CN107189339A - 一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料，涉及耐热复合材料技术领域，该复合材料以重量份计，包括以下原料：氨酚醛树脂，玻璃纤维，超细氢氧化铝，云母，碳化硅，硅烷偶联剂，硬脂酸钙和氮化硅等，本发明的复合材料成型工艺性好，成型件的表面平整光滑，成型件生产加工效率高，产品综合良品率高；用该材料制备的人工影响天气火箭弹部件具有优良的耐热、抗烧蚀性能，能够满足火箭弹发动机零部件耐热、抗烧蚀性能要求；本发明的超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料的制备方法，使用通用工业设备即可完成，对设备的复杂程度要求低，易于操作，工艺稳定，生产效率高，适合大规模的工业生产。

Description

一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及耐热复合材料技术领域，具体说是一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料及其制备方法。
背景技术
目前人工影响天气用火箭弹发动机部件多使用工程塑料或玻璃纤维增强酚醛复合材料，使用中存在以下几个问题：
⑴材料耐热性不高，火箭弹飞行过程中发动机由于受热刚强度下降，引起发动机故障或失效，造成掉弹问题，导致火箭弹失效及其他安全隐患；
⑵火箭发动机成型件耐烧蚀性不好，发动机工作过程中喷喉、喉衬体等部件由于抗烧蚀性不足引起失效，造成火箭弹飞行距离达不到要求，影响火箭弹效能发挥，降低人工影响天气效率。
因此人工影响天气火箭弹用耐热、抗烧蚀复合材料亟待研究。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料及其制备方法。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料，以重量份计，包括以下原料：氨酚醛树脂35~50份，玻璃纤维45~55份，超细氢氧化铝8~15份，云母3~10份，碳化硅1~5份，硅烷偶联剂0.5~1.5份，硬脂酸钙0.5~1.0份，乙醇15~20份，硼酸锌3~5份，白炭黑3~5份，微硅粉5~7份和氮化硅2~3份。
优选的，还包括聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂5~10份；
所述聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂按照以下步骤制备得到：
①将苯酚和多聚甲醛加入反应釜中，在搅拌下升温至50℃，向其中加入氢氧化钠，在65~70℃下反应4~6小时，得到反应液，将所得反应液冷却至20℃以下，加入盐酸调节至pH为7~8，得到酚醛树脂；其中苯酚、多聚甲醛和氢氧化钠的质量比为10~15：30~40：1~2；
②将步骤①所得酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛和氰尿酸加入反应釜中，搅拌混合，然后向其中滴加催化剂钛酸丁酯，然后在80~90℃下反应1~3小时，然后减压蒸馏除去水和小分子的物质，得到聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂；其中步骤①所得酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛、氰尿酸和钛酸丁酯的质量比为40~50：10~15：5~10：0.1~0.5。
优选的，氨酚醛树脂的粘度为100~160mPa·s。
优选的，硅烷偶联剂为KH550或KH560。
优选的，超细氢氧化铝、云母和碳化硅的平均粒径为15~20微米。
进一步优选的，以重量份计，由以下原料组成：氨酚醛树脂40份，玻璃纤维50份，超细氢氧化铝10份，云母8份，碳化硅3份，硅烷偶联剂1.0份，硬脂酸钙18份，乙醇0.8份，硼酸锌4份，白炭黑4份，微硅粉6份，氮化硅2.5份和聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂8份。
本发明还包括一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料的制备方法，包括以下步骤：
①将氨酚醛树脂35~50份，硅烷偶联剂0.5~1.5份，硬脂酸钙0.5~1.0份加入到乙醇15~20份混合均匀，然后向其中加入超细氢氧化铝8~15份，云母3~10份，碳化硅1~5份，用分散机分散均匀得到第一混合料；
②在搅拌下，将步骤①所得第一混合料和玻璃纤维45~55份加入到拌和机中，混合均匀得到第二混合料；
③将步骤所得第二混合料铺放到烘干传送带上烘干，得到超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料；烘干温度为80~90℃，烘干传送带的前进速度为0.5~1.5米/分钟。
优选的制备方法，烘干温度为85℃，烘干传送带的前进速度为1.0米/分钟。
优选的制备方法，9、步骤②为：将步骤①所得第一混合料、聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂5~10份和玻璃纤维45~55份加入到拌和机中，混合均匀得到第二混合料；
