CN107936483A - 一种苎麻纤维/环氧树脂复合材料的制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于防弹装甲板板材领域，公开一种苎麻纤维/环氧树脂复合材料的制备方法和应用。将苎麻纤维裁剪成段，置于模具腔中，然后放在机械振动台中，设定振动的功率为1.2~1.8 KW、振动的频率为300~600 HZ、振幅为1~5 mm、振动的时间为10~30 min；将液态环氧树脂与固化剂、硅烷偶联剂以质量比（1~1.2）∶1∶（0.01~0.066）混合均匀，得环氧树脂胶液；将模具腔从机械振动台中取出，再将环氧树脂胶液注入模具腔中浸透苎麻纤维；将浸渍处理的苎麻纤维先室温晾干，再加压成型，最后固化，即得苎麻纤维/环氧树脂复合材料。本发明避免了溶液法分散苎麻纤维周期长以及对纤维表面改性造成其性能降低等问题，所得苎麻纤维/环氧树脂复合材料可应用于防弹装甲板夹层材料。

Description

一种苎麻纤维/环氧树脂复合材料的制备方法和应用
技术领域
本发明属于防弹装甲板板材领域，具体涉及一种苎麻纤维/环氧树脂复合材料的制备方法和应用。
背景技术
对于防弹装甲而言，其弹道性能是关键指标，包括抗侵彻能力、抗冲击能力和抗崩落能力，而它们与构成装甲的材料密切相关。装甲材料应尽可能满足“高硬度、高强度、高韧性、低密度、低成本”的要求。然而对于这种要求，没有任何一种均质单相材料能够同时满足。陶瓷作为装甲材料具有诸多优点：具有极高的硬度和抗压强度，有利于抵御高速穿甲弹的侵蚀；密度小，约为均质装甲钢的1/4~1 /2，有利于装甲重量的减轻；耐热性好，在高温下可以保持形状尺寸不变，能够抵御高温射流的侵蚀。但陶瓷材料也存在诸多缺点，如塑性差、断裂强度低且易产生脆性断裂、成型尺寸较小等。金属作为装甲材料则存在密度大。目前功能复合装甲材料是最理想的一种应用形式，也是提高防弹水平最有竞争力的装甲材料。
植物纤维具有轻质、无毒、低成本、高的比强度和比模量及可生物降解特性，其中，苎麻纤维在中国来源广泛，被称作“中国草”，其力学性能较为优异，拉伸强度为400~938MPa，拉伸模量为 61.4～128GPa。因此，它是纤维增强树脂基复合材料理想的增强体。目前将纤维用于复合材料的制备主要集中于纤维分散能力以及纤维与树脂的界面结合状态的研究上。对纤维的分散问题传统方法主要是指采用溶液分散的方法，其不但周期较长，且在分散过程中分散剂等的加入会影响纤维表面的结构状态，同时分散后的纤维在干燥后可能也会造成纤维的重新团聚等问题。其中纤维与树脂的界面粘结性能是决定复合材料力学性能优劣的重要因素之一。苎麻纤维具有一定的亲水性，与疏水性环氧树脂的相容性差，导致了其界面粘结性能较弱，无法有效地将外加载荷由环氧树脂通过界面传递到增强纤维，最终使得复合材料承载能力不够理想。 因此，在制备苎麻纤维增强树脂基复合材料前通常需要对纤维进行改性以降低其亲水性及吸湿性，提高复合材料的界面粘结力。可见苎麻纤维的表面特性产生的分散性和纤维与树脂界面的结合状态是相互矛盾的，因此需要寻找一种合适的制备方法使纤维在均匀分散成型的基础上提高其与树脂的界面结合力。目前不管是物理改性如热处理法、碱处理法、低温等离子体处理，还是化学法如用苯甲酸、有机硅烷等处理，均需要单独对苎麻纤维进行处理，使纤维表面结构状态发生变化的同时也造成污染，并且生产流程也相对较长。目前，苎麻等天然纤维增强复合材料的研究已成为关注的热点，对纤维合适的改性途径有待进一步研究，并进一步将其用于替代复合材料中的合成增强体而应用于装甲材料中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种苎麻纤维/环氧树脂复合材料的制备方法和应用。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种苎麻纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）、将苎麻纤维裁剪成段，置于模具腔中，然后放在机械振动台中，设定振动的功率为1.2~1.8 KW、振动的频率为300~600 HZ、振幅为1~5 mm、振动的时间为10~30 min；
