CN106810821A - 高透明度、高纳米纤维填充量协同增强的复合材料的制备方法 - Google Patents

高透明度、高纳米纤维填充量协同增强的复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高透明度、高纳米纤维填充量协同增强的复合材料的制备方法，属于纳米复合材料的领域。本发明的制备方法包括如下步骤：1)将透明树脂与固化剂混合均匀，然后转移到培养皿中，再向培养皿中加入纳米纤维膜后充分浸渍，得到浸润的混合物；2)对步骤1)制备的浸润的混合物进行升温处理，发生固化反应，制备得到高透明度、高纳米纤维填充量协同增强复合材料的复合薄膜，且浸渍和固化反应均可以在标准大气压下或者真空下进行，本发明的制备方法利用纳米纤维的高长径比、网状缠结等特性，控制树脂在纳米纤维内部的填充量，制备的复合材料不但具有较强的力学性能，而且具备较高的透明度。

Description

高透明度、高纳米纤维填充量协同增强的复合材料的制备 方法
技术领域
本发明涉及纳米复合材料的领域，具体地涉及一种高透明度、高纳米纤维填充量协同增强的复合材料的制备方法。
背景技术
树脂基纤维增强复合材料是由高性能增强纤维和相对低强低模的树脂基体组成，树脂基纤维增强复合材料以其比重小、比强度和比模量大的优点在生产生活中的应用日趋广泛，在复合材料的研究领域也吸引了越来越多的注意。树脂基纤维增强复合材料的性能不但取决于其所用增强纤维、树脂基体的性能，还取决于纤维和树脂基体界面之间的粘附性能，而界面间的粘附性能又依赖于树脂基体性能、纤维的表面性能以及固化工艺过程。
当纳米纤维浸渍在透明树脂的稀溶液中时，由于纳米纤维宏观的量子轨道效应，微小粒子很容易进入到纤维内部，并将纤维内部的空隙填满。如果纳米纤维的折光率与透明树脂的相近，当光线透过复合材料时，可以大大减小光线在复合材料内部的光散射效应，这样，进入复合材料内部的光线可以大部分透过，从而呈现了较高的透明度；另一方面，树脂会使复合薄膜具有一层平整的表面，这样会减小其表面的漫反射，也可以增大其透明度。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种高透明度、高纳米纤维填充量协同增强的复合材料的制备方法。本发明的制备方法利用纳米纤维的高长径比、网状缠结等特性，控制树脂在纳米纤维内部的填充量，制备的复合材料不但具有较强的力学性能，而且具备较高的透明度。
为了实现上述目的，本发明公开了一种高透明度、高纳米纤维填充量协同增强复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将透明树脂与固化剂混合均匀，然后转移到培养皿中，再向培养皿中加入纳米纤维膜后充分浸渍，得到浸润的混合物；
2)对所述步骤1)制备的浸润的混合物进行升温处理，发生固化反应，制备得到高透明度、高纳米纤维填充量协同增强复合材料的复合薄膜。
进一步地，所述步骤1)中的浸渍在标准大气压下进行，其中，将透明树脂溶解到有机溶剂中，得到透明树脂溶液，再将透明树脂溶液与固化剂混合均匀，所述透明树脂溶液中透明树脂的质量百分含量为10～60％。
再进一步地，所述步骤1)中的浸渍在真空环境下进行，且真空环境为真空度在-0.15～-0.05MPa之间。
更进一步地，所述步骤2)中的固化反应在标准大气压下进行，固化反应温度为70～130℃，固化反应时间为1～6h。
更进一步地，所述步骤2)中的固化反应在真空环境下进行，且真空环境为真空度在-0.15～-0.05MPa之间，固化反应温度为70～130℃，固化反应时间为1～6h。
本发明较好的技术方案为：所述步骤1)中的浸渍在标准大气压下进行，其中，将透明树脂溶解到有机溶剂中，得到透明树脂溶液，再将透明树脂溶液与固化剂混合均匀，所述透明树脂溶液中透明树脂的质量百分含量为10～60％，得到浸润的混合物；然后对所述步骤1)制备的浸润的混合物进行升温处理，在标准大气压下进行固化反应，固化反应温度为70～130℃，固化反应时间为1～6h，制备得到高透明度、高纳米纤维填充量协同增强复合材料的复合薄膜。
