CN105647121A - 一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，以重量份计，包括以下组分：双酚A型环氧树脂50-80份，木质素纤维2-8份，碳纤维5-10份，粘胶纤维3-6份，羧甲基纤维素钠2-5份，羟乙基纤维素1-3份，桐油5-10份，二甲基硅油5-10份，硬脂酸甘油酯5-15份，聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯5-10份，固化剂3-6份，活性稀释剂3-8份。本发明还公开了该复合材料的制备方法。该材料具有高的比强度、比模量、疲劳强度和耐高温等优异性能，耐裂纹性能和断裂韧性好，稳定性好，广泛应用于航空航天、汽车、自行车等领域。

Description

一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及复合材料领域，具体的涉及一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料。
背景技术：
碳纤维/环氧树脂复合材料是碳纤维复合材料中的一个重要分支。碳纤维增强环氧树脂复合材料具有高的比强度、比模量、疲劳强度和耐高温等优异性能，它还具有密度小、热膨胀系数小、耐腐蚀和抗蠕变性能优异及整体性好、抗分层、抗冲击等特点。在加工成型过程中，碳纤维增强环氧树脂复合材料具有易大面积整体成型等独特优点。目前，碳纤维/环氧树脂复合材料已广泛应用于航空航天、化工、自行车、汽车等领域。
常用的碳纤维表面光滑，活性官能团少，表面能低，呈现表面化学惰性，与环氧树脂基体浸润性较差，复合材料界面粘合力较弱，因此，需要对碳纤维进行表面处理，提高其与基体树脂的粘结性，进而提高复合材料的性能。但是该方法会使碳纤维受到不同程度的损伤，造成复合材料抗冲击性能明显下降。而通用型的环氧树脂固化后脆硬，抗冲击性能和耐热性差。近年来，碳纤维/环氧树脂复合材料改性以进一步提高其综合性能深受重视。
木质素纤维是天然木材经过化学处理得到的有机纤维，外观为棉絮状，呈白色或灰白色。通过筛选、分裂、高温处理、漂白、化学处理、中和、筛分成不同长度和粗细度的纤维以适应不同应用材料的需要.由于处理温度高达250℃以上，在通常条件下是化学上非常稳定的物质，不为一般的溶剂、酸、碱腐蚀，具有无毒、无味、无污染、无放射性的优良品质，不影响环境，对人体无害，属绿色环保产品，其纤维微观结构是带状弯曲的，凹凸不平的，多孔的，交叉处是扁平的，有良好的韧性、分散性和化学稳定性。
发明内容：
本发明的目的是提供一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，该材料具有高的比强度、比模量、疲劳强度和耐高温等优异性能，耐裂纹性能和断裂韧性好，稳定性好，广泛应用于航空航天、汽车、自行车等领域。
本发明的另一个目的是提供该材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，以重量份计，包括以下组分：
双酚A型环氧树脂50-80份，
木质素纤维2-8份，碳纤维5-10份，
粘胶纤维3-6份，羧甲基纤维素钠2-5份，
羟乙基纤维素1-3份，桐油5-10份，
二甲基硅油5-10份，硬脂酸甘油酯5-15份，
聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯5-10份，
固化剂3-6份，活性稀释剂3-8份。
作为上述技术方案的优选，一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，以重量份计，包括以下组分：
双酚A型环氧树脂60份，
木质素纤维8份，碳纤维10份，
粘胶纤维5份，羧甲基纤维素钠5份，
羟乙基纤维素2份，桐油10份，
二甲基硅油8份，硬脂酸甘油酯12份，
聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯10份，
固化剂4份，活性稀释剂5份。
作为上述技术方案的优选，所述双酚A型环氧树脂为双酚A二缩水甘油醚、单分子双酚A型环氧树脂中的一种或两种混合。
作为上述技术方案的优选，所述木质素纤维的长度为5-10μm，其灰分含量为≤2％。
作为上述技术方案的优选，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维中的一种或多种混合，其直径为50-100nm，长度为0.5-1μm。
作为上述技术方案的优选，所述粘胶纤维的干态强度＞30.0cN/dtex，其密度为1.50-1.52g/cm3。
作为上述技术方案的优选，所述固化剂为有机硅交联剂XR-500、改性淀粉、2,4-二苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或多种混合。
作为上述技术方案的优选，所述活性稀释剂的分子量小于1500，端基为二甲基甲氧基甲硅烷基或二甲基乙氧基甲硅烷基的聚氧化丙烯醚。
一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将木质素纤维、碳纤维、粘胶纤维、羧甲基纤维素钠、二甲基硅油和硬脂酸甘油酯混合搅拌均匀，升温至40-50℃，超声20-40min，得到混合填料；
(2)将双酚A型环氧树脂、羟乙基纤维素、桐油和聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯，混合，在50-60℃下，搅拌30-60min，加入步骤(1)得到的混合填料，继续搅拌1-2h，加入活性稀释剂和固化剂，在800-1000W的功率下，超声1-3h，转移至模具，真空条件下除气泡，在150-200℃下，固化成型，得到木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述超声的功率为1000W。
本发明具有以下有益效果：
木质素纤维的纤维微观结构是带状弯曲的，凹凸不平的，多孔的，交叉处是扁平的，有良好的韧性、分散性和化学稳定性，有非常优秀的抗裂性能，其加入到碳纤维/环氧树脂复合材料中，可以有效提高复合材料的耐裂纹性能和断裂韧性；
本发明采用的粘胶纤维具有高强力，可以有效提高复合材料的强度和抗冲击性能，羧甲基纤维素钠的加入使得木质素纤维、粘胶纤维、碳纤维与树脂良好的相容性，从而提高复合材料的性能。
