CN107573526A - 碳纤维复合材料、其制备方法及碳纤维复合材料板材 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳纤维复合材料、其制备方法及碳纤维复合材料板材。该碳纤维复合材料包括碳纤维复合材料本体，碳纤维复合材料还包括复合过渡层，复合过渡层与碳纤维复合材料本体的表面接触设置，形成复合过渡层的原料包括热固性树脂和固化剂，且热固性树脂的官能度大于等于3。利用上述复合过渡层能够改观其表面结构，增加碳纤维复合材料本体的表面极性，进而提高了碳纤维增强复合材料本体与涂料之间粘合力，易于碳纤维增强复合材料在涂装时的工业化实现。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，具体而言，涉及一种碳纤维复合材料、其制备方法及碳纤维复合材料板材。
背景技术
碳纤维增强复合材料具有比强度和比刚度高，可设计性强，抗疲劳断裂性能好，耐腐蚀，结构尺寸稳定性好，便于大面积整体成形以及特殊的电磁性能等独特的优点，在汽车、航空航天等制造领域发挥越来越重要的作用。
然而，现在的碳纤维增强复合材料在涂装时存在附着力差、工业化实现困难等问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种碳纤维复合材料、其制备方法及碳纤维复合材料板材，以解决现有技术中碳纤维增强复合材料在涂装时存在附着力差、工业化实现困难的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种碳纤维复合材料，包括碳纤维复合材料本体，碳纤维复合材料还包括复合过渡层，复合过渡层与碳纤维复合材料本体的表面接触设置，形成复合过渡层的原料包括热固性树脂和固化剂，且热固性树脂的官能度大于等于3。
进一步地，热固性树脂选自氢化松香树脂、萜烯酚醛树脂、环氧树脂E-35、环氧树脂E-51 和环氧树脂E-55中的任一种或多种。
进一步地，固化剂选自双酮丙烯酰胺加成物、二乙烯三胺和三乙烯四胺中的任一种或多种。
进一步地，按重量份计，复合过渡层的原料包括n1份的热固性树脂和n2份的固化剂，其中，1＜n1＜3，0＜n2＜0.3。
进一步地，形成复合过渡层的原料还包括稀释剂和助剂，优选助剂选自氧化锌、石墨、纳米二氧化钛和硅烷偶联剂中的任一种或多种，优选稀释剂选自乙醇、丙酮、苯甲醇、乙二醇甲醚和乙酸乙酯中的任一种或多种。
进一步地，按重量份计，复合过渡层的原料还包括1～16份的稀释剂和0.01～0.1份的助剂。
进一步地，复合过渡层的厚度为1～10μm。
根据本发明的另一个方面，提供了一种上述的碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：采用包括热固性树脂和固化剂的原料形成预固化产物，热固性树脂的官能度大于等于3；将预固化产物涂布于碳纤维复合材料本体的表面，固化，得到碳纤维复合材料。
进一步地，形成预固化产物的步骤包括：将原料加入60～90℃的反应釜内，在搅拌速度为 300～800转/min的条件下反应2～5h，得到预固化产物。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种碳纤维复合材料板材，包括碳纤维复合材料以及接触设置于碳纤维复合材料表面的涂层，碳纤维复合材料为上述的碳纤维复合材料，且碳纤维复合材料中的复合过渡层位于碳纤维复合材料本体和涂层之间。
应用本发明的技术方案，提供了一种包括碳纤维复合材料本体和复合过渡层的碳纤维复合材料，由于该复合过渡层与碳纤维复合材料本体的表面接触设置，形成复合过渡层的原料包括热固性树脂和固化剂，且热固性树脂的官能度大于等于3，从而利用上述复合过渡层能够改观其表面结构，增加碳纤维复合材料本体的表面极性，进而提高了碳纤维增强复合材料本体与涂料之间粘合力，易于碳纤维增强复合材料在涂装时的工业化实现。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
