CN107033592A - 一种聚酰亚胺树脂增强复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚酰亚胺树脂增强复合材料及其制备方法，本发明制备方法包括对玄武岩纤维的改性处理和复合；通过对含有磷酸钡的玄武岩纤维进行改性处理，最后在偶联剂的作用下与聚酰亚胺树脂进行偶联、复合，从而得到玄武岩纤维与聚酰亚胺树脂材料相容性更好的聚酰亚胺树脂复合材料，玄武岩纤维对聚酰亚胺树脂增强作用更好，使该复合材料性能更优异，有利于聚酰亚胺树脂复合材料在各个领域的推广应用。

Description

一种聚酰亚胺树脂增强复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及聚酰亚胺树脂复合材料领域，具体涉及一种聚酰亚胺树脂增强复合材料及其制备方法。
背景技术
聚酰亚胺是指主链上含有酰亚胺环（-CO-NH-CO-）的一类聚合物，其中以含有酞酰亚胺结构的聚合物最为重要。聚酰亚胺作为一种特种工程材料，已广泛应用在航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域。聚酰亚胺综合性能最佳的有机高分子材料之一，与诸多树脂材料相比，聚酰亚胺具有阻燃性好，机械性能高，使用温度范围大，耐高温性好的优点；但聚酰亚胺树脂材料同样存在耐磨性差的缺陷，同时，其机械性能也需进一步提高，因此，聚酰亚胺树脂材料同样需要进行增韧、增加抗冲击强度等增强复合改性处理，扩大其使用范围。现今对聚酰亚胺树脂材料的纤维增强改性主要采用玻璃纤维材料和碳纤维材料进行改性处理，改性效果显著，但玻璃纤维和碳纤维生产成本高、环境污染大，严重限制了复合聚酰亚胺树脂材料的应用。
玄武岩纤维是一种新出现的新型无机环保绿色高性能纤维材料，是未来我国重点发展的四大高性能纤维之一，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后，通过纺丝工艺制备而成的。玄武岩连续纤维不仅稳定性好，而且还具有电绝缘性、抗腐蚀、抗燃烧、耐高温等多种优异性能，而且，玄武岩纤维的生产工艺产生的废弃物少，对环境污染小，产品废弃后可直接转入生态环境中，无任何危害，因而是一种名副其实的绿色、环保材料。
因此，采用无毒、无污染、来源广泛、性能优异、稳定好的玄武岩纤维材料来替代玻璃纤维和碳纤维对聚酰亚胺树脂材料进行增强，从而得到的聚酰亚胺树脂增强复合材料是聚酰亚胺树脂增强复合材料发展的新方向。但由于玄武岩纤维为无机材料，而聚酰亚胺树脂为高分子有机材料，两者相容性极差，且玄武岩纤维自身结构和性能稳定，纤维表面光滑、表面活性位点少，造成玄武岩纤维在改性过程中更难以与聚酰亚胺树脂材料进行化学键合和机械铆合，即玄武岩纤维在聚酰亚胺树脂材料中是独立存在，对聚酰亚胺树脂材料增强效果不佳，聚酰亚胺树脂增强复合材料的性能较差。
发明内容
本发明的目的在于克服聚酰亚胺树脂增强复合材料性能增强效果不显著的缺陷，提供一种聚酰亚胺树脂增强复合材料及其制备方法；本发明方法通过对含有磷酸钡的玄武岩纤维进行改性处理，最后在偶联剂的作用下与聚酰亚胺树脂进行偶联、复合，从而得到玄武岩纤维与聚酰亚胺树脂材料相容性更好的聚酰亚胺树脂复合材料，玄武岩纤维对聚酰亚胺树脂增强作用更好，使该复合材料性能更优异，有利于聚酰亚胺树脂复合材料在各个领域的推广应用。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种聚酰亚胺树脂增强复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）改性处理：将玄武岩纤维置入改性剂A中，再加入改性剂B，反应完全后，取出玄武岩纤维，真空或惰性气体保护下加热煅烧处理得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将改性玄武岩纤维与聚酰亚胺树脂材料、偶联剂进行复合处理，得到聚酰亚胺树脂增强复合材料。
上述一种聚酰亚胺树脂增强复合材料的制备方法，其中步骤1中所述的包括玄武岩短纤维、玄武岩长纤维、连续玄武岩纤维、玄武岩纤维棉中的一种或多种。
所述的玄武岩纤维中含有磷酸钡；磷酸钡中含有磷酸根，磷酸根与有机基团的键接能力强，能降低玄武岩纤维与有机材料的极性，增加与有机材料的相容性；优选的，所述的玄武岩纤维含有质量百分比0.1-2.0%的磷酸钡；最优选的，所述的玄武岩纤维含有质量百分比0.3-0.8%的磷酸钡。
所述的改性剂A为对苯二胺溶液；所述对苯二胺溶液中的溶剂为二甲基甲酞胺、二甲基乙酰胺、N一甲基毗咯烷酮、毗咤、二甲基亚砜中的一种或多种。
所述的改性剂B为均苯四甲酸二酐。
