CN105086372A - 一种硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料的制备方法，属于复合材料领域。针对目前碳纤维增强树脂复合材料中的碳纤维与树脂的界面结合性能差，机械力学性能下降的弊端，提供了一种硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料的制备方法，该方法因为硅藻土存在大量的纳米孔，将硅藻土加入到碳纤维环氧树脂基体内时，碳纤维环氧树脂分子链可能进入到硅藻土纳米孔中，当其受到外力作用时，硅藻土粒子与碳纤维环氧树脂基体有较强的相互作用，因此对碳纤维环氧树脂的机械力学性能起到增强作用并提高其之间的基体界面结合力。

Description

一种硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及了一种硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料的制备方法，属于复合材料领域。

背景技术

碳纤维增强树脂复合材料（CFRP）是以树脂为基体、碳纤维为增强材料，由先进复合材料的成型工艺制备而成的一系列高性能复合材料。碳纤维增强树脂基复合材料作为先进复合材料的一个重要的分支，具有比强度和比模量高、可设计性好、抗疲劳性能优、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好以及结构成型可设计性且便于大面积整体成型的特点。碳纤维增强树脂基复合材料在很多领域得到了广泛的应用，包括航天航空领域、汽车领域、体育用品领域、风电材料等领域。

对于碳纤维增强树脂复合材料而言，增强材料碳纤维与基体树脂的界面性能对于复合材料最终性能有着重要的影响。如果碳纤维增强树脂复合材料中的碳纤维与树脂的界面性能差，会导致复合材料的力学性能下降，特别是层间剪切强度的下降，从而使得复合材料在使用过程中容易出现分层现象，最终导致碳纤维增强树脂复合材料受到破坏，严重的会造成复合材料的失效与破坏。碳纤维增强树脂复合材料中的碳纤维与树脂的界面性能对复合材料的性能有着重要的影响。

常规的碳纤维表面光滑、活性官能团少、表面能低，呈现表面化学惰性，与树脂基体浸润性较差，最终制得的碳纤维增强树脂复合材料界面黏合力较弱。因此需要对碳纤维表面进行改性，提高其与基体树脂的黏结性，进而提高由其制得的碳纤维增强树脂复合材料的性能。

硅藻土是一种自然界存在的非金属矿物质，目前世界上有近20多个国家已经发现并生产硅藻土，其中我国具有丰富的硅藻土资源，据统计有20亿吨之多，位居世界前茅。硅藻土具有多种优良的特征，其质轻、多孔、吸附能力强、比表面积大、化学惰性，不溶一般酸碱液等物理化学性能，由于硅藻土存在大量的纳米孔，因此将硅藻土加入到碳纤维环氧树脂基体内时，碳纤维环氧树脂分子链可能进入到硅藻土纳米孔中，当其受到外力作用时，硅藻土粒子与碳纤维环氧树脂基体有较强的相互作用，因此对碳纤维环氧树脂的机械力学性能起到增强作用。

发明内容

本发明主要解决的技术问题：针对目前碳纤维增强树脂复合材料中的碳纤维与树脂的界面结合性能差，机械力学性能下降的弊端，提供了一种硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料的制备方法，该方法将氨丙基三乙氧基硅烷倒入乙醇溶液，之后加入干燥的硅藻土，对硅藻土进行改性，将改性后的硅藻土加入碳纤维和乙酸乙酯制得的碳纤维悬浮液中，超声分散后加入双酚A环氧树脂，之后向其加入固化剂，搅拌、抽真空后将其浇入不锈钢模具中，放入平板硫化机中固化即得硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料，该方法因为硅藻土存在大量的纳米孔，将硅藻土加入到碳纤维环氧树脂基体内时，碳纤维环氧树脂分子链可能进入到硅藻土纳米孔中，当其受到外力作用时，硅藻土粒子与碳纤维环氧树脂基体有较强的相互作用，因此对碳纤维环氧树脂的机械力学性能起到增强作用并提高其之间的基体界面结合力。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：

（1）称取100～200g硅藻土放入500mL烧杯中，用去离子水冲洗2～3次，再用真空干燥器干燥后移入马弗炉，在600～700℃下保温2～3h后，取出，放入三角烧瓶，用质量浓度为98%的浓硫酸浸泡30～40min后过滤，之后倒入氢氧化钠溶液中继续浸泡20～30min，过滤，自然晾干备用；