正如背景技术中所介绍的，现有技术中的碳纤维增强复合材料在涂装时存在附着力差、工业化实现困难等问题。本发明针对上述问题进行研究，提出了一种碳纤维复合材料，包括碳纤维复合材料本体，碳纤维复合材料还包括复合过渡层，复合过渡层与碳纤维复合材料本体的表面接触设置，形成复合过渡层的原料包括热固性树脂和固化剂，且热固性树脂的官能度大于等于3。
本发明的上述碳纤维复合材料中由于复合过渡层与碳纤维复合材料本体的表面接触设置，形成复合过渡层的原料包括热固性树脂和固化剂，且热固性树脂的官能度大于等于3，从而利用上述复合过渡层能够改观其表面结构，增加碳纤维复合材料本体的表面极性，进而提高了碳纤维增强复合材料本体与涂料之间粘合力，易于碳纤维增强复合材料在涂装时的工业化实现。
在本发明的上述碳纤维复合材料中，复合过渡层与所述碳纤维复合材料本体的表面接触设置是指复合过渡层覆盖于碳纤维复合材料本体的至少部分表面；碳纤维复合材料本体是指由有机纤维经过一系列热处理转化而成，含碳量高于90％的无机高性能纤维层，本领域技术人员可以根据现有技术对上述碳纤维复合材料本体的种类进行合理选取。
在本发明的上述碳纤维复合材料中，为了有效地改观碳纤维复合材料本体的表面结构，增加碳纤维复合材料本体的表面极性，优选地，形成复合过渡层的热固性树脂选自氢化松香树脂、萜烯酚醛树脂、环氧树脂E-35、环氧树脂E-51和环氧树脂E-55中的任一种或多种。其中，环氧树脂E-35、环氧树脂E-51和环氧树脂E-55为工业环氧树脂型号，分别代表平均环氧值分别为0.35、0.51和0.55的环氧树脂种类，环氧值是鉴别环氧树脂性质的最重要指标，是指每100g树脂中所含环氧基的物质的量数。
在本发明的上述碳纤维复合材料中，为了实现对热固性树脂的有效固化，优选地，上述固化剂选自选自双酮丙烯酰胺加成物(CH2CHCONHC(CH3)2CH2CNRCH3)、二乙烯三胺和三乙烯四胺中的任一种或多种中的任一种或多种，但并不具有限于上述优选的种类，本领域技术人员可以根据现有技术对形成复合过渡层的固化剂的种类进行合理选取；并且，优选地，按重量份计，复合过渡层的原料包括n1份的热固性树脂和n2份的固化剂，其中，1＜n1＜3，0＜n2＜0.3。
在本发明的上述碳纤维复合材料中，优选地，形成复合过渡层的原料还包括稀释剂和助剂，更为优选地，上述助剂选自氧化锌、石墨、纳米二氧化钛和硅烷偶联剂中的任一种或多种，稀释剂选自乙醇、丙酮、苯甲醇、乙二醇甲醚和乙酸乙酯中的任一种或多种。其中，氧化锌、石墨和纳米二氧化钛主要起增强作用，而硅烷偶联剂水解后起增强及改性作用。为了更为有效地发挥各助剂在形成复合过渡层的过程中的作用，更为优选地，上述稀释剂的重量份为1～16，上述助剂的重量份为0.01～0.1。
在本发明的上述碳纤维复合材料中，优选地，复合过渡层的厚度为1～10μm。通过将复合过渡层限定在上述优选的参数范围内，能够保证复合过渡层在增强碳纤维增强复合材料本体与涂料之间粘合力的基础上还能够具有较薄的厚度。
根据本发明的另一方面，提供了一种上述的碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：采用包括热固性树脂和固化剂的原料形成预固化产物，热固性树脂的官能度大于等于3；将预固化产物涂布于碳纤维复合材料本体的表面，固化，得到具有复合过渡层的碳纤维复合材料。
本发明的上述制备方法中由于先采用包括热固性树脂和固化剂的原料形成预固化产物，热固性树脂的官能度大于等于3，然后将预固化产物设置于碳纤维复合材料表面并固化，得到复合过渡层，从而利用上述复合过渡层能够改观其表面结构，增加碳纤维复合材料本体的表面极性，进而提高了碳纤维增强复合材料本体与涂料之间粘合力，易于碳纤维增强复合材料在涂装时的工业化实现。
下面将更详细地描述根据本发明提供的碳纤维复合材料的制备方法的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。