（2）、将液态环氧树脂与固化剂、硅烷偶联剂以质量比（1~1.2）∶1∶（0.01~0.066）混合均匀，得环氧树脂胶液；
（3）、将模具腔从机械振动台中取出，再将上述环氧树脂胶液注入模具腔中浸透苎麻纤维；
（4）、将步骤（3）浸渍处理的苎麻纤维先室温晾干，再加压成型，最后固化，即得苎麻纤维/环氧树脂复合材料。
较好地，步骤（1）中，将苎麻纤维裁剪成长度为10~20mm的段。
较好地，步骤（2）中，所述液态环氧树脂为双酚A型或酚醛型环氧树脂。
较好地，步骤（2）中，所述固化剂为三乙烯四胺、聚酰胺、二乙烯三胺或乙二胺；所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂A-151。
较好地，步骤（3）中，将环氧树脂胶液注入模具腔中浸透苎麻纤维时，苎麻纤维在终体系中的质量浓度为30~50 %。
较好地，步骤（4）中加压成型的压力为100~150 MPa，固化的温度范围为60~80 ℃，固化的时间为24~36 h。
所述制备方法制备的苎麻纤维/环氧树脂复合材料作为防弹装甲板的夹层材料的应用。
本发明提供的苎麻纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，采用机械振动的方法，避免了溶液法分散苎麻纤维周期长以及对纤维表面改性造成其性能降低等问题，振动得到的苎麻纤维分散体中纤维分散均匀密实，且能降低制备过程中的成本，在提高效率的同时大大缩短了分散周期，制备过程无污染等。在树脂胶液中加入硅烷偶联剂，增强树脂与苎麻纤维界面结合强度的同时避免了偶联剂对纤维直接改性的过程，缩短了复合材料制备周期，另外，改性会使纤维的表面结构发生变化，造成纤维力学性能降低等不利影响。经过振动分散得到的苎麻纤维经环氧树脂胶液浸渍后经过简单的压制成型，固化处理即可得到苎麻纤维增强的环氧树脂复合材料，将其应用于防弹装甲板夹层材料除具有绿色环保、质量轻、成本低等优势外，其同时具有良好的力学性能以及可降解等特点。
附图说明
图1：防弹装甲板的结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
实施例1
一种苎麻纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）、将苎麻纤维裁剪成长度10 mm的段，置于模具腔中，然后放在机械振动台中，设定振动的功率为1.5 KW、振动的频率为600 HZ、振幅为3 mm、振动的时间为10 min；
（2）、将液态双酚A型环氧树脂与固化剂三乙烯四胺、硅烷偶联剂A-151以质量比1∶1∶0.02混合均匀，得环氧树脂胶液；
（3）、将模具腔从机械振动台中取出，再将上述环氧树脂胶液注入模具腔中浸透苎麻纤维，苎麻纤维在终体系中的质量浓度为30 %；
（4）、将步骤（3）浸渍处理的苎麻纤维在室温下晾干后，在100 MPa下压制成型，在烘箱中60 ℃固化24 h，即得苎麻纤维/环氧树脂复合材料。
本实施例制备的苎麻纤维/环氧树脂复合材料的拉伸强度为146.3 Mpa，弯曲强度为328.6 Mpa。
实施例2
一种苎麻纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）、将苎麻纤维裁剪成长度15 mm的段，置于模具腔中，然后放在机械振动台中，设定振动的功率为1.2 KW、振动的频率为300 HZ、振幅为5 mm、振动的时间为30 min；
（2）、将液态酚醛型环氧树脂与固化剂二乙烯三胺、硅烷偶联剂A151以质量比1.1∶1∶0.063混合均匀，得环氧树脂胶液；
（3）、将模具腔从机械振动台中取出，再将上述环氧树脂胶液注入模具腔中浸透苎麻纤维，苎麻纤维在终体系中的质量浓度为40 %；
（4）、将步骤（3）浸渍处理的苎麻纤维在室温下晾干后，在120 MPa下压制成型，在烘箱中70 ℃固化30 h，即得苎麻纤维/环氧树脂复合材料。
本实施例制备的苎麻纤维/环氧树脂复合材料的拉伸强度为134.5 Mpa，弯曲强度为310.3 Mpa。
实施例3
一种苎麻纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）、将苎麻纤维裁剪成长度20 mm的段，置于模具腔中，然后放在机械振动台中，设定振动的功率为1.8 KW、振动的频率为400 HZ、振幅为2 mm、振动的时间为20 min；