所述聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂按照以下步骤制备得到：
①将苯酚和多聚甲醛加入反应釜中，在搅拌下升温至50℃，向其中加入氢氧化钠，在68℃下反应5小时，得到反应液，将所得反应液冷却至20℃以下，加入盐酸调节至pH为7，得到酚醛树脂；其中苯酚、多聚甲醛和氢氧化钠的质量比为12：35：1.5；
②将步骤①所得酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛和氰尿酸加入反应釜中，搅拌混合，然后向其中滴加催化剂钛酸丁酯，然后在85℃下反应2小时，然后减压蒸馏除去水和小分子的物质，得到聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂；其中步骤①所得酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛、氰尿酸和钛酸丁酯的质量比为45：12：8：0.3。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明的超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料成型工艺性好，成型件的表面平整光滑，成型件生产加工效率高，产品综合良品率高；用该材料制备的人工影响天气火箭弹部件具有优良的耐热、抗烧蚀性能，能够满足火箭弹发动机零部件耐热、抗烧蚀性能要求；用该材料制备的部件固化速度快，生产效率高，具有较好的技术经济性。
本发明优选的超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料的组分中加入了聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂；该树脂首先通过加入过量的甲醛合成酚醛树脂，然后通过氰尿酸和过量的甲醛反应得到氰尿酸甲醛树脂，氰尿酸甲醛树脂和聚乙烯醇缩丁醛在钛酸丁酯的催化下对酚醛树脂进行改性，热塑性的氰尿酸甲醛树脂，氰尿酸甲醛树脂对热固性的酚醛树脂起到了很好的内增韧效果，减少了酚醛树脂的脆性，提高了粘附力和力学强度，该用该聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂的加入能增加了氨酚醛树脂的粘附性能和浸渍效果，与其他填料能很好的配伍，发挥其耐热、抗烧蚀性能。
本发明的超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料的制备方法，使用通用工业设备即可完成，对设备的复杂程度要求低，易于操作，工艺稳定，生产效率高，适合大规模的工业生产。
具体实施方式
以下结合具体实施例来对本发明作进一步的描述。
本发明实施例中采用的氨酚醛树脂购买于西安利澳科技股份有限公司，粘度为80~180mPa·s。
实施例1
一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料，由以下原料组成：氨酚醛树脂35kg，玻璃纤维45kg，超细氢氧化铝8kg，云母3kg，碳化硅1kg，硅烷偶联剂KH550 0.5kg，硬脂酸钙0.5kg，乙醇15kg，硼酸锌3kg，白炭黑3kg，微硅粉5kg和氮化硅2kg。
实施例2
一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料，由以下原料组成：氨酚醛树脂50kg，玻璃纤维55kg，超细氢氧化铝15kg，云母10kg，碳化硅5kg，硅烷偶联剂KH560 1.5kg，硬脂酸钙1.0kg，乙醇20kg，硼酸锌5kg，白炭黑5kg，微硅粉7kg和氮化硅3kg。
实施例3
一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料，由以下原料组成：氨酚醛树脂40kg，玻璃纤维48kg，超细氢氧化铝10kg，云母6kg，碳化硅4kg，硅烷偶联剂KH-171 0.8kg，硬脂酸钙0.6kg，乙醇17kg，硼酸锌4kg，白炭黑3.5kg，微硅粉5.5kg和氮化硅2.5kg。
实施例4
一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料，由以下原料组成：氨酚醛树脂35kg，玻璃纤维45kg，超细氢氧化铝8kg，云母3kg，碳化硅1kg，硅烷偶联剂KH550 0.5kg，硬脂酸钙0.5kg，乙醇15kg，硼酸锌3kg，白炭黑3kg，微硅粉5kg，氮化硅2kg和聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂5kg；
所述聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂按照以下步骤制备得到：
①将10kg苯酚和30kg多聚甲醛加入反应釜中，在搅拌下升温至50℃，向其中加入1kg氢氧化钠，在65℃下反应4小时，得到反应液，将所得反应液冷却至20℃以下，加入盐酸调节至pH为7，得到酚醛树脂；