（2）按体积比为5：1分别量取乙醇和蒸馏水倒入烧杯中配制乙醇溶液，之后称取1～5g3-氨丙基三乙氧基硅烷倒入乙醇溶液，用玻璃棒缓慢搅拌10～15min，加入100～150g干燥后的硅藻土，用高速搅拌机在500～600r/min的转速下搅拌30～40min进行改性，之后移入烘箱烘干备用，烘箱温度为105～110℃；

（3）称取50～70g碳纤维连同200～250mL乙酸乙酯溶液一起倒入500mL的烧杯中，之后放置在超声振荡仪上，超声振荡20～30min，使碳纤维充分分散，超声频率为25～30kHz，超声功率为100～150W；

（4）称取50～100g上述改性后的硅藻土，加入到上述制得的碳纤维悬浮液中，继续超声分散1～2h，超声频率为25～30kHz，超声功率为100～150W，之后将100～200g双酚A环氧树脂加入到分散后的碳纤维硅藻土悬浮液中，摇床振荡处理2～3h后移入恒温水浴锅，升温至60～70℃并磁力搅拌以蒸发掉溶剂，磁力搅拌转速为100～200r/min；

（5）向蒸发掉溶剂后的混合液中加入5～10mL固化剂二乙烯三胺，用低速搅拌机搅拌1～2h，搅拌转速为60～120r/min，之后将混合物放入真空干燥箱抽成真空去除多余气体；

（6）将上述混合液浇入不锈钢模具中，放入平板硫化机中升温至150～200℃，固化2～3h后冷却至室温即得一种硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料。

本发明的应用方法：将本发明制得的硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料可以应用到汽车的外壳制备上，该硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料与未加入硅藻土的复合材料的相比，拉伸强度提高了10～15%，冲击强度提高了15～17%，断裂伸长率提高了18～20%。

本发明的有益效果是：

（1）该方法加入硅藻土粒子可以对碳纤维环氧树脂的机械力学性能起到增强作用；

（2）该方法加入硅藻土粒子可以提高碳纤维与环氧树脂基体界面结合力。

具体实施方式

首先称取100～200g硅藻土放入500mL烧杯中，用去离子水冲洗2～3次，再用真空干燥器干燥后移入马弗炉，在600～700℃下保温2～3h后，取出，放入三角烧瓶，用质量浓度为98%的浓硫酸浸泡30～40min后过滤，之后倒入氢氧化钠溶液中继续浸泡20～30min，过滤，自然晾干备用；按体积比为5：1分别量取乙醇和蒸馏水倒入烧杯中配制乙醇溶液，之后称取1～5g3-氨丙基三乙氧基硅烷倒入乙醇溶液，用玻璃棒缓慢搅拌10～15min，加入100～150g干燥后的硅藻土，用高速搅拌机在500～600r/min的转速下搅拌30～40min进行改性，之后移入烘箱烘干备用，烘箱温度为105～110℃；称取50～70g碳纤维连同200～250mL乙酸乙酯溶液一起倒入500mL的烧杯中，之后放置在超声振荡仪上，超声振荡20～30min，使碳纤维充分分散，超声频率为25～30kHz，超声功率为100～150W；

称取50～100g上述改性后的硅藻土，加入到上述制得的碳纤维悬浮液中，继续超声分散1～2h，超声频率为25～30kHz，超声功率为100～150W，之后将100～200g双酚A环氧树脂加入到分散后的碳纤维硅藻土悬浮液中，摇床振荡处理2～3h后移入恒温水浴锅，升温至60～70℃并磁力搅拌以蒸发掉溶剂，磁力搅拌转速为100～200r/min；向蒸发掉溶剂后的混合液中加入5～10mL固化剂二乙烯三胺，用低速搅拌机搅拌1～2h，搅拌转速为60～120r/min，之后将混合物放入真空干燥箱抽成真空去除多余气体；将上述混合液浇入不锈钢模具中，放入平板硫化机中升温至150～200℃，固化2～3h后冷却至室温即得一种硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料。

