CN104890256A - 一种碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料及其制备方法，属于橡胶复合材料制备领域。该材料由按重量份计的以下成分制成：碳纤维50-55%，酚醛18-25%、丁腈橡胶22.5-30%，其中碳纤维采用纬编针织工艺，编织后呈双反面组织，该材料的密度为1.38g/cm3。制备时，通过公式计算出碳纤维的用量，然后取碳纤维进行编织，再对编织物称重，根据密度确定酚醛和丁腈橡胶的用量，对酚醛和丁腈橡胶溶解后加入碳纤维中浸胶，再干燥得到所需的材料。本发明提供的碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材可大幅度提高起耐冲刷性能，具备较高的延展性能。

Description

一种碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料及其制备方法
技术领域  
本发明属于橡胶复合材料制备领域，具体涉及一种碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料及其制备方法。
背景技术  
碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料是一种碳纤维增强的改性酚醛橡胶基复合材料，是发动机所用的抗冲刷层材料。通常采用双辊橡胶炼胶机进行制备，由于炼胶机的剪切作用，碳纤维被切断后，其抗冲刷性能下降，随着技术的发展，要求该材料具有更佳的耐冲刷性能以及可生产性，材料尺寸的精度需要进一步的提高。
发明内容  
本发明提供一种碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料及其制备方法，以达到耐冲刷性能和可生产性优越的目的。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料，由按质量百分数计的以下成分制成：碳纤维50-55%，酚醛18-25%、丁腈橡胶22.5-30%，其中碳纤维采用纬编针织工艺，编织后呈双反面组织，该材料的密度为1.38g/cm3。
材料厚度为1-4mm。
所述的碳纤维为53%。
上述材料的制备方法，具体步骤为：
1）根据公式h=m/（a×b×ρ×n）及材料的尺寸需要计算出碳纤维的理论重量m1，其中a：材料长度，b：材料宽度，h：材料厚度，m：碳纤维质量，ρ：材料密度，即为1.38g/cm3，n：碳纤维质量百分数；
2）根据步骤1）计算的碳纤维的理论重量m1，及碳纤维股数、规格，对其进行编织得到编织物；
3）对编织物称重m2，根据其重量m2与理论值m1的差异，对浸胶用的酚醛和丁腈橡胶量进行调整，确保材料的密度符合要求；
4）将所述编织物装入浸胶模，按配比称取酚醛和丁腈橡胶，用溶剂溶解后浇入浸胶模，进行真空浸胶，余压小于5mmHg，浸胶时间为4-6h，然后干燥去除溶剂，得到预制件。
所用的溶剂为丙酮，在浸胶完成之后通过干燥进行去除；可通过鼓风、加热或者晾置10-24h的措施进行干燥；采用鼓风措施时，鼓风时间为1-2h；采用加热措施时，加热温度为50℃-60℃，时间为1-2h。
将4）浸胶步骤得到的碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料加入到预制模进行成型，并在预制模内放置橡胶气囊，橡胶气囊充气至0.5-0.8MPa，加温压制，温度为60-80℃，加压加温时间为2-4h；最后降温降压后取出得到整体预制成型的碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料。
成型过程中，橡胶气囊在常温下完成充气，然后对待成型的预制件进行压制0.5-1h，再进行升温。
该材料采用碳纤维编织工艺，将编织物作为增强骨架，碳纤维结构完整，可大幅度提高其耐冲刷性能；碳纤维编织采用纬编针织工艺，编织物呈双反面组织结构，材料具备较高的延展性能。
材料在固化前呈疏松状态，其中包含体积份数约50%的空气，因此材料的原始厚度与固化成型后的厚度存在较大的差距，且材料表面呈现碳纤维编织物有序的高低起伏形态，无法通过测量的方法实现对厚度的控制。厚度测量（射线照相或涡流测厚）只能在材料成型后才能进行，厚度不满足要求的产品只能报废处理，造成了巨大的经济损失。
根据计算公式，可以确定不同规格材料所对应的碳纤维编织物的重量值。编织物完成后，根据重量实测值，微调胶料的重量范围，可以准确控制材料的厚度偏差。采取真空成型方法，可彻底消除残留空气所占的空间，从而进一步降低的材料厚度偏差。橡胶气囊应在常温下完成充气，并冷压0.5-1h，后再行升温，可以避免胶料在橡胶气囊压强平衡过程中的流动，导致各部位的组分偏差。
该材料有1mm、2mm、3mm、4mm等四种厚度规格，本发明应用前，其厚度的偏差范围较大，分别达到了±0.2mm、±0.3mm、±0.3mm、±0.5mm。若抗冲刷层的厚度范围为1-18 mm，最大层数为8层，抗冲刷层型面的厚度误差因公差累计的原因最大达到了4mm以上，一般要求的最大偏薄量为1mm。本发明技术应用后，四种规格的材料产品厚度偏差均控制在±0.05mm以内，确保了质量，其耐冲刷性能大幅度提高，其烧蚀率从0.12mm/s下降到0.01mm/s以下。
本发明目前已在20余个发动机产品中得到应用，未出现质量问题，且产品质量稳定性显著提高，消除了产品个体差异，杜绝了因产品质量问题造成的返工和报废。
具体实施方式
