CN106519267B - 一种用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜及其制备方法，将环氧树脂、酚醛树脂、潜伏性固化剂、促进剂、胺类固化剂、纳米填料和溶剂按重量份混合均匀得到的混合料，涂布在离型基材上，构成以混合料为中间层，离型基材为上、下表面层的结构，经收卷或者裁切成合适尺寸的片材，得到纳米导气膜。本发明所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜的制备方法，成功制得纳米导气膜，其运用于复合材料成型过程中，可有效导出或者细化材料间固有的气泡及成型过程中产生的气泡，使得制品外观光滑饱满，无缺胶，无针孔，提高产品的良率。

Description

一种用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料成型领域，尤其是一种用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜及其制备方法。
背景技术
目前所有采用纤维复合材料生产的制品，如球拍、自行车、无人机、球棒等，在制品生产过程中，由于受模具、材料、离型剂、气压以及天气的变化影响，产品出来后表面会出现不平、缺料、针孔的现象，特别是一些产品要求表面特殊材料的纹理时，一旦产品出现上述外观不良，产品就变为次级品，即便没有造成报废，外观也需要修复，当前各生产工厂都是采取增加后续繁锁的补土工序来弥补，以致达到修补外观的要求，通常的做法是采取在粗细补工段，以多补、多喷、多磨环氧树脂底漆填平的方式处理，这种方式，大大增加生产工厂的物料成本和员工的劳动强度，同时这种反复多补、多喷、多磨的外理方式，也会造成产品超磨，影响强度，拉长工序导致效率低下，还会造成产品的一些技术指标不达标，如：W/B(重量与平衡)、MOI(动力平衡)、SI(硬度)、RA(刚性)、VIBRATION FREQUENCY(振动频率)等等，造成最终呆滞品。另外传统的补土车间，打磨粉尘大，工作环境恶劣，对操作工人存在安全隐患，间接增加劳动力成本，该问题已经成为制约行业发展的瓶颈，需要迫切对加工工艺进行革命。
专利申请CN 104647636 A公开了一种具有层内导气通路的梯度预浸料的制备方法，通过对预浸料制备过程中复合工艺参数的调控，控制树脂对干态纤维的浸渍程度，使树脂在预浸料厚度方向存在中间层对称的分布梯度，在对纤维实现浸润的同时，预浸料层内预留气体的排出通道，进而完成具有层内导气通路的梯度预浸料的制备，但是其导气通道尺寸为非纳米级，容易造成气体聚集，产生大气孔，最终造成产品缺胶，不适用于纤维复合材料。
发明内容
本发明所要解决的问题是克服现有技术存在的不足，提供一种用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜的制备方法。
对造成制品外观缺陷的原因进行分析，发现主要涉及以下三个方面：
1、加工过程中，气体向表面迁移，固化过程中来不及释放，固化后造成孔隙。这些气体主要来源于：a、树脂中残留的溶剂受热挥发；b、缠绕过程中层间夹带的空气；c、固化分解的挥发性产物；d、碳布本身存在一定的孔隙率。
2、制品加热固化过程中，其中的树脂经历了软化、流动态、凝胶态、固态的转变，其中夹杂的气体在模具的界面处由小气泡融合成大气泡，成型脱模后，表现为外观的缺胶或针孔。
3、制程的限制：a、制程升温速度的设定，整个固化过程从树脂软化流动到固化反应，只有几分钟的时间，没有足够的时间来排除气体；b、为了便于操作及降低成本，一般预浸料树脂含量较低，很难通过多余的树脂的流动来填补缺陷。
基于对以上原因的分析，本发明制备出一种用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜，其作用是在复材制品高温高压成型过程中，将气体导出。本发明所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜的制备方法中，采用了纳米填料，其具有高比表面积，可形成孔径为10-9～10-10m的微纳孔，很好吸附制品中固有的气体；另一方面，纳米填料可以防止小气泡聚集成大气泡，同时将固有的大气泡细化成小气泡，小气泡的尺寸小于50微米，肉眼就很难分辨，致使最终成型的制品，在肉眼看来外观光滑饱满，无缺胶，无针孔。
本发明所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜的制备方法中，将混合料涂布于离型基材上，并在混合料的表面再覆上一层离型基材，离型基材的作用在于保护混合料。纳米导气膜使用时，将上下离型基材撕除，纳米导气膜与其他纤维材料贴合，经高温高压模内成型获得外观饱满的制品。