具体实施方式：
为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。
实施例1
一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，以重量份计，包括以下组分：
双酚A型环氧树脂50份，木质素纤维2份，
碳纤维5份，粘胶纤维3份，羧甲基纤维素钠2份，
羟乙基纤维素1份，桐油5份，二甲基硅油份，
硬脂酸甘油酯5份，聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯5份，
固化剂3份，活性稀释剂3份。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将木质素纤维、碳纤维、粘胶纤维、羧甲基纤维素钠、二甲基硅油和硬脂酸甘油酯混合搅拌均匀，升温至40℃，超声20min，得到混合填料；
(2)将双酚A型环氧树脂、羟乙基纤维素、桐油和聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯，混合，在50℃下，搅拌30min，加入步骤(1)得到的混合填料，继续搅拌1h，加入活性稀释剂和固化剂，在800W的功率下，超声1h，转移至模具，真空条件下除气泡，在150℃下，固化成型，得到木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料。
实施例2
一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，以重量份计，包括以下组分：
双酚A型环氧树脂80份，木质素纤维8份，
碳纤维10份，粘胶纤维6份，羧甲基纤维素钠5份，
羟乙基纤维素3份，桐油10份，二甲基硅油10份，
硬脂酸甘油酯15份，聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯10份，
固化剂6份，活性稀释剂8份。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将木质素纤维、碳纤维、粘胶纤维、羧甲基纤维素钠、二甲基硅油和硬脂酸甘油酯混合搅拌均匀，升温至50℃，超声40min，得到混合填料；
(2)将双酚A型环氧树脂、羟乙基纤维素、桐油和聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯，混合，在60℃下，搅拌60min，加入步骤(1)得到的混合填料，继续搅拌2h，加入活性稀释剂和固化剂，在1000W的功率下，超声3h，转移至模具，真空条件下除气泡，在200℃下，固化成型，得到木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料。
实施例3
一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，以重量份计，包括以下组分：
双酚A型环氧树脂60份，木质素纤维3份，
碳纤维6份，粘胶纤维4份，羧甲基纤维素钠3份，
羟乙基纤维素1.5份，桐油6份，二甲基硅油6份，
硬脂酸甘油酯7份，聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯6份，
固化剂4份，活性稀释剂4份。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将木质素纤维、碳纤维、粘胶纤维、羧甲基纤维素钠、二甲基硅油和硬脂酸甘油酯混合搅拌均匀，升温至45℃，超声25min，得到混合填料；
(2)将双酚A型环氧树脂、羟乙基纤维素、桐油和聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯，混合，在55℃下，搅拌40min，加入步骤(1)得到的混合填料，继续搅拌1.2h，加入活性稀释剂和固化剂，在850W的功率下，超声1.5h，转移至模具，真空条件下除气泡，在160℃下，固化成型，得到木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料。
实施例4
一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，以重量份计，包括以下组分：
双酚A型环氧树脂65份，木质素纤维4份，
碳纤维7份，粘胶纤维4.5份，羧甲基纤维素钠3.5份，
羟乙基纤维素1.8份，桐油7份，二甲基硅油7份，
硬脂酸甘油酯9份，聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯7份，
固化剂4.5份，活性稀释剂5份。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将木质素纤维、碳纤维、粘胶纤维、羧甲基纤维素钠、二甲基硅油和硬脂酸甘油酯混合搅拌均匀，升温至50℃，超声30min，得到混合填料；
(2)将双酚A型环氧树脂、羟乙基纤维素、桐油和聚氧乙烯二甘油硼酸酯，混合，在60℃下，搅拌45min，加入步骤(1)得到的混合填料，继续搅拌1.4h，加入活性稀释剂和固化剂，在900W的功率下，超声1.8h，转移至模具，真空条件下除气泡，在170℃下，固化成型，得到木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料。
实施例5
一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，以重量份计，包括以下组分：
双酚A型环氧树脂70份，木质素纤维5份，
碳纤维8份，粘胶纤维5份，羧甲基纤维素钠4份，
羟乙基纤维素2份，桐油8份，二甲基硅油8份，
硬脂酸甘油酯11份，聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯8份，
固化剂5份，活性稀释剂6份。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将木质素纤维、碳纤维、粘胶纤维、羧甲基纤维素钠、二甲基硅油和硬脂酸甘油酯混合搅拌均匀，升温至50℃，超声35min，得到混合填料；