首先，采用包括热固性树脂和固化剂的原料形成预固化产物，热固性树脂的官能度大于等于3。为了保证由上述预固化产物形成的复合过渡层的性质，在一种优选的实施方式中，形成上述预固化产物的步骤包括：将原料加入60～90℃的反应釜内，在搅拌速度为300～800转/min 的条件下反应2～5h，得到预固化产物。
在完成上述形成预固化产物的步骤之后，将预固化产物涂布于碳纤维复合材料本体的表面，固化，得到具有复合过渡层的碳纤维复合材料。通过涂布并固化上述预固化产物，能够使形成于碳纤维复合材料表面的复合过渡层具有增强碳纤维增强复合材料本体与涂料之间粘合力的作用，本领域技术人员可以根据现有技术对上述固化条件进行合理设定。优选地，将上述预固化产物设置于碳纤维复合材料本体的表面的步骤之前，对该碳纤维复合材料本体的表面进行打磨处理，通过打磨处理以除去碳纤维板材表面附着的脱模剂及其他污染物。
根据本发明的另一方面，还提供了一种碳纤维复合材料板材，包括碳纤维复合材料以及接触设置于碳纤维复合材料表面的涂层，碳纤维复合材料为上述的碳纤维复合材料，且碳纤维复合材料中的复合过渡层位于碳纤维复合材料本体和涂层之间。为了提高与碳纤维复合材料的粘附性，优选地，上述涂层为聚氨酯层或环氧树脂层，但并不局限于上述优选的种类，本领域技术人员可以根据现有技术对涂层的种类进行合理选取。
本发明的上述碳纤维复合材料板材中由于复合过渡层与碳纤维复合材料本体的表面接触设置，形成复合过渡层的原料包括热固性树脂和固化剂，且热固性树脂的官能度大于等于3，从而利用上述复合过渡层能够改观其表面结构，增加碳纤维复合材料本体的表面极性，进而提高了碳纤维增强复合材料本体与涂料之间粘合力，易于碳纤维复合材料板材的工业化实现。
下面将结合实施例和对比例进一步说明本发明提供的碳纤维复合材料的制备方法。
实施例1
本实施例提供的碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：
将重量份为0.8的氢化松香树脂(山东豪耀新材料有限公司，CY1008)和重量份为0.4 的固化剂加入58℃的反应釜内，在搅拌速度为295转/min的条件下反应1.9h，得到预固化产物，其中，固化剂为二乙烯三胺与三乙烯四胺以重量比1:3混合后的产物；
将预固化产物涂布于碳纤维复合材料本体(山东德州卓利欧碳纤维有限公司，厚度4mm) 的表面并干燥，得到厚度为0.9μm的复合过渡层。
实施例2
本实施例提供的碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：
将重量份为1的萜烯酚醛树脂(深圳市吉田化工有限公司，803L)和重量份为0.01的固化剂加入58℃的反应釜内，在搅拌速度为295转/min的条件下反应1.9h，得到预固化产物，其中固化剂为双酮丙烯酰胺加成物(CH2CHCONHC(CH3)2CH2CNRCH3)；
将预固化产物涂布于碳纤维复合材料本体(山东德州卓利欧碳纤维有限公司，厚度4mm) 的表面并干燥，得到厚度为1μm的复合过渡层。
实施例3
本实施例提供的碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：
将重量份为3的环氧树脂E-35和重量份为0.3的固化剂加入58℃的反应釜内，在搅拌速度为295转/min的条件下反应1.9h，得到预固化产物，其中，固化剂为双酮丙烯酰胺加成物与三乙烯四胺以重量比2:1混合后的产物；
将预固化产物涂布于碳纤维复合材料本体(山东德州卓利欧碳纤维有限公司，厚度4mm) 表面并干燥，得到厚度为5μm的复合过渡层。
实施例4
本实施例提供的碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：
将重量份为3的环氧树脂E-51、重量份为0.3的固化剂、重量份为0.8的稀释剂以及重量份为0.2的助剂加入58℃的反应釜内，在搅拌速度为295转/min的条件下反应1.9h，得到预固化产物，其中，固化剂为二乙烯三胺与三乙烯四胺以重量比2:1混合后的产物，稀释剂为丙酮，助剂为石墨；