本发明优选的技术方案为：所述步骤1)中的浸渍在真空下进行，其中，将透明树脂与固化剂混合均匀，得到浸润的混合物；然后对所述步骤1)制备的浸润的混合物进行升温处理，在真空下进行固化反应，且浸渍和固化反应的真空度在-0.15～-0.05MPa之间，固化反应温度为70～130℃，固化反应时间为1～6h，制备得到高透明度、高纳米纤维填充量协同增强复合材料的复合薄膜。
更进一步地，所述透明树脂与固化剂的质量比为10:3～6。
更进一步地，所述透明树脂为环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂或脲醛树脂中的一种，所述固化剂为聚醚胺、三乙醇胺，顺丁烯二酸酐，三氮化硼乙胺、苯磺酰氯中的一种。
更进一步地，所述纳米纤维膜的材质为PVA-co-PE纳米纤维、纤维素纳米纤维、聚碳酸酯纳米纤维、壳聚糖纤维素、玻璃纳米纤维或碳纳米纤维中的一种，且纳米纤维膜的平均直径控制在100～300nm之间。
更进一步地，所述有机溶剂为丙酮、甲苯、二甲苯或环己酮中的一种。
有益效果：
1、本发明的制备方法简单，采用的纳米纤维已经工业化，可以批量生产，因此本发明的制备方法具有工业化生产的应用前景；
2、本发明的制备方法既可以在常压下制备反应，也可在真空环境下反应，两种不同的处理模式得到的复合薄膜中的纤维含量在28.3％～73％之间的一个较大范围，拓展了复合薄膜的应用领域；
3、本发明制备的复合薄膜，拉伸强度为单一树脂的两倍以上，光透光率与纯的透明树脂相当，远大于纳米纤维，因此复合薄膜的综合性能达到了协同增强的效果。
附图说明
图1为实施例中PVA-co-PE纳米纤维的截面扫描电镜图；
图2为实施例制备的复合薄膜的截面扫描电镜图。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。
其中，实施例1～实施例4为常压下浸渍及固化反应；实施例5～实施例7为真空环境下的浸渍及固化反应，实施例8～实施例9为常压下浸渍及真空环境下的固化反应，实施例10～实施例11为真空环境下的浸渍及常压下的固化反应。
实施例1
称取5g丙酮溶液于烧杯中，然后在烧杯中加入1g环氧树脂，配成环氧树脂/丙酮溶液；将上述溶液进行磁力搅拌3.5h，使环氧树脂充分的溶解在丙酮溶液中；3.5h后再向烧杯中加入固化剂聚醚胺0.6g，继续搅拌1h；将配制好的含有固化剂聚醚胺、环氧树脂的丙酮溶液倒入培养皿中，然后再称取0.0625g PVA-co-PE纳米纤维膜(纳米纤维膜的平均直径优选为250nm)，将其置于上述培养皿的溶液中，浸渍12h，取出进行高温固化，固化反应温度为70℃，固化反应时间为6h，制备得到PVA-co-PE纳米纤维增强环氧树脂的复合薄膜。
将得到的复合膜称重为0.0856g，其中，纤维含量为73.0％，测得拉伸强度为73.5MPa，透过率为75％。
结合图1和图2可知，从图1中可知PVA-co-PE纳米纤维内部具有大量的孔径，图2中复合薄膜中的PVA-co-PE纳米纤维被环氧树脂填充后，由于纳米纤维高长径比、网状缠结等特性，使得树脂能充分进入纳米纤维中，形成结构紧凑的目标产物，因此，拉伸强度也增大了100％～500％。
实施例2
称取5g甲苯溶液于烧杯中，然后在烧杯中加入2g丙烯酸树脂，配成丙烯酸树脂/甲苯溶液；将上述溶液进行磁力搅拌3.5h，使丙烯酸树脂充分的溶解在甲苯溶液中；将配制好的丙烯酸树脂的甲苯溶液倒入培养皿中，然后再称取0.0599g纤维素纳米纤维膜(纳米纤维膜的平均直径优选为150nm)，将其置于上述培养皿中，浸渍12h，取出用紫外灯固化得到纤维素纳米纤维增强丙烯酸树脂的复合薄膜(本实施例中的丙烯酸树脂优选紫外灯固化)。
将得到的复合膜称重为0.0992g，纤维含量为60.2％，测得拉伸强度为62.7MPa，透过率为78％。
实施例3
称取5g丙酮溶液于烧杯中，然后在烧杯中加入4g环氧树脂，配成环氧树脂/丙酮溶液；将上述溶液进行磁力搅拌3.5h，使环氧树脂充分的溶解在丙酮溶液中；3.5h后再向烧杯中加入固化剂聚醚胺1.2g，继续搅拌1h；将配制好的含有固化剂聚醚胺、环氧树脂的丙酮溶液分别倒入培养皿中，然后再称取0.0602g PVA-co-PE纳米纤维膜(纳米纤维膜的平均直径优选为250nm)，将其置于溶液中，浸渍12h，取出进行高温固化，固化反应温度为80℃，固化反应时间为4h，得到PVA-co-PE纳米纤维增强环氧树脂的复合薄膜。