(2)将双酚A型环氧树脂、羟乙基纤维素、桐油和聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯，混合，在60℃下，搅拌50min，加入步骤(1)得到的混合填料，继续搅拌1.6h，加入活性稀释剂和固化剂，在950W的功率下，超声2h，转移至模具，真空条件下除气泡，在180℃下，固化成型，得到木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料。
实施例6
一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，以重量份计，包括以下组分：
双酚A型环氧树脂75份，木质素纤维7份，
碳纤维9份，粘胶纤维5.5份，羧甲基纤维素钠4.5份，
羟乙基纤维素2份，桐油9份，二甲基硅油9份，
硬脂酸甘油酯13份，聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯9份，
固化剂5.5份，活性稀释剂7份。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将木质素纤维、碳纤维、粘胶纤维、羧甲基纤维素钠、二甲基硅油和硬脂酸甘油酯混合搅拌均匀，升温至40℃，超声40min，得到混合填料；
(2)将双酚A型环氧树脂、羟乙基纤维素、桐油和聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯，混合，在50℃下，搅拌55min，加入步骤(1)得到的混合填料，继续搅拌1.8h，加入活性稀释剂和固化剂，在1000W的功率下，超声2.5h，转移至模具，真空条件下除气泡，在190℃下，固化成型，得到木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料。
下面对本发明提供的复合材料进行性能测试，对比例为普通碳纤维/环氧树脂复合材料。测试结果如表1所示：
表1
从表1可以看出，本发明提供的木质素纤维改性的碳纤维/环氧树脂复合材料与普通碳纤维/环氧树脂复合材料相比，具有优异的拉伸强度和抗压强度，力学性能优异。

Claims (10)

1.一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，其特征在于，以重量份计，包括以下组分：
双酚A型环氧树脂50-80份，
木质素纤维2-8份，碳纤维5-10份，
粘胶纤维3-6份，羧甲基纤维素钠2-5份，
羟乙基纤维素1-3份，桐油5-10份，
二甲基硅油5-10份，硬脂酸甘油酯5-15份，
聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯5-10份，
固化剂3-6份，活性稀释剂3-8份。
2.如权利要求1所述的一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，其特征在于，以重量份计，包括以下组分：
双酚A型环氧树脂60份，
木质素纤维8份，碳纤维10份，
粘胶纤维5份，羧甲基纤维素钠5份，
羟乙基纤维素2份，桐油10份，
二甲基硅油8份，硬脂酸甘油酯12份，
聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯10份，
固化剂4份，活性稀释剂5份。
3.如权利要求1所述的一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，其特征在于，所述双酚A型环氧树脂为双酚A二缩水甘油醚、单分子双酚A型环氧树脂中的一种或两种混合。
4.如权利要求1所述的一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，其特征在于，所述木质素纤维的长度为5-10μm，其灰分含量为≤2％。
5.如权利要求1所述的一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，其特征在于，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维中的一种或多种混合，其直径为50-100nm，长度为0.5-1μm。
6.如权利要求1所述的一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，其特征在于，所述粘胶纤维的干态强度＞30.0cN/dtex，其密度为1.50-1.52g/cm3。
7.如权利要求1所述的一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，其特征在于，所述固化剂为有机硅交联剂XR-500、改性淀粉、2,4-二苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或多种混合。
8.如权利要求1所述的一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，其特征在于，所述活性稀释剂的分子量小于1500，端基为二甲基甲氧基甲硅烷基或二甲基乙氧基甲硅烷基的聚氧化丙烯醚。
9.如权利要求1至8任一所述的一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将木质素纤维、碳纤维、粘胶纤维、羧甲基纤维素钠、二甲基硅油和硬脂酸甘油酯混合搅拌均匀，升温至40-50℃，超声20-40min，得到混合填料；
(2)将双酚A型环氧树脂、羟乙基纤维素、桐油和聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯，混合，在50-60℃下，搅拌30-60min，加入步骤(1)得到的混合填料，继续搅拌1-2h，加入活性稀释剂和固化剂，在800-1000W的功率下，超声1-3h，转移至模具，真空条件下除气泡，在150-200℃下，固化成型，得到木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料。
10.如权利要求9所述的一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述超声的功率为1000W。
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