所述的对苯二胺与均苯四甲酸二酐的总物质的量之比为2-4︰1；优选的，所述的对苯二胺与均苯四甲酸二酐的总物质的量之比为3︰1。
所述的玄武岩纤维在改性剂A与改性剂B中的反应时间为20-40min，反应时间过短，反应不完全，反应时间过长，反应过度，副反应增加。
所述的惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气中的一种或多种。
所述煅烧处理的温度为150-350℃，反应时间为30-60min，温度过高，反应时间过长，缩聚反应过度，聚合物分子量过大，不利于对玄武岩纤维的改性处理；最优选的，所述加热反应的温度为200-300℃，反应时间为40min，反应效果好，能源消耗低，时间短。
上述一种聚酰亚胺树脂增强复合材料的制备方法，其中步骤2中所述的偶联剂为硅烷偶联剂。
所述改性玄武岩纤维的用量可根据聚酰亚胺树脂增强复合材料在不同应用领域中要求进行调整，优选的，所述改性玄武岩纤维用量是聚酰亚胺树脂材料的1-20%。
所述聚酰亚胺树脂增强复合材料的制备方法步骤2中，还可以添加助剂；所述助剂包括分散剂、抗菌剂、抗静电剂、阻燃剂、抗老化剂、抗紫外线剂中的一种或多种；所述助剂的种类可根据聚酰亚胺树脂增强复合材料在不同应用领域中要求进行针对性调整添加。
所述的复合处理是指通过工艺手段将预处理玄武岩纤维与聚酰亚胺树脂材料进行化学键合，使玄武岩纤维与聚酰亚胺树脂材料形成统一的整体的方法。
一种聚酰亚胺树脂增强复合材料的制备方法，本发明制备方法先利用缩聚反应在玄武岩纤维表面形成聚酞胺酸，并使其与玄武岩纤维表面的磷酸钡键接，再通过高温热处理使聚酞胺酸脱水形成聚酰亚胺，从而稳定的包覆在玄武岩纤维表面，显著增加玄武岩纤维与聚酰亚胺树脂的相容性；最后通过复合处理，使玄武岩纤维与聚酰亚胺树脂进行复合增强得到性能更加优异的聚酰亚胺树脂增强复合材料，本发明方法简单、方便，适合聚酰亚胺树脂增强复合材料的工业化、规模化生产。
为了实现上述发明目的，进一步的，本发明提供了一种聚酰亚胺树脂增强复合材料；所述聚酰亚胺树脂增强复合材料是通过上述制备方法制备得到的，上述制备方法得到的复合材料中聚酰亚胺树脂与玄武岩纤维之间键接力强，不易产生相分离，相容性好，玄武纤维对聚酰亚胺树脂的增强作用显著增加，复合材料的性能也显著提高。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明制备方法通过对玄武岩纤维的改性处理，能显著增加玄武岩纤维与聚酰亚胺树脂的相容性，使玄武岩纤维与聚酰亚胺树脂进行复合增强得到性能更加优异的聚酰亚胺树脂增强复合材料。
2、本发明制备方法制备得到的复合材料性能优异，方法简单、方便，适合聚酰亚胺树脂增强复合材料的工业化、规模化生产。
3、本发明复合材料中聚酰亚胺树脂与玄武岩纤维之间键接力强，不易产生相分离，相容性好，玄武纤维对聚酰亚胺树脂的增强作用显著增加，复合材料的性能也显著提高。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
（1）改性处理：将含有质量百分比0.8%磷酸钡的玄武岩纤维置入对苯二胺的二甲基甲酞胺溶液中，再加入均苯四甲酸二酐，反应30min后，取出玄武岩纤维，真空加热至200℃，煅烧处理40min得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将5重量份的改性玄武岩纤维与90重量份的聚酰亚胺树脂材料、2重量份的硅烷偶联剂进行复合处理，得到聚酰亚胺树脂增强复合材料。
实施例2
（1）改性处理：将含有质量百分比2%磷酸钡的玄武岩纤维置入对苯二胺的二甲基乙酰胺溶液中，再加入均苯四甲酸二酐，反应20min后，取出玄武岩纤维，真空加热至300℃，煅烧处理30min得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将5重量份的改性玄武岩纤维与90重量份的聚酰亚胺树脂材料、2重量份的硅烷偶联剂进行复合处理，得到聚酰亚胺树脂增强复合材料。
实施例3
（1）改性处理：将含有质量百分比0.1%磷酸钡的玄武岩纤维置入对苯二胺的二甲基亚砜溶液中，再加入均苯四甲酸二酐，反应40min后，取出玄武岩纤维，真空加热至150℃，煅烧处理60min得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将5重量份的改性玄武岩纤维与90重量份的聚酰亚胺树脂材料、2重量份的硅烷偶联剂进行复合处理，得到聚酰亚胺树脂增强复合材料。
实施例4
（1）改性处理：将含有质量百分比0.3%磷酸钡的玄武岩纤维置入对苯二胺的毗咤溶液中，再加入均苯四甲酸二酐，反应30min后，取出玄武岩纤维，真空加热至350℃，煅烧处理30min得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将5重量份的改性玄武岩纤维与90重量份的聚酰亚胺树脂材料、2重量份的硅烷偶联剂进行复合处理，得到聚酰亚胺树脂增强复合材料。