将得到的复合膜称重为0.1102g，纤维含量为54.6％，测得拉伸强度为55.4MPa，透过率为91％。
实施例4
称取5g丙酮溶液于烧杯中，然后在烧杯中加入6g酚醛树脂，配成酚醛树脂/丙酮溶液；将上述溶液进行磁力搅拌3.5h，使酚醛树脂充分的溶解在丙酮溶液中；3.5h后再向烧杯中加入固化剂苯磺酰氯1.8g，继续搅拌1h；将配制好的含有固化剂苯磺酰氯、酚醛树脂的丙酮溶液倒入培养皿中，然后再称取0.0624g壳聚糖纤维素膜(纳米纤维膜的平均直径优选为200nm)，将其置于溶液中，浸渍12h，取出进行高温固化，固化反应温度为90℃，固化反应时间为3.5h，得到壳聚糖素纤维增强环氧树脂的复合薄膜。
将得到的复合膜称重为0.1260g，纤维含量为49.5％，测得拉伸强度为80MPa，透过率为88％。
实施例5
称取6g环氧树脂于培养皿中，再加入1.8g固化剂聚醚胺，将两者搅拌均匀；把上述混合物置于真空环境下，在真空度为-0.1MPa下，排去其中的空气；然后将0.0618g PVA-co-PE纳米纤维膜(纳米纤维膜的平均直径优选为200nm)置于上述混合物中，在真空环境下浸渍1h(真空度优选为-0.1MPa)，然后继续在真空环境下高温固化；固化反应温度为70℃，固化反应时间为5h，得到PVA-co-PE纳米纤维膜增强环氧树脂的复合薄膜。
将得到的复合膜称重为0.1797g，纤维含量为34.4％，测得拉伸强度为38.8MPa，透过率为89％。
实施例6
称取6g丙烯酸树脂于培养皿中，在真空度为-0.1MPa下，排去其中的空气；然后将0.0622g PVA-co-PE纳米纤维膜(纳米纤维膜的平均直径优选为200nm)置于上述混合物中，在真空环境下浸渍3h，然后继续在真空环境(真空度优选为-0.1MPa)下采用紫外灯固化，得到PVA-co-PE纳米纤维膜增强丙烯酸树脂的复合薄膜。
将得到的复合膜称重为0.2198g，纤维含量为28.3％，测得拉伸强度为26.0MPa，透过率为86％。
实施例7
称取6g脲醛树脂于培养皿中，再加入1.8g固化剂苯磺酸，将两者搅拌均匀；把上述混合物置于真空环境下，在真空度为-0.1MPa下，排去其中的空气；然后将0.1568g玻璃纳米纤维膜(纳米纤维膜的平均直径优选为200nm)置于上述混合物中，在真空环境下浸渍3h，然后继续在真空环境下高温固化(真空度优选为-0.1MPa)；固化反应温度为100℃，固化反应时间为3h，得到玻璃纳米纤维膜增强脲醛树脂的复合薄膜。
将得到的复合膜称重为0.3920g，纤维含量为40.0％，测得拉伸强度为132.9MPa，透过率为88％。
实施例8
称取5g丙酮溶液于烧杯中，然后在烧杯中加入4g环氧树脂，配成环氧树脂/丙酮溶液；将上述溶液进行磁力搅拌3.5h，使环氧树脂充分的溶解在丙酮溶液中；3.5h后再向烧杯中加入固化剂聚醚胺1.2g，继续搅拌1h；将配制好的含有固化剂聚醚胺、环氧树脂的丙酮溶液分别倒入培养皿中，然后再称取0.0602g PVA-co-PE纳米纤维膜(纳米纤维膜的平均直径优选为250nm)，将其置于溶液中，浸渍12h，取出后在真空环境下进行高温固化(真空度优选为-0.1MPa)，固化反应温度为80℃，固化反应时间为4h，得到PVA-co-PE纳米纤维增强环氧树脂的复合薄膜。
将得到的复合膜称重为0.1302g，纤维含量为47.6％，测得拉伸强度为48.4MPa，透过率为90％。
实施例9
称取5g丙酮溶液于烧杯中，然后在烧杯中加入6g酚醛树脂，配成酚醛树脂/丙酮溶液；将上述溶液进行磁力搅拌3.5h，使酚醛树脂充分的溶解在丙酮溶液中；3.5h后再向烧杯中加入固化剂苯磺酰氯1.8g，继续搅拌1h；将配制好的含有固化剂苯磺酰氯、酚醛树脂的丙酮溶液倒入培养皿中，然后再称取0.0624g壳聚糖纤维素膜(纳米纤维膜的平均直径优选为200nm)，将其置于溶液中，浸渍12h，取出后在真空环境下进行高温固化(真空度优选为-0.1MPa)，固化反应温度为90℃，固化反应时间为3.5h，得到壳聚糖素纤维增强环氧树脂的复合薄膜。
将得到的复合膜称重为0.1412g，纤维含量为33.5％，测得拉伸强度为76MPa，透过率为88％。
实施例10
