CN105733259B - 一种碳纤维增强聚酰胺酰亚胺预浸料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于先进复合材料领域，具体涉及一种碳纤维增强聚酰胺酰亚胺预浸料，以重量百分比计，其制备原料包括：聚酰胺酰亚胺20～50%、聚醚砜树脂10～30%、碳纤维20～40%、助剂1～10%，以及适量稀释剂，其量依据粘度而定。该预浸料的制备方法包括：（1）备料；（2）制备基体树脂；（3）调节混合液粘度；（4）碳纤维浸胶；（5）将浸胶后碳纤维中的稀释剂部分脱除。本发明制备出的预浸料可根据需求进一步制备成任何形状的碳纤维增强聚酰胺酰亚胺复合材料，并且在250℃环境下具有优良的耐磨性和力学性能，大大拓宽了碳纤维复合材料的应用范围。

Description

一种碳纤维增强聚酰胺酰亚胺预浸料及其制备方法
技术领域
本发明属于先进复合材料领域，具体涉及一种碳纤维增强聚酰胺酰亚胺预浸料及其制备方法。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比模量、耐烧蚀、耐腐蚀、抗疲劳和尺寸稳定等一系列优异性能，已经成功用于航空、航天等军工领域。目前，随着我国碳纤维加工技术的日益成熟，生产成本逐步降低，使得碳纤维在民用领域也迅速扩大，如用于飞机及高速列车刹车系统、民用飞机及汽车复合材料结构件、高性能碳纤维轴承、风力发电机大型叶片、体育运动器材等。而碳纤维增强树脂基复合材料的关键技术在于纤维、树脂和预浸料的制备工艺。
预浸料是复合材料生产中重要的中间产品，预浸料品质的优劣直接影响复合材料的整体性能，一般是由碳纤维纱、树脂、离型纸等材料，经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取等工艺加工而成，又名碳纤维预浸布；其可根据模具形状做成任何形状的制品，成型容易，便于加工。近年来，先进复合材料技术的发展主要集中在环氧树脂预浸料的研制，其中，中国专利CN102108188A公开的有环氧基体树脂、预浸料及其制备方法和制备装置，CN1926188A公开的有纤维增强复合材料用环氧树脂组合物、预浸料坯及纤维增强复合材料，以上专利通过对环氧树脂的固化剂和固化温度进行改进最终得到性能优异的热熔预浸料；但耐热温范围窄、韧性差，使其应用范围十分有限，难以在航空航天，摩擦材料等对耐温性要求较高的领域发挥作用。
聚酰胺酰亚胺是由酰亚胺环和酰胺键有规则交替排列的一类聚合物，其使用温度范围广，在零下195℃至260℃间均具有优越的机械性能，尺寸稳定性和抗蠕变性优良，耐腐蚀、耐辐照，耐磨耐碱性好，黏结力和贮存稳定性好。另外，聚酰胺酰亚胺在高性能树脂中价格较低，现已广泛用于高性能绝缘材料、玻璃纤维层压板黏合剂及耐高温黏合剂和不粘锅涂料粘合剂。但聚酰胺酰亚胺的软化点温度高，粘度大，将树脂浸渍到增强纤维束中比较困难，难以用于纤维增强预浸料的制备。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种碳纤维增强聚酰胺酰亚胺预浸料及其制备方法，本发明预浸料弯曲强度大、弯曲模量高，可根据需求进一步制备成任何形状的碳纤维增强聚酰胺酰亚胺复合材料，并且在250℃环境下具有优良的耐磨性和力学性能，大大拓宽了碳纤维复合材料的应用范围。
为达到上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种碳纤维增强聚酰胺酰亚胺预浸料，以重量百分比计，其制备原料包括：聚酰胺酰亚胺20～50％、聚醚砜树脂10～30％、碳纤维20～40％、助剂1～10％；以及稀释剂，其量依据粘度而定。
其中，所述稀释剂为甲苯、二甲苯、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种，优选二甲苯、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺中的至少一种。所述助剂为有机硅类偶联剂或表面活性剂。所述聚酰胺酰亚胺分子量的范围为6000～15000。