本发明的应用方法：将本发明制得的硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料可以应用到汽车的外壳制备上，该硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料与未加入硅藻土的复合材料的相比，拉伸强度提高了10～15%，冲击强度提高了15～17%，断裂伸长率提高了18～20%。

实例1

首先称取100g硅藻土放入500mL烧杯中，用去离子水冲洗2次，再用真空干燥器干燥后移入马弗炉，在600℃下保温2h后，取出，放入三角烧瓶，用质量浓度为98%的浓硫酸浸泡30min后过滤，之后倒入氢氧化钠溶液中继续浸泡20min，过滤，自然晾干备用；按体积比为5：1分别量取乙醇和蒸馏水倒入烧杯中配制乙醇溶液，之后称取1g3-氨丙基三乙氧基硅烷倒入乙醇溶液，用玻璃棒缓慢搅拌10min，加入100g干燥后的硅藻土，用高速搅拌机在500r/min的转速下搅拌30min进行改性，之后移入烘箱烘干备用，烘箱温度为105℃；称取50g碳纤维连同200mL乙酸乙酯溶液一起倒入500mL的烧杯中，之后放置在超声振荡仪上，超声振荡20min，使碳纤维充分分散，超声频率为25kHz，超声功率为100W；

称取50g上述改性后的硅藻土，加入到上述制得的碳纤维悬浮液中，继续超声分散1.5h，超声频率为25kHz，超声功率为100W，之后将100g双酚A环氧树脂加入到分散后的碳纤维硅藻土悬浮液中，摇床振荡处理2h后移入恒温水浴锅，升温至60℃并磁力搅拌以蒸发掉溶剂，磁力搅拌转速为100r/min；向蒸发掉溶剂后的混合液中加入5mL固化剂二乙烯三胺，用低速搅拌机搅拌1h，搅拌转速为60r/min，之后将混合物放入真空干燥箱抽成真空去除多余气体；将上述混合液浇入不锈钢模具中，放入平板硫化机中升温至150℃，固化2h后冷却至室温即得一种硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料。

本发明的应用方法：将本发明制得的硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料可以应用到汽车的外壳制备上，该硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料与未加入硅藻土的复合材料的相比，拉伸强度提高了10%，冲击强度提高了15%，断裂伸长率提高了18%。

实例2

首先称取150g硅藻土放入500mL烧杯中，用去离子水冲洗2次，再用真空干燥器干燥后移入马弗炉，在650℃下保温2.5h后，取出，放入三角烧瓶，用质量浓度为98%的浓硫酸浸泡35min后过滤，之后倒入氢氧化钠溶液中继续浸泡25min，过滤，自然晾干备用；按体积比为5：1分别量取乙醇和蒸馏水倒入烧杯中配制乙醇溶液，之后称取3g3-氨丙基三乙氧基硅烷倒入乙醇溶液，用玻璃棒缓慢搅拌12min，加入130g干燥后的硅藻土，用高速搅拌机在550r/min的转速下搅拌35min进行改性，之后移入烘箱烘干备用，烘箱温度为108℃；称取60g碳纤维连同225mL乙酸乙酯溶液一起倒入500mL的烧杯中，之后放置在超声振荡仪上，超声振荡25min，使碳纤维充分分散，超声频率为28kHz，超声功率为125W；

称取80g上述改性后的硅藻土，加入到上述制得的碳纤维悬浮液中，继续超声分散1.5h，超声频率为28kHz，超声功率为120W，之后将150g双酚A环氧树脂加入到分散后的碳纤维硅藻土悬浮液中，摇床振荡处理2.5h后移入恒温水浴锅，升温至65℃并磁力搅拌以蒸发掉溶剂，磁力搅拌转速为150r/min；向蒸发掉溶剂后的混合液中加入8mL固化剂二乙烯三胺，用低速搅拌机搅拌1.5h，搅拌转速为80r/min，之后将混合物放入真空干燥箱抽成真空去除多余气体；将上述混合液浇入不锈钢模具中，放入平板硫化机中升温至180℃，固化2.5h后冷却至室温即得一种硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料。