对比例1
（1）改性处理：将常规玄武岩纤维置入对苯二胺的二甲基甲酞胺溶液中，再加入均苯四甲酸二酐，反应30min后，取出玄武岩纤维，真空加热至200℃，煅烧处理40min得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将5重量份的改性玄武岩纤维与90重量份的聚酰亚胺树脂材料、2重量份的硅烷偶联剂进行复合处理，得到聚酰亚胺树脂增强复合材料。
对比例2
将5重量份的含有质量百分比1.0%磷酸钡的玄武岩纤维与90重量份的聚酰亚胺树脂材料、2重量份的硅烷偶联剂进行复合处理，得到聚酰亚胺树脂增强复合材料。
对比例3
将5重量份的常规玄武岩纤维与90重量份的聚酰亚胺树脂材料、2重量份的硅烷偶联剂进行复合处理，得到聚酰亚胺树脂增强复合材料。
将上述实施例1-4和对比例1-3中所制备得到的聚酰亚胺树脂增强复合材料进行性能测试实验记录实验结果，记录数据如下：（聚酰亚胺树脂：拉伸强度116MPa，冲击强度31kJ/m2，断裂伸长率136%）
编号 聚酰亚胺树脂增强复合材料冲击强度（kJ/m2） 聚酰亚胺树脂增强复合材料拉伸强度（MPa） 聚酰亚胺树脂增强复合材料断裂伸长率（%）
实施例1 53 186 189
实施例2 51 185 192
实施例3 52 181 186
实施例4 51 183 183
对比例1 39 167 156
对比例2 41 168 158
对比例3 34 136 146
对上述实验数据分析可知，实施例1-4中采用本发明技术方案制备得到的聚酰亚胺树脂增强复合材料的缺口冲击强度、拉伸强度、断裂伸长率具有显著提升；而对比例1制备方法中采用的玄武岩纤维不含有磷酸钡，改性后纤维与聚酰亚胺树脂材料相容性差，与聚酰亚胺树脂材料的化学键合能力差，聚酰亚胺树脂增强复合材料性能显著降低；对比例2制备方法中未进行改性处理，与聚酰亚胺树脂材料的化学键合能力变差，聚酰亚胺树脂增强复合材料性能显著降低；对比例3制备方法中直接使用常规玄武岩纤维进行复合，对聚酰亚胺树脂的增强作用最差。

Claims (10)

1.一种聚酰亚胺树脂增强复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）改性处理：将玄武岩纤维置入改性剂A中，再加入改性剂B，反应完全后，取出玄武岩纤维，真空或惰性气体保护下加热煅烧处理得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将改性玄武岩纤维与聚酰亚胺树脂材料、偶联剂进行复合处理，得到聚酰亚胺树脂增强复合材料；
所述的玄武岩纤维中含有磷酸钡；所述的改性剂A为对苯二胺溶液；所述的改性剂B为均苯四甲酸二酐。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的玄武岩纤维含有质量百分比1.0-2.0%的磷酸钡。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的玄武岩纤维含有质量百分比0.3-0.8%的磷酸钡。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对苯二胺溶液中的溶剂为二甲基甲酞胺、二甲基乙酰胺、N一甲基毗咯烷酮、毗咤、二甲基亚砜中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中对苯二胺与均苯四甲酸二酐用量的总物质的量之比为2-4︰1。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1中对苯二胺与均苯四甲酸二酐用量的总物质的量之比为3︰1。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，1步骤1中玄武岩纤维在改性剂A与改性剂B中的反应时间为20-40min。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中煅烧处理的温度为150-350℃，时间为30-60min。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中改性玄武岩纤维用量是聚酰亚胺树脂材料重量的1-20%。
10.一种聚酰亚胺树脂增强复合材料，其特征在于，所述复合材料是通过权利要求1-9任意制备方法制备得到的。
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