本发明所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜的制备方法中，关键组分的用量范围基于以下考虑：潜伏性固化剂的用量要根据体系的环氧当量计算，过多则影响整体强度，过少则固化不完全；纳米填料的含量过多则体系粘度急剧升高不利于涂布，过少则起不到纳米导气的良好效果；溶剂含量过高首先是粘度很低不利于涂布成厚涂层，其次过高使得烘烤的能耗也相应提高，若过低则粘度太大，不利于涂布；胺类固化剂的用量，过高则体系的保质期比较短，过低涂布后样品黏性大不利于手接触操作会粘胶。这些组分含量的选择旨在保证本发明所制备的纳米导气膜具备优良的性能。
本发明所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜的制备方法中，潜伏性固化剂、促进剂的用量和体系中的环氧当量相关。
本发明所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜的制备方法中，涂布完混合料的厚度为10-500μm，高于500μm考虑到样品在成型模腔内会受到挤压树脂流失会，势必造成原料的浪费，而且运输或者挤压过程容易边缘挤出，低于10μm加工难度大，品质难以控制，使用效果不佳。
本发明所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜的制备方法中，烘干处理的温度为25-90℃，烘干处理后剩余溶剂质量含量范围为0.1-1％，这是因为25℃为室温，低于则需要特意控制，设备投入大，而且该体系在25℃以下配料时粘度很大不利于操作，高于90℃某些固化剂已经启动反应，物料容易产生热量聚集，从而爆聚，影响产品性能。
具体方案如下：
一种用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜，按照以下步骤制备得到：
(1)按重量份数称取以下各组分，搅拌混合均匀，得到混合料；
(2)将步骤(1)中所得的混合料涂布于离型基材上；
(3)当溶剂的重量份为0时，在步骤(2)中的涂布好的混合料表面覆上一层离型基材，构成以混合料为中间层，离型基材为上、下表面层结构的片材；当溶剂的重量份大于0小于等于30时，先将步骤(2)中涂布好的混合料干燥，再在干燥后的混合料表面覆上一层离型基材，构成以混合料为中间层，离型基材为上、下表面层结构的片材；
(4)收卷或者裁切步骤(3)中所得的片材，得到用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜。
进一步的，所述的步骤(1)中的环氧树脂为环氧树脂E-12，环氧树脂E-21，环氧树脂E-44，环氧树脂E-51中的至少一种。
进一步的，所述的步骤(1)中的潜伏性固化剂为双氰胺、有机酰肼、胺硅酸盐中的至少一种；
任选的，所述的步骤(1)中的促进剂为有机脲类或咪唑类；
任选的，所述的步骤(1)中的胺类固化剂为芳香胺、脂肪胺、脂环胺、聚酰胺。
进一步的，所述的步骤(1)中的纳米填料为二氧化硅、碳纳米管、石墨烯中的一种或者多种组合。
进一步的，所述的步骤(1)中的二氧化硅为无定型二氧化硅，比表面范围为100-2000m2/g。
进一步的，所述的步骤(1)中的纳米填料为单臂结构碳纳米管，直径1-2nm，长度5-30μm；
进一步的，所述的步骤(1)中的纳米填料为多臂结构碳纳米管，直径30-50nm，长度10-30μm；
进一步的，所述的步骤(1)中的纳米填料为石墨烯，片层直径5-20um，径厚比≥1000。
进一步的，所述的步骤(1)中的溶剂为酯类溶剂、酮类溶剂、醇类溶剂中的至少一种。
进一步的，所述的步骤(1)中搅拌混合的温度为25-90℃；
任选的，所述的步骤(1)中搅拌混合的温度为50-70℃。
进一步的，所述的步骤(2)中涂布的方式为逗号刮涂、光辊涂布或狭缝式涂布；
任选的，涂布完混合料的厚度为10-500μm。
进一步的，所述的步骤(2)和(3)中离型基材为是离型纸、PET离型膜或PE离型膜。
进一步的，所述的步骤(3)中烘干处理的温度为25-90℃，烘干处理后剩余溶剂质量含量范围为0.1-1％；
任选的，所述的步骤(3)中烘干处理后剩余溶剂质量含量变化范围为0.2-0.5％；
任选的，所述的步骤(3)中烘干处理的温度为50-70℃，烘干处理后剩余溶剂质量含量范围为0.1-1％。
一种制备用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜的方法，包括以下步骤：