本发明的应用方法：将本发明制得的硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料可以应用到汽车的外壳上，该硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料与未加入硅藻土的复合材料的相比，拉伸强度提高了13%，冲击强度提高了16%，断裂伸长率提高了19%。

实例3

首先称取200g硅藻土放入500mL烧杯中，用去离子水冲洗3次，再用真空干燥器干燥后移入马弗炉，在700℃下保温3h后，取出，放入三角烧瓶，用质量浓度为98%的浓硫酸浸泡40min后过滤，之后倒入氢氧化钠溶液中继续浸泡30min，过滤，自然晾干备用；按体积比为5：1分别量取乙醇和蒸馏水倒入烧杯中配制乙醇溶液，之后称取5g3-氨丙基三乙氧基硅烷倒入乙醇溶液，用玻璃棒缓慢搅拌15min，加入150g干燥后的硅藻土，用高速搅拌机在600r/min的转速下搅拌40min进行改性，之后移入烘箱烘干备用，烘箱温度为110℃；称取70g碳纤维连同250mL乙酸乙酯溶液一起倒入500mL的烧杯中，之后放置在超声振荡仪上，超声振荡30min，使碳纤维充分分散，超声频率为25～30kHz，超声功率为100～150W；称取100g上述改性后的硅藻土，加入到上述制得的碳纤维悬浮液中，继续超声分散2h，超声频率为30kHz，超声功率为150W，之后将200g双酚A环氧树脂加入到分散后的碳纤维硅藻土悬浮液中，摇床振荡处理3h后移入恒温水浴锅，升温至70℃并磁力搅拌以蒸发掉溶剂，磁力搅拌转速为200r/min；向蒸发掉溶剂后的混合液中加入10mL固化剂二乙烯三胺，用低速搅拌机搅拌2h，搅拌转速为120r/min，之后将混合物放入真空干燥箱抽成真空去除多余气体；将上述混合液浇入不锈钢模具中，放入平板硫化机中升温至200℃，固化3h后冷却至室温即得一种硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料。

本发明的应用方法：将本发明制得的硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料可以应用到汽车的外壳制备上，该硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料与未加入硅藻土的复合材料的相比，拉伸强度提高了15%，冲击强度提高了17%，断裂伸长率提高了20%。

Claims (1)

1.一种硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：

（1）称取100～200g硅藻土放入500mL烧杯中，用去离子水冲洗2～3次，再用真空干燥器干燥后移入马弗炉，在600～700℃下保温2～3h后，取出，放入三角烧瓶，用质量浓度为98%的浓硫酸浸泡30～40min后过滤，之后倒入氢氧化钠溶液中继续浸泡20～30min，过滤，自然晾干备用；

（2）按体积比为5：1分别量取乙醇和蒸馏水倒入烧杯中配制乙醇溶液，之后称取1～5g3-氨丙基三乙氧基硅烷倒入乙醇溶液，用玻璃棒缓慢搅拌10～15min，加入100～150g干燥后的硅藻土，用高速搅拌机在500～600r/min的转速下搅拌30～40min进行改性，之后移入烘箱烘干备用，烘箱温度为105～110℃；

（3）称取50～70g碳纤维连同200～250mL乙酸乙酯溶液一起倒入500mL的烧杯中，之后放置在超声振荡仪上，超声振荡20～30min，使碳纤维充分分散，超声频率为25～30kHz，超声功率为100～150W；

（4）称取50～100g上述改性后的硅藻土，加入到上述制得的碳纤维悬浮液中，继续超声分散1～2h，超声频率为25～30kHz，超声功率为100～150W，之后将100～200g双酚A环氧树脂加入到分散后的碳纤维硅藻土悬浮液中，摇床振荡处理2～3h后移入恒温水浴锅，升温至60～70℃并磁力搅拌以蒸发掉溶剂，磁力搅拌转速为100～200r/min；

（5）向蒸发掉溶剂后的混合液中加入5～10mL固化剂二乙烯三胺，用低速搅拌机搅拌1～2h，搅拌转速为60～120r/min，之后将混合物放入真空干燥箱抽成真空去除多余气体；

（6）将上述混合液浇入不锈钢模具中，放入平板硫化机中升温至150～200℃，固化2～3h后冷却至室温即得一种硅藻土/碳纤维环氧树脂复合材料。