上述碳纤维增强聚酰胺酰亚胺预浸料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按上述重量百分比备料；
(2)将所述聚醚砜树脂在120℃条件下干燥2h，再与聚酰胺酰亚胺均匀混合，制得基体树脂；
(3)将所得基体树脂、所述稀释剂及助剂在90～100℃条件下搅拌混合均匀，得到混合液A，所述稀释剂用量以使混合液A粘度达到3000～7000cP为准；
(4)将所得混合液A加入到浸胶槽中，控制温度至90～120℃，同时，将所述碳纤维加热至100～150℃，并导入浸胶槽中，将纤维束分散，使混合液A充分浸润碳纤维；
(5)将浸胶后碳纤维中的稀释剂部分脱除，即得到本发明聚酰胺酰亚胺预浸料。
优选的，本发明通过烘烤对浸胶后碳纤维中的稀释剂进行脱除，温度控制在100～230℃，稀释剂含量脱除至20wt％以下。
更优选的，本发明通过分级烘烤对浸胶后碳纤维中的稀释剂进行脱除，先进行低温烘烤，温度控制在100～260℃，再进行高温烘烤温度控制在160～320℃，使稀释剂含量脱除至10～12wt％。
与1.本发明严格控制聚酰胺酰亚胺的分子量，使得树脂的粘度较低，易于浸润纤维，在浸润完成后，通过控制温度及稀释剂的脱除速度，使树脂中活性基团的聚合反应继续发生，树脂分子量进一步增大，从而制备出高性能预浸料。
2.聚醚砜为热塑性塑料，热变形温度在200℃以上，在200℃下机械性能基本不变，在高温下有优良的抗蠕变性和尺寸稳定性。本发明将特定比例的聚酰胺酰亚胺和聚醚砜复配，充分发挥了二者之间的协同作用，可提高材料的韧性及其与纤维的界面性能，使得到的碳纤维增强树脂复合材料具有弯曲强度大和弯曲模量高等优点。
3.利用本发明制备的碳纤维预浸料可根据需求进一步制备成任何形状的碳纤维增强聚酰胺酰亚胺复合材料，在250℃环境下具有优良耐磨性和力学性能，大大拓宽了碳纤维复合材料的应用范围。
现有技术相比，本发明具有如下积极有益效果。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步介绍本发明。在以下具体实施例中，所涉及的操作未注明条件者，均按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用原料未注明生产厂商及规格者均为可以通过市购获得的常规产品。以下实施例所涉及的部分原料信息如下：
聚醚砜为德国BASF公司生产(型号E3010)，聚酰胺酰亚胺为夸克公司生产(型号SI-3065)，碳纤维为蓝星化工生产(24K，T-300)，助剂为德国BYK公司生产的BYK310、BYK333。
以下具体实施例的性能测试中，先将所得预浸料用模压成型工艺成型，具体成型工艺依次控制固化温度、压力和时间为230～240℃/0MPa/1～2h、260～280℃/2MPa/1h、300～320℃/5MPa/10min～30min，制得样品按照GBT1449-2005纤维增强塑料弯曲性能试验方法及GBT1447-2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法，测试弯曲性能和拉伸性能。
实施例1
一种碳纤维增强聚酰胺酰亚胺预浸料的制备方法，包括以下步骤：
(1)备料：聚酰胺酰亚胺50％、聚醚砜树脂16％、碳纤维20％、助剂(BYK310)5％，余量为稀释剂，稀释剂为二甲苯和二甲基甲酰胺的混合溶剂，质量比3:7；
(2)将所述聚醚砜树脂在120℃条件下干燥2h，再与聚酰胺酰亚胺均匀混合，制得基体树脂；
(3)将所得基体树脂、所述稀释剂及助剂在90℃条件下搅拌混合均匀，得到混合液A，所述稀释剂用量以使混合液A粘度达到4000cP为准；
(4)将所得混合液A加入到浸胶槽中，控制温度至100℃，同时，将所述碳纤维加热至100℃，并导入浸胶槽中，用导辊将纤维束分散，使混合液A充分浸润碳纤维；
(5)将浸胶后碳纤维中的稀释剂部分脱除，在低温烘箱中烘烤的时间和温度为140℃/15min，再在高温烘箱中烘烤的时间和温度为230℃/20min，最终稀释剂含量为11wt％，脱除的稀释剂通过冷凝器冷凝回收，重复利用，即得到聚酰胺酰亚胺预浸料；