以下结合实施例来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
实施例1：
某预制成型产品要求厚度h为1 mm，长为a，宽为b。
其材料及其制备步骤如下：
    按质量百分比计的预计以下：碳纤维50%，酚醛和丁腈橡胶合计50%（酚醛25%，丁腈橡胶25%），其中该材料的密度为1.38g/cm3。
1）根据公式h=m/（a×b×ρ×n）及材料的尺寸需要计算出碳纤维的理论重量m1；
2）根据步骤1）计算的碳纤维的理论重量m1，及碳纤维股数、规格，对其进行编织，采用纬编针织工艺，编织后呈双反面组织，得到编织物；
3）对编织物称重m2，得到其重量m2大于m1，减少浸胶用的酚醛和丁腈橡胶量，确保材料的密度符合要求；
4）将所述编织物装入浸胶模，按配比称取酚醛和丁腈橡胶，用溶剂溶解后浇入浸胶模，进行真空浸胶，余压小于5mmHg，浸胶时间为4h，然后，晾置10h去除溶剂，得到碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料。
5）浸胶步骤得到的碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料加入到预制模进行成型，并在预制模内放置橡胶气囊，橡胶气囊充气至0.5MPa，对待成型的预制件进行压制0.5h，再进行升温，加温压制，温度为60℃，加压加温时间为2h；最后降温降压后取出得到整体预制成型的碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料。
该材料产品厚度偏差均控制在±0.05mm以内，确保了产品质量，其耐冲刷性能大幅度提高，其烧蚀率为0.01mm/s。
实施例2：
某预制成型产品要求厚度h为2 mm，长为a，宽为b。
其材料及其制备步骤如下：
    按质量百分比计的预计以下：碳纤维53%，酚醛和丁腈橡胶合计47%（酚醛18%，丁腈橡胶29%），其中该材料的密度为1.38g/cm3。
1）根据公式h=m/（a×b×ρ×n）及材料的尺寸需要计算出碳纤维的理论重量m1；
2）根据步骤1）计算的碳纤维的理论重量m1，及碳纤维股数、规格，对其进行编织，采用纬编针织工艺，编织后呈双反面组织，得到编织物；
3）对编织物称重m2，得到其重量m2大于m1，减少浸胶用的酚醛和丁腈橡胶量，确保材料的密度符合要求；
4）将所述编织物装入浸胶模，按配比称取酚醛和丁腈橡胶，用溶剂溶解后浇入浸胶模，进行真空浸胶，余压小于5mmHg，浸胶时间为6h，然后，晾置24h去除溶剂，得到碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料。
5）浸胶步骤得到的碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料加入到预制模进行成型，并在预制模内放置橡胶气囊，橡胶气囊充气至0.8MPa，对待成型的预制件进行压制1h，再进行升温，加温压制，温度为80℃，加压加温时间为4h；最后降温降压后取出得到整体预制成型的碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料。
该材料产品厚度偏差均控制在±0.05mm以内，确保了产品质量，其耐冲刷性能大幅度提高，其烧蚀率为0.007mm/s。
实施例3：
某预制成型产品要求厚度h为2 mm，长为a，宽为b。
其材料及其制备步骤如下：
    按质量百分比计的预计以下：碳纤维53%，酚醛和丁腈橡胶合计47%（酚醛18%，丁腈橡胶29%），其中该材料的密度为1.38g/cm3。
1）根据公式h=m/（a×b×ρ×n）及材料的尺寸需要计算出碳纤维的理论重量m1；
2）根据步骤1）计算的碳纤维的理论重量m1，及碳纤维股数、规格，对其进行编织，采用纬编针织工艺，编织后呈双反面组织，得到编织物；
3）对编织物称重m2，得到其重量m2小于m1，增加浸胶用的酚醛和丁腈橡胶量，确保材料的密度符合要求；
4）将所述编织物装入浸胶模，按配比称取酚醛和丁腈橡胶，用溶剂溶解后浇入浸胶模，进行真空浸胶，余压小于5mmHg，浸胶时间为5h，然后，晾置20h去除溶剂，得到碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料。
5）浸胶步骤得到的碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料加入到预制模进行成型，并在预制模内放置橡胶气囊，橡胶气囊充气至0.7MPa，对待成型的预制件进行压制1h，再进行升温，加温压制，温度为70℃，加压加温时间为3h；最后降温降压后取出得到整体预制成型的碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料。
该材料产品厚度偏差均控制在±0.05mm以内，确保了产品质量，其耐冲刷性能大幅度提高，其烧蚀率为0.007mm/s。
实施例4：
某预制成型产品要求厚度h为3 mm，长为a，宽为b。
其材料及其制备步骤如下：
    按质量百分比计的预计以下：碳纤维55%，酚醛和丁腈橡胶合计45%（酚醛25%，丁腈橡胶20%），其中该材料的密度为1.38g/cm3。
1）根据公式h=m/（a×b×ρ×n）及材料的尺寸需要计算出碳纤维的理论重量m1；
2）根据步骤1）计算的碳纤维的理论重量m1，及碳纤维股数、规格，对其进行编织，采用纬编针织工艺，编织后呈双反面组织，得到编织物；
3）对编织物称重m2，得到其重量m2小于m1，增加浸胶用的酚醛和丁腈橡胶量，确保材料的密度符合要求；