将预固化产物涂布于碳纤维复合材料本体(山东德州卓利欧碳纤维有限公司，厚度4mm) 表面并干燥，得到厚度为5μm的复合过渡层。
实施例5
本实施例提供的碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：
将重量份为3的环氧树脂E-35、重量份为0.3的固化剂、重量份为1的稀释剂以及重量份为0.01的助剂加入58℃的反应釜内，在搅拌速度为295转/min的条件下反应1.9h，得到预固化产物，其中，固化剂为二乙烯三胺与三乙烯四胺以重量比1:3混合后的产物，稀释剂为乙醇，助剂为氧化锌；
将预固化产物涂布于碳纤维复合材料本体(山东德州卓利欧碳纤维有限公司，厚度4mm) 表面并干燥，得到厚度为5μm的复合过渡层。
实施例6
本实施例提供的碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：
将重量份为3的环氧树脂E-35、重量份为0.3的固化剂、重量份为16的稀释剂以及重量份为0.1的助剂加入58℃的反应釜内，在搅拌速度为295转/min的条件下反应1.9h，得到预固化产物，其中，固化剂为二乙烯三胺与三乙烯四胺以重量比1:3混合后的产物，稀释剂为苯甲醇，助剂为二氧化钛；
将预固化产物涂布于碳纤维复合材料本体(山东德州卓利欧碳纤维有限公司，厚度4mm) 表面并干燥，得到厚度为10μm的复合过渡层。
实施例7
本实施例提供的碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：
将重量份为3的环氧树脂E-35、重量份为0.3的固化剂、重量份为16的稀释剂以及重量份为0.1的助剂加入60℃的反应釜内，在搅拌速度为300转/min的条件下反应2h，得到预固化产物，其中，固化剂为二乙烯三胺与三乙烯四胺以重量比1:3混合后的产物，稀释剂为乙二醇甲醚，助剂为硅烷偶联剂(市售即可)；
将预固化产物涂布于碳纤维复合材料本体(山东德州卓利欧碳纤维有限公司，厚度4mm) 表面并干燥，得到厚度为10μm的复合过渡层。
实施例8
本实施例提供的碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：
将重量份为3的环氧树脂E-35、重量份为0.3的固化剂、重量份为16的稀释剂以及重量份为0.1的助剂加入90℃的反应釜内，在搅拌速度为800转/min的条件下反应5h，得到预固化产物，其中，固化剂为二乙烯三胺与三乙烯四胺以重量比1:2混合后的产物，稀释剂为乙酸乙酯，助剂为石墨；
将预固化产物涂布于碳纤维复合材料本体(山东德州卓利欧碳纤维有限公司，厚度4mm) 表面并干燥，得到厚度为10μm的复合过渡层。
实施例9
本实施例提供的碳纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：
将重量份为2的环氧树脂E-55、重量份为0.15的固化剂、重量份为8的稀释剂以及重量份为0.05的助剂加入75℃的反应釜内，在搅拌速度为500转/min的条件下反应3.5h，得到预固化产物，其中，固化剂为二乙烯三胺与三乙烯四胺以重量比1:1混合后的产物，稀释剂为苯甲醇，助剂为氧化锌；
将预固化产物涂布于碳纤维复合材料本体(山东德州卓利欧碳纤维有限公司，厚度4mm) 表面并干燥，得到厚度为6μm的复合过渡层。
对比例1
本对比例提供的碳纤维复合材料为实施例1中的碳纤维复合材料本体。
将涂料涂布于上述实施例1至9和对比例1中具有复合过渡层的碳纤维复合材料的表面并干燥。以形成涂层，然后按标准拉拔法GB/T5210测试涂层与碳纤维复合材料之间的粘合力，测试结果如下表所示。
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | |
| 粘合力 | 4.12MPa | 4.16MPa | 4.49MPa | 4.68MPa | 4.23MPa |
| 实施例6 | 实施例7 | 实施例8 | 实施例9 | 对比例1 | |