称取6g脲醛树脂于培养皿中，再加入1.8g固化剂苯磺酸，将两者搅拌均匀；把上述混合物置于真空环境下，在真空度为-0.1MPa下，排去其中的空气；然后将0.1568g玻璃纳米纤维膜(纳米纤维膜的平均直径优选为200nm)置于上述混合物中，在真空环境下浸渍3h，取出后在标准大气压下进行高温固化，固化反应温度为100℃，固化反应时间为3h，得到玻璃纳米纤维膜增强脲醛树脂的复合薄膜。
将得到的复合膜称重为0.3213g，纤维含量为46.7％，测得拉伸强度为120.8MPa，透过率为88％。
实施例11
称取6g脲醛树脂于培养皿中，再加入1.8g固化剂苯磺酸，将两者搅拌均匀；把上述混合物置于真空环境下，在真空度为-0.1MPa下，排去其中的空气；然后将0.1568g玻璃纳米纤维膜(纳米纤维膜的平均直径优选为200nm)置于上述混合物中，在真空环境下浸渍3h，取出后在标准大气压下进行高温固化，固化反应温度为100℃，固化反应时间为3h，得到玻璃纳米纤维膜增强脲醛树脂的复合薄膜。
将得到的复合膜称重为0.3420g，纤维含量为46.7％，测得拉伸强度为127.9MPa，透过率为85％。
以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种高透明度、高纳米纤维填充量协同增强复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将透明树脂与固化剂混合均匀，然后转移到培养皿中，再向培养皿中加入纳米纤维膜后充分浸渍，得到浸润的混合物；
2)对所述步骤1)制备的浸润的混合物进行升温处理，发生固化反应，制备得到高透明度、高纳米纤维填充量协同增强复合材料的复合薄膜。
2.根据权利要求1所述的高透明度、高纳米纤维填充量协同增强复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中的浸渍在标准大气压下进行，其中，将透明树脂溶解到有机溶剂中，得到透明树脂溶液，再将透明树脂溶液与固化剂混合均匀，所述透明树脂溶液中透明树脂的质量百分含量为10～60％。
3.根据权利要求1所述的高透明度、高纳米纤维填充量协同增强复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中的浸渍在真空环境下进行，且真空环境为真空度在-0.15～-0.05MPa之间。
4.根据权利要求1或2或3所述的高透明度、高纳米纤维填充量协同增强复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的固化反应在标准大气压下进行，固化反应温度为70～130℃，固化反应时间为1～6h。
5.根据权利要求1或2或3所述的高透明度、高纳米纤维填充量协同增强复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的固化反应在真空环境下进行，且真空环境为真空度在-0.15～-0.05MPa之间，固化反应温度为70～130℃，固化反应时间为1～6h。
6.根据权利要求1所述的高透明度、高纳米纤维填充量协同增强复合材料的制备方法，其特征在于：所述透明树脂与固化剂的质量比为10:3～6。
7.根据权利要求1所述的高透明度、高纳米纤维填充量协同增强复合材料的制备方法，其特征在于：所述透明树脂为环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂或脲醛树脂中的一种，所述固化剂为聚醚胺、三乙醇胺，顺丁烯二酸酐，三氮化硼乙胺、苯磺酰氯中的一种。
8.根据权利要求1所述的高透明度、高纳米纤维填充量协同增强复合材料的制备方法，其特征在于：所述纳米纤维膜的材质为PVA-co-PE纳米纤维、纤维素纳米纤维、聚碳酸酯纳米纤维、壳聚糖纤维素、玻璃纳米纤维或碳纳米纤维中的一种，且纳米纤维膜的平均直径控制在100～300nm之间。
9.根据权利要求2所述的高透明度、高纳米纤维填充量协同增强复合材料的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为丙酮、甲苯、二甲苯或环己酮中的一种。
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