的尼龙6纤维；

2）将步骤1改性后的尼龙6纤维10%同环氧树脂90%进行机械共混，然后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，先将炉温升至135℃，保持50min，对预成型坯料进行预塑，压力控制在10 MPa；

3）迅速将温度升到180℃，保持50min，使模压料成型，然后采用随炉降温的方式降温到100℃后将压力撤掉；

4）将步骤3）模压成型后的复合材料连同模具一起取出，冷却至室温，获得复合材料。

3.根据权利要求1所述的一种提高尼龙6纤维增强复合材料界面结合强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）对尼龙6纤维进行改性，具体作法是：将聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己内酯PCL溶液浇铸薄膜分别加热到140℃、85℃，保温10min消除热历史，随后将聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己内酯PCL薄膜以50℃/min的速率降温到104℃、44℃，将两端施加张力并将伸直的尼龙6纤维或机织布放置到过冷态聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己内酯PCL薄膜表面上并与其紧密接触,制得改性后的尼龙6纤维；

2）将步骤1改性后的尼龙6纤维15%同环氧树脂85%进行机械共混，然后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，先将炉温升至135℃，保持50min，对预成型坯料进行预塑，压力控制在10 MPa；

3）迅速将温度升到180℃，保持50min，使模压料成型，然后采用随炉降温的方式降温到100℃后将压力撤掉；

4）将步骤3）模压成型后的复合材料连同模具一起取出，冷却至室温，获得复合材料。

4.根据权利要求1所述的一种提高尼龙6纤维增强复合材料界面结合强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）对尼龙6纤维进行改性，具体作法是：将聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己内酯PCL溶液浇铸薄膜分别加热到145℃、90℃，保温10min消除热历史，随后将聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己内酯PCL薄膜以50℃/min的速率降温到106℃、46℃，将两端施加张力并将伸直的尼龙6纤维或机织布放置到过冷态聚丁二酸丁二醇酯PBS/聚己内酯PCL薄膜表面上并与其紧密接触，制得改性后的尼龙6纤维；

2）将步骤1改性后的尼龙6纤维20%同环氧树脂80%进行机械共混，然后将混合粉料放入平板硫化机模具中成型，先将炉温升至135℃，保持50min，对预成型坯料进行预塑，压力控制在10 MPa；

3）迅速将温度升到180℃，保持50min，使模压料成型，然后采用随炉降温的方式降温到100℃后将压力撤掉；

4）将步骤3）模压成型后的复合材料连同模具一起取出，冷却至室温，获得复合材料。