| 粘合力 | 4.27MPa | 4.08MPa | 4.16MPa | 4.38MPa | 2.16MPa |
从上述测试结果可以看出，上述实施例1至9中的碳纤维复合材料与涂层之间的粘合力均大于对比例1中碳纤维复合材料与涂层之间的粘合力，且实施例2至9中的碳纤维复合材料与涂层之间的粘合力均大于实施例1中碳纤维复合材料与涂层之间的粘合力。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
由于该复合过渡层与碳纤维复合材料本体的表面接触设置，形成复合过渡层的原料包括热固性树脂和固化剂，且热固性树脂的官能度大于等于3，从而利用上述复合过渡层能够改观其表面结构，增加碳纤维复合材料本体的表面极性，进而提高了碳纤维增强复合材料本体与涂料之间粘合力，易于碳纤维增强复合材料在涂装时的工业化实现。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种碳纤维复合材料，包括碳纤维复合材料本体，其特征在于，所述碳纤维复合材料还包括复合过渡层，所述复合过渡层与所述碳纤维复合材料本体的表面接触设置，形成所述复合过渡层的原料包括热固性树脂和固化剂，且所述热固性树脂的官能度大于等于3。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述热固性树脂选自氢化松香树脂、萜烯酚醛树脂、环氧树脂E-35、环氧树脂E-51和环氧树脂E-55中的任一种或多种。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述固化剂选自双酮丙烯酰胺加成物、二乙烯三胺和三乙烯四胺中的任一种或多种。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于，按重量份计，所述复合过渡层的原料包括n1份的所述热固性树脂和n2份的所述固化剂，其中，1＜n1＜3，0＜n2＜0.3。
5.根据权利要求4所述的碳纤维复合材料，其特征在于，形成所述复合过渡层的原料还包括稀释剂和助剂，优选所述助剂选自氧化锌、石墨、纳米二氧化钛和硅烷偶联剂中的任一种或多种，优选所述稀释剂选自乙醇、丙酮、苯甲醇、乙二醇甲醚和乙酸乙酯中的任一种或多种。
6.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料，其特征在于，按重量份计，所述复合过渡层的原料还包括1～16份的所述稀释剂和0.01～0.1份的所述助剂。
7.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料，其特征在于，所述复合过渡层的厚度为1～10μm。
8.一种权利要求1至7中任一项所述的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用包括热固性树脂和固化剂的原料形成预固化产物，所述热固性树脂的官能度大于等于3；
将所述预固化产物涂布于所述碳纤维复合材料本体的表面，固化，得到所述碳纤维复合材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，形成所述预固化产物的步骤包括：
将所述原料加入60～90℃的反应釜内，在搅拌速度为300～800转/min的条件下反应2～5h，得到所述预固化产物。
10.一种碳纤维复合材料板材，包括碳纤维复合材料以及接触设置于所述碳纤维复合材料表面的涂层，其特征在于，所述碳纤维复合材料为权利要求1至7中任一项所述的碳纤维复合材料，且所述碳纤维复合材料中的复合过渡层位于碳纤维复合材料本体和所述涂层之间。
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| CN107573526B (zh) | 2020-08-11 |
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