(1)按重量份数称取以下各组分，搅拌混合均匀，得到混合料；
(2)将步骤(1)中所得的混合料涂布于离型基材上；
(3)当溶剂的重量份为0时，在步骤(2)中的涂布好的混合料表面覆上一层离型基材，构成以混合料为中间层，离型基材为上、下表面层结构的片材；当溶剂的重量份大于0小于等于30时，先将步骤(2)中涂布好的混合料干燥，再在干燥后的混合料表面覆上一层离型基材，构成以混合料为中间层，离型基材为上、下表面层结构的片材；
(4)收卷或者裁切步骤(3)中所得的片材，得到用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜。
有益效果：本发明所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜的制备方法，成功制得纳米导气膜，其运用于复合材料成型过程中，可有效导出材料间固有的气体及成型过程中产生的气体，使得制品外观光滑饱满，无缺胶，无针孔，提高产品的良率。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明技术方案作进一步阐述。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
一种用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜，制备方法，具体步骤如下：
(1)按重量份数称取以下各组分，搅拌混合均匀，得到混合料；
(2)将步骤(1)中所得的混合料涂布于离型基材上，并干燥处理；
(3)在干燥后的混合料表面覆上一层离型基材，构成以混合料为中间层，离型基材为上、下表面层的结构；
(4)收卷或者裁切成合适尺寸的片材，得到用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜。
其结构如图1所示，其中1为离型基材，位于上下两面，对中间层起到保护作用；2为混合料涂布形成的中间层，是纳米导气膜发挥导气作用的部位。使用时，将离型基材撕除。
其中，环氧树脂为环氧树脂E-21，潜伏性固化剂为有机酰肼；促进剂为2-甲基咪唑；胺类固化剂为聚酰胺Versamid 125；二氧化硅为无定型二氧化硅，比表面范围为100-2000m2/g；溶剂为丙酮。
进一步的，所述的步骤(1)中搅拌混合的温度为90℃，所述的步骤(2)中涂布的方式为光辊涂布；涂布完混合料的厚度为500μm；所述的步骤(2)和(3)中离型基材为是PET离型膜或PE离型膜；所述的步骤(2)中烘干处理的温度为90℃，使得溶剂挥发，烘干处理后剩余溶剂质量含量为0.5％。
对比于普通的碳纤维预浸布预型件，当将所制备的纳米导气膜加入到碳纤维预浸布预型件的制作过程中，一起进行高温固化成型，所得制品外观饱满，没有缺胶、空洞、气泡现象；而没有加入纳米导气膜的普通的碳纤维预浸布预型件，外观明显缺胶，易出现空洞和气泡。
实施例2
一种用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜，制备方法,具体步骤如下：
(1)按重量份数称取以下各组分，搅拌混合均匀，得到混合料；
(2)将步骤(1)中所得的混合料涂布于离型基材上，并干燥处理；
(3)在干燥后的混合料表面覆上一层离型基材，构成以混合料为中间层，离型基材为上、下表面层的结构；
(4)收卷或者裁切成合适尺寸的片材，得到用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜。
其中，环氧树脂为环氧树脂E-12，潜伏性固化剂为双氰胺；促进剂为有机脲UR300；胺类固化剂为脂环胺EC210；二氧化硅为无定型二氧化硅，比表面范围为100-2000m2/g；溶剂为正硅酸乙酯。
进一步的，所述的步骤(1)中搅拌混合的温度为25℃，所述的步骤(2)中涂布的方式为逗号刮涂；涂布完混合料的厚度为10μm；所述的步骤(2)和(3)中离型基材为是离型纸；所述的步骤(2)中烘干处理的温度为25℃，使得溶剂挥发，烘干处理后剩余溶剂质量含量为0.2％。
对比于普通的碳纤维预浸布预型件，当将所制备的纳米导气膜加入到碳纤维预浸布预型件的制作过程中，一起进行高温固化成型，所得制品外观饱满，没有缺胶、空洞、气泡现象；而没有加入纳米导气膜的普通的碳纤维预浸布预型件，外观明显缺胶，易出现空洞和气泡。
实施例3
一种用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜，制备方法,具体步骤如下：
(1)按重量份数称取以下各组分，搅拌混合均匀，得到混合料；