②取40kg步骤①所得酚醛树脂、10kg聚乙烯醇缩丁醛和5kg氰尿酸加入反应釜中，搅拌混合，然后向其中滴加催化剂0.1kg钛酸丁酯，然后在80℃下反应1小时，然后减压蒸馏除去水和小分子的物质，得到聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂。
实施例5
一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料，由以下原料组成：氨酚醛树脂50kg，玻璃纤维55kg，超细氢氧化铝15kg，云母10kg，碳化硅5kg，硅烷偶联剂KH560 1.5kg，硬脂酸钙1.0kg，乙醇20kg，硼酸锌5kg，白炭黑5kg，微硅粉7kg，氮化硅3kg和聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂10kg；
所述聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂按照以下步骤制备得到：
①将15kg苯酚和40kg多聚甲醛加入反应釜中，在搅拌下升温至50℃，向其中加入2kg氢氧化钠，在70℃下反应6小时，得到反应液，将所得反应液冷却至20℃以下，加入盐酸调节至pH为8，得到酚醛树脂；
②取50kg步骤①所得酚醛树脂、15kg聚乙烯醇缩丁醛和10kg氰尿酸加入反应釜中，搅拌混合，然后向其中滴加0.5kg催化剂钛酸丁酯，然后在90℃下反应3小时，然后减压蒸馏除去水和小分子的物质，得到聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂。
实施例6
一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料，由以下原料组成：氨酚醛树脂40kg，玻璃纤维48kg，超细氢氧化铝10kg，云母6kg，碳化硅4kg，硅烷偶联剂KH-171 0.8kg，硬脂酸钙0.6kg，乙醇17kg，硼酸锌4kg，白炭黑3.5kg，微硅粉5.5kg，氮化硅2.5kg和聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂6kg；
所述聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂按照以下步骤制备得到：
①将12kg苯酚和35kg多聚甲醛加入反应釜中，在搅拌下升温至50℃，向其中加入1.5kg氢氧化钠，在68℃下反应5小时，得到反应液，将所得反应液冷却至20℃以下，加入盐酸调节至pH为7，得到酚醛树脂；
②将45kg步骤①所得酚醛树脂、12kg聚乙烯醇缩丁醛和8kg氰尿酸加入反应釜中，搅拌混合，然后向其中滴加0.3kg催化剂钛酸丁酯，然后在85℃下反应2小时，然后减压蒸馏除去水和小分子的物质，得到聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂。
采用实施例1~6中的原料配比，结合以下方法制备得到超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料：
①将氨酚醛树脂，硅烷偶联剂，硬脂酸钙加入到乙醇混合均匀，然后向其中加入超细氢氧化铝，云母，碳化硅，用分散机分散均匀得到第一混合料；
②在搅拌下，将步骤①所得第一混合料和玻璃纤维加入到拌和机中，混合均匀得到第二混合料；
③将步骤所得第二混合料铺放到烘干传送带上烘干，得到超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料；烘干温度为80~90℃，烘干传送带的前进速度为0.5~1.5米/分钟。
对实施例1~6的超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料进行以下项目的检测，其中各个项目的名称，技术指标和检测方法如表1所示，结果如表2所示。
表1 检测项目的名称，技术指标和检测方法一览表
项目 技术指标 检测方法
挥发份含量 ≤4 GJB 1595-93
可溶性树脂含量 80～97 GJB 1595-93
拉伸强度（MPa） ≥148.2 GB/T1447-2005
密度（g/cm3） 1.65～1.85 GB/T1463-2005
导热系数（W/(m.k)） ≤0.64 GB/T3139-2005
线烧蚀率 ≤0.16mm/s，且试验后试样烧蚀均匀，无块状剥落、鼓起现象，表面裂纹深度不超过碳化层。 GJB323A
表2实施例1~6的超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料的检测数据
由表2的结果可以看出，超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料各个指标均符合标准，并且相比市场上现有的同类型的氨酚醛树脂复合材料其质量线烧蚀率是其35%左右，其耐热性指标高20~30%。

Claims (9)

1.一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料，其特征在于：以重量份计，包括以下原料：氨酚醛树脂35~50份，玻璃纤维45~55份，超细氢氧化铝8~15份，云母3~10份，碳化硅1~5份，硅烷偶联剂0.5~1.5份，硬脂酸钙0.5~1.0份，乙醇15~20份，硼酸锌3~5份，白炭黑3~5份，微硅粉5~7份和氮化硅2~3份。