(6)将得到的预浸料通过压机在温度较高时进行压平处理，而后冷却，最后通过导轮整边收卷，用此预浸料制备的复合材料具体性能参数见表1。
实施例2
一种碳纤维增强聚酰胺酰亚胺预浸料的制备方法，包括以下步骤：
(1)备料：聚酰胺酰亚胺20％、聚醚砜树脂14％、碳纤维40％、助剂(BYK310)10％，余量为稀释剂，稀释剂为二甲苯和二甲基乙酰胺的混合溶剂，质量比5:5；
(2)将所述聚醚砜树脂在120℃条件下干燥2h，再与聚酰胺酰亚胺均匀混合，制得基体树脂；
(3)将所得基体树脂、所述稀释剂及助剂在90℃条件下搅拌混合均匀，得到混合液A，所述稀释剂用量以使混合液A粘度达到3500cP为准；
(4)将所得混合液A加入到浸胶槽中，控制温度至90℃，同时，将所述碳纤维加热至100℃，并导入浸胶槽中，用导辊将纤维束分散，使混合液A充分浸润碳纤维；
(5)将浸胶后碳纤维中的稀释剂部分脱除，在低温烘箱中烘烤的时间和温度为140℃/15min，再在高温烘箱中烘烤的时间和温度为230℃/20min，最终稀释剂含量为10wt％，脱除的稀释剂通过冷凝器冷凝回收，重复利用，即得到聚酰胺酰亚胺预浸料；
(6)将得到的预浸料通过压机在温度较高时进行压平处理，而后冷却，最后通过导轮整边收卷，用此预浸料制备的复合材料具体性能参数见表1。
实施例3
一种碳纤维增强聚酰胺酰亚胺预浸料的制备方法，包括以下步骤：
(1)备料：聚酰胺酰亚胺22.5％、聚醚砜树脂30％、碳纤维30％、助剂(BYK333)1％；以及适量稀释剂，稀释剂为二甲苯和二甲基乙酰胺的混合溶剂，质量比2:8；
(2)将所述聚醚砜树脂在120℃条件下干燥2h，再与聚酰胺酰亚胺均匀混合，制得基体树脂；
(3)将所得基体树脂、所述稀释剂及助剂在90℃条件下搅拌混合均匀，得到混合液A，所述稀释剂用量以使混合液A粘度达到6000cP为准；
(4)将所得混合液A加入到浸胶槽中，控制温度至120℃，同时，将所述碳纤维加热至120℃，并导入浸胶槽中，用导辊将纤维束分散，使混合液A充分浸润碳纤维；
(5)将浸胶后碳纤维中的稀释剂部分脱除，在低温烘箱中烘烤的时间和温度为160℃/15min，再在高温烘箱中烘烤的时间和温度为230℃/20min，最终稀释剂含量为12wt％，脱除的稀释剂通过冷凝器冷凝回收，重复利用，即得到聚酰胺酰亚胺预浸料；
(6)将得到的预浸料通过压机在温度较高时进行压平处理，而后冷却，最后通过导轮整边收卷，用此预浸料制备的复合材料具体性能参数见表1。
表1实施例1～3所得预浸料制备复合材料的具体性能参数
实施例 拉伸强度MPa 拉伸模量MPa 弯曲强度MPa 弯曲模量GPa
1 1532 60742 1105 80.332
2 1643 63562 1235 85.783
3 1621 65054 1303 87.013
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种碳纤维增强聚酰胺酰亚胺预浸料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）备料：聚酰胺酰亚胺22.5%、聚醚砜树脂30%、碳纤维 30%、助剂BYK333 1%；以及适量稀释剂，稀释剂为二甲苯和二甲基乙酰胺的混合溶剂，质量比2:8；
（2）将所述聚醚砜树脂在120℃条件下干燥2h，再与聚酰胺酰亚胺均匀混合，制得基体树脂；
（3）将所得基体树脂、所述稀释剂及助剂在90℃条件下搅拌混合均匀，得到混合液A，所述稀释剂用量以使混合液A粘度达到6000cP为准；
（4）将所得混合液A加入到浸胶槽中，控制温度至120℃，同时，将所述碳纤维加热至120℃，并导入浸胶槽中，用导辊将纤维束分散，使混合液A充分浸润碳纤维；
（5）将浸胶后碳纤维中的稀释剂部分脱除，在低温烘箱中烘烤的时间和温度为160℃/15min，再在高温烘箱中烘烤的时间和温度为230℃/20min，最终稀释剂含量为12wt%，脱除的稀释剂通过冷凝器冷凝回收，重复利用，即得到聚酰胺酰亚胺预浸料。
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