(2)将步骤(1)中所得的混合料涂布于离型基材上；
(3)在混合料表面覆上一层离型基材，构成以混合料为中间层，离型基材为上、下表面层的结构；
(4)收卷或者裁切成合适尺寸的片材，得到用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜。
其中，环氧树脂为环氧树脂E-44，潜伏性固化剂为双氰胺；促进剂为有机脲UR500；胺类固化剂为脂环胺EC210；碳纳米管为单臂结构，直径1-2nm，长度5-30微米。
进一步的，所述的步骤(1)中搅拌混合的温度为50℃，所述的步骤(2)中涂布的方式为狭缝式涂布；涂布完混合料的厚度为200μm；所述的步骤(2)的离型基材为离型纸，(3)中离型基材为是PE离型膜。
对比于普通的碳纤维预浸布预型件，当将所制备的纳米导气膜加入到碳纤维预浸布预型件的制作过程中，一起进行高温固化成型，所得制品外观饱满，没有缺胶、空洞、气泡现象；而没有加入纳米导气膜的普通的碳纤维预浸布预型件，外观明显缺胶，易出现空洞和气泡。
实施例4
一种用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜，制备方法,具体步骤如下：
(1)按重量份数称取以下各组分，搅拌混合均匀，得到混合料；
(2)将步骤(1)中所得的混合料涂布于离型基材上，并干燥处理；
(3)在干燥后的混合料表面覆上一层离型基材，构成以混合料为中间层，离型基材为上、下表面层的结构；
(4)收卷或者裁切成合适尺寸的片材，得到用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜。
其中，环氧树脂为环氧树脂E-12，潜伏性固化剂为双氰胺；促进剂为OMICURE U-24；胺类固化剂为二乙氨基代丙胺；石墨烯为片层直径5～20um，径厚比≥1000；溶剂为乙醇。
进一步的，所述的步骤(1)中搅拌混合的温度为25℃，所述的步骤(2)中涂布的方式为逗号刮涂；涂布完混合料的厚度为100μm；所述的步骤(2)和(3)中离型基材为是离型纸；所述的步骤(2)中涂布完混合料后需干燥处理，温度为50℃，使得溶剂挥发，烘干处理后剩余溶剂质量含量为0.4％。
对比于普通的碳纤维预浸布预型件，当将所制备的纳米导气膜加入到碳纤维预浸布预型件的制作过程中，一起进行高温固化成型，所得制品外观饱满，没有缺胶、空洞、气泡现象；而没有加入纳米导气膜的普通的碳纤维预浸布预型件，外观明显缺胶，易出现空洞和气泡。
实施例5
一种用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜，制备方法,具体步骤如下：
(1)按重量份数称取以下各组分，搅拌混合均匀，得到混合料；
(2)将步骤(1)中所得的混合料涂布于离型基材上，并干燥处理；
(3)在干燥后的混合料表面覆上一层离型基材，构成以混合料为中间层，离型基材为上、下表面层的结构；
(4)收卷或者裁切成合适尺寸的片材，得到用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜。
其中，环氧树脂为环氧树脂E-12，潜伏性固化剂为双氰胺；促进剂为Omicure U35；胺类固化剂为聚酰胺EPIKURE 3125A；碳纳米管为多臂结构，直径30-50nm，长度10-30μm；溶剂为乙醇。
进一步的，所述的步骤(1)中搅拌混合的温度为70℃，所述的步骤(2)中涂布的方式为逗号刮涂；涂布完混合料的厚度为300μm；所述的步骤(2)和(3)中离型基材为是离型纸；所述的步骤(2)中涂布完混合料后需干燥处理，温度为70℃，使得溶剂挥发，烘干处理后剩余溶剂质量含量位0.3％。
对比于普通的碳纤维预浸布预型件，当将所制备的纳米导气膜加入到碳纤维预浸布预型件的制作过程中，一起进行高温固化成型，所得制品外观饱满，没有缺胶、空洞、气泡现象；而没有加入纳米导气膜的普通的碳纤维预浸布预型件，外观明显缺胶，易出现空洞和气泡。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (13)

1.一种用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜，其特征在于：按照以下步骤制备得到：
(1)按重量份数称取以下各组分，搅拌混合均匀，得到混合料；
(2)将步骤(1)中所得的混合料涂布于离型基材上；
(3)当溶剂的重量份为0时，在步骤(2)中的涂布好的混合料表面覆上一层离型基材，构成以混合料为中间层，离型基材为上、下表面层结构的片材；当溶剂的重量份大于0小于等于30时，先将步骤(2)中涂布好的混合料干燥，再在干燥后的混合料表面覆上一层离型基材，构成以混合料为中间层，离型基材为上、下表面层结构的片材；