4）将所述编织物装入浸胶模，按配比称取酚醛和丁腈橡胶，用溶剂溶解后浇入浸胶模，进行真空浸胶，余压小于5mmHg，浸胶时间为4h，然后，鼓风2h去除溶剂，得到碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料。
5）浸胶步骤得到的碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料加入到预制模进行成型，并在预制模内放置橡胶气囊，橡胶气囊充气至0.5MPa，对待成型的预制件进行压制1h，再进行升温，加温压制，温度为60℃，加压加温时间为2h；最后降温降压后取出得到整体预制成型的碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料。
该材料产品厚度偏差均控制在±0.05mm以内，确保了产品质量，其耐冲刷性能大幅度提高，其烧蚀率为0.005mm/s。
实施例5：
某预制成型产品要求厚度h为4 mm，长为a，宽为b。
其材料及其制备步骤如下：
    按质量百分比计的预计以下：碳纤维55%，酚醛和丁腈橡胶合计45%（酚醛18%，丁腈橡胶27%），其中该材料的密度为1.38g/cm3。
1）根据公式h=m/（a×b×ρ×n）及材料的尺寸需要计算出碳纤维的理论重量m1；
2）根据步骤1）计算的碳纤维的理论重量m1，及碳纤维股数、规格，对其进行编织，采用纬编针织工艺，编织后呈双反面组织，得到编织物；
3）对编织物称重m2，得到其重量m2小于m1，增加浸胶用的酚醛和丁腈橡胶量，确保材料的密度符合要求；
4）将所述编织物装入浸胶模，按配比称取酚醛和丁腈橡胶，用溶剂溶解后浇入浸胶模，进行真空浸胶，余压小于5mmHg，浸胶时间为6h，然后，加热温度为60℃，时间为2h干燥去除溶剂，得到碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料。
5）浸胶步骤得到的碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料加入到预制模进行成型，并在预制模内放置橡胶气囊，橡胶气囊充气至0.5MPa，对待成型的预制件进行压制1h，再进行升温，加温压制，温度为60℃，加压加温时间为2h；最后降温降压后取出得到整体预制成型的碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料。
该材料产品厚度偏差均控制在±0.05mm以内，确保了产品质量，其耐冲刷性能大幅度提高，其烧蚀率为0.004mm/s。

Claims (9)

1.一种碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料，其特征在于，由按质量百分比计的以下成分制成：碳纤维50-55%，酚醛18-25%、丁腈橡胶22.5-30%，其中碳纤维采用纬编针织工艺，编织后呈双反面组织，该材料的密度为1.38g/cm3。
2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：材料厚度为1-4mm。
3.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述的碳纤维为53%。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的材料的制备方法，其特征在于,具体步骤为：
1）根据公式h=m/（a×b×ρ×n）及材料的尺寸需要计算出碳纤维的理论重量m1，其中a：材料长度，b：材料宽度，h：材料厚度，m：碳纤维质量，ρ：材料密度，即为1.38g/cm3，n：碳纤维质量百分数；
2）根据步骤1）计算的碳纤维的理论重量m1，及碳纤维股数、规格，对其进行编织得到编织物；
3）对编织物称重m2，根据其重量m2与理论值m1的差异，对浸胶用的酚醛和丁腈橡胶量进行调整，确保材料的密度符合要求；
4）将所述编织物装入浸胶模，按配比称取酚醛和丁腈橡胶，用溶剂溶解后浇入浸胶模，进行真空浸胶，余压小于5mmHg，浸胶时间为4~6h，然后干燥去除溶剂，得到碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤4）中，通过鼓风、加热或者晾置10-24h的措施进行干燥。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：采用鼓风措施时，鼓风时间为1-2h。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：采用加热措施时，加热温度为50℃-60℃，时间为1-2h。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：将4）浸胶步骤得到的碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料加入到预制模进行成型，并在预制模内放置橡胶气囊，橡胶气囊充气至0.5-0.8MPa，加温压制，温度为60-80℃，加压加温时间为2-4h；最后降温降压后取出得到整体预制成型的碳纤维/酚醛-丁腈橡胶材料。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：成型过程中，橡胶气囊在常温下完成充气，然后对待成型的预制件进行压制0.5-1h，再进行升温。
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