2.根据权利要求1所述的一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料，其特征在于：还包括聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂5~10份；
所述聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂按照以下步骤制备得到：
①将苯酚和多聚甲醛加入反应釜中，在搅拌下升温至50℃，向其中加入氢氧化钠，在65~70℃下反应4~6小时，得到反应液，将所得反应液冷却至20℃以下，加入盐酸调节至pH为7~8，得到酚醛树脂；其中苯酚、多聚甲醛和氢氧化钠的质量比为10~15：30~40：1~2；
②将步骤①所得酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛和氰尿酸加入反应釜中，搅拌混合，然后向其中滴加催化剂钛酸丁酯，然后在80~90℃下反应1~3小时，然后减压蒸馏除去水和小分子的物质，得到聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂；其中步骤①所得酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛、氰尿酸和钛酸丁酯的质量比为40~50：10~15：5~10：0.1~0.5。
3.根据权利要求1所述的一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料，其特征在于：氨酚醛树脂的粘度为100~160mPa·s。
4.根据权利要求1所述的一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料，其特征在于：硅烷偶联剂为KH550或KH560。
5.根据权利要求1所述的一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料，其特征在于：超细氢氧化铝、云母和碳化硅的平均粒径为15~20微米。
6.根据权利要求2所述的一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料，其特征在于：以重量份计，由以下原料组成：氨酚醛树脂40份，玻璃纤维50份，超细氢氧化铝10份，云母8份，碳化硅3份，硅烷偶联剂1.0份，硬脂酸钙18份，乙醇0.8份，硼酸锌4份，白炭黑4份，微硅粉6份，氮化硅2.5份和聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂8份。
7.权利要求1所述的一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
①将氨酚醛树脂35~50份，硅烷偶联剂0.5~1.5份，硬脂酸钙0.5~1.0份加入到乙醇15~20份混合均匀，然后向其中加入超细氢氧化铝8~15份，云母3~10份，碳化硅1~5份，用分散机分散均匀得到第一混合料；
②在搅拌下，将步骤①所得第一混合料和玻璃纤维45~55份加入到拌和机中，混合均匀得到第二混合料；
③将步骤所得第二混合料铺放到烘干传送带上烘干，得到超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料；烘干温度为80~90℃，烘干传送带的前进速度为0.5~1.5米/分钟。
8.根据权利要求7所述的一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料的制备方法，其特征在于：烘干温度为85℃，烘干传送带的前进速度为1.0米/分钟。
9.根据权利要求7所述的一种超细碳化硅高硅氧纤维增强酚醛耐热复合材料的制备方法，其特征在于：步骤②为：将步骤①所得第一混合料、聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂5~10份和玻璃纤维45~55份加入到拌和机中，混合均匀得到第二混合料；
所述聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂按照以下步骤制备得到：
①将苯酚和多聚甲醛加入反应釜中，在搅拌下升温至50℃，向其中加入氢氧化钠，在68℃下反应5小时，得到反应液，将所得反应液冷却至20℃以下，加入盐酸调节至pH为7，得到酚醛树脂；其中苯酚、多聚甲醛和氢氧化钠的质量比为12：35：1.5；
②将步骤①所得酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛和氰尿酸加入反应釜中，搅拌混合，然后向其中滴加催化剂钛酸丁酯，然后在85℃下反应2小时，然后减压蒸馏除去水和小分子的物质，得到聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂；其中步骤①所得酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛、氰尿酸和钛酸丁酯的质量比为45：12：8：0.3。
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