(4)收卷或者裁切步骤(3)中所得的片材，得到用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜。
2.根据权利要求1所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜，其特征在于：所述的步骤(1)中的环氧树脂为环氧树脂E-12，环氧树脂E-21，环氧树脂E-44，环氧树脂E-51中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜，其特征在于：所述的步骤(1)中的潜伏性固化剂为双氰胺、有机酰肼、胺硅酸盐中的至少一种；
任选的，所述的步骤(1)中的促进剂为有机脲类或咪唑类；
任选的，所述的步骤(1)中的胺类固化剂为芳香胺、脂肪胺、脂环胺、聚酰胺。
4.根据权利要求1所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜，其特征在于：所述的步骤(1)中的纳米填料为二氧化硅、碳纳米管、石墨烯中的一种或者多种组合；
任选的，所述的步骤(1)中的纳米填料为无定型二氧化硅，比表面范围为100-2000m2/g；
任选的，所述的步骤(1)中的纳米填料为单臂结构碳纳米管，直径1-2nm，长度5-30μm；
任选的，所述的步骤(1)中的纳米填料为多臂结构碳纳米管，直径30-50nm，长度10-30μm；
任选的，所述的步骤(1)中的纳米填料为石墨烯，片层直径5-20um，径厚比≥1000。
5.根据权利要求1所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜，其特征在于：所述的步骤(1)中的溶剂为酯类溶剂、酮类溶剂、醇类溶剂中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜，其特征在于：所述的步骤(1)中搅拌混合的温度为25-90℃。
7.根据权利要求6所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜，其特征在于：所述的步骤(1)中搅拌混合的温度为50-70℃。
8.根据权利要求1所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜，其特征在于：所述的步骤(2)中涂布的方式为逗号刮涂、光辊涂布或狭缝式涂布；
任选的，涂布完混合料的厚度为10-500μm。
9.根据权利要求1所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜，其特征在于：所述的步骤(2)和(3)中离型基材为是离型纸、PET离型膜或PE离型膜。
10.根据权利要求1所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜，其特征在于：所述的步骤(3)中烘干处理的温度为25-90℃，烘干处理后剩余溶剂质量含量范围为0.1-1％。
11.根据权利要求10所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜，其特征在于：所述的步骤(3)中烘干处理后剩余溶剂质量含量范围为0.2-0.5％。
12.根据权利要求10所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜，其特征在于：所述的步骤(3)中烘干处理的温度为50-70℃，烘干处理后剩余溶剂质量含量范围为0.1-1％。
13.一种制备权利要求1至12中任意一项所述的用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)按重量份数称取以下各组分，搅拌混合均匀，得到混合料；
(2)将步骤(1)中所得的混合料涂布于离型基材上；
(3)当溶剂的重量份为0时，在步骤(2)中的涂布好的混合料表面覆上一层离型基材，构成以混合料为中间层，离型基材为上、下表面层结构的片材；当溶剂的重量份大于0小于等于30时，先将步骤(2)中涂布好的混合料干燥，再在干燥后的混合料表面覆上一层离型基材，构成以混合料为中间层，离型基材为上、下表面层结构的片材；
(4)收卷或者裁切步骤(3)中所得的片材，得到用于改善纤维复合材料外观的纳米导气膜。
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