（2）、将液态双酚A型环氧树脂与固化剂聚酰胺、硅烷偶联剂以质量比1.2∶1∶0.044混合均匀，得环氧树脂胶液；
（3）、将模具腔从机械振动台中取出，再将上述环氧树脂胶液注入模具腔中浸透苎麻纤维，苎麻纤维在终体系中的质量浓度为50 %；
（4）、将步骤（3）浸渍处理的苎麻纤维在室温下晾干后，在150 MPa下压制成型，在烘箱中80 ℃固化36 h，即得苎麻纤维/环氧树脂复合材料。
本实施例制备的苎麻纤维/环氧树脂复合材料的拉伸强度为164.5Mpa，弯曲强度为356.3Mpa。
对照例1
与实施例1的区别在于：步骤（1）中，设定振动的功率为1 KW、振动的频率为300 HZ、振幅为 5 mm、振动的时间为8 min；其它均同实施例1。
本对照例制备的苎麻纤维/环氧树脂复合材料的拉伸强度为86.5Mpa，弯曲强度为145.3Mpa。
对照例2
与实施例1的区别在于：步骤（1）中，设定振动的功率为1 KW、振动的频率为200 HZ、振幅为1 mm、振动的时间为5 min；其它均同实施例1。
本对照例制备的苎麻纤维/环氧树脂复合材料的拉伸强度为73.8Mpa，弯曲强度为136.7Mpa。
比较实施例1~3以及对照例1~2所得苎麻纤维/环氧树脂复合材料的性能数据，发现实施例1~3的性能明显优于对照例1~2。实施例1~3所得苎麻纤维/环氧树脂复合材料的性能完全满足防弹装甲板的夹层材料要求，而对照例1~2所得苎麻纤维/环氧树脂复合材料的性能则不能满足该要求。
应用例
将本发明制备的苎麻纤维/环氧树脂复合材料用于防弹装甲板的夹层材料，防弹装甲板的结构如图1所示，为层状复合结构，包括依次粘接在一起的面板1、夹层2、背板3，其中面板1为陶瓷基复合材料（例如SiC/Al、Al2O3/Al、Ti/TiB2、C/TiB2），夹层2为本发明制备的苎麻纤维/环氧树脂复合材料，背板3为钢、铝合金或者陶瓷基复合材料（例如SiC/Al、Al2O3/Al、Ti/TiB2、C/TiB2）。面板1和背板3中的陶瓷基复合材料均为已知产品，并可按现有技术制备获得。
具体地，面板1和背板3均为SiC/Al复合材料，夹层2为实施例1制备的苎麻纤维/环氧树脂复合材料；面板1厚10 mm，背板3厚5 mm，夹层2厚12 mm。
当子弹入射到该防弹装甲板上时，陶瓷基复合材料面板1具有的高硬度、高强度的力学特性可使弹头在侵彻陶瓷时发生磨损和破碎，同时大量消耗弹头的动能到达夹层2，苎麻纤维/环氧树脂复合材料具有良好的韧性以及优异的抗冲击性能，会吸收大部分入射冲击能量，同时苎麻纤维独特的结构特性当其受到子弹的冲击作用时可能产生层间的滑移，能够延缓子弹作用的时间，从而消耗更多的能量，环氧树脂在此过程产生的脆性断裂会产生新的表面，也会消耗部分能量。加之夹层2结构存在使径向裂纹有了沿轴向扩展的空间，使得径向的张力降低到材料所能承载的张力极限之下，使陶瓷基复合材料面板1能够保持完好的形貌，不会整体破坏；随着弹丸及其碎片的继续侵彻，通过夹层2后能直接到达到陶瓷基复合材料背板3使其发生塑性形变，同时能够吸收大量能量，通过三层防弹装甲板板材的共同配合作用能够提高防弹装甲材料的自身完整性，从而提高其抗多发弹冲击的能力。

Claims (7)

1.一种苎麻纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
（1）、将苎麻纤维裁剪成段，置于模具腔中，然后放在机械振动台中，设定振动的功率为1.2~1.8 KW、振动的频率为300~600 HZ、振幅为1~5 mm、振动的时间为10~30 min；
（2）、将液态环氧树脂与固化剂、硅烷偶联剂以质量比（1~1.2）∶1∶（0.01~0.066）混合均匀，得环氧树脂胶液；
（3）、将模具腔从机械振动台中取出，再将上述环氧树脂胶液注入模具腔中浸透苎麻纤维；
（4）、将步骤（3）浸渍处理的苎麻纤维先室温晾干，再加压成型，最后固化，即得苎麻纤维/环氧树脂复合材料。
2.如权利要求1所述的苎麻纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，将苎麻纤维裁剪成长度为10~20 mm的段。
3.如权利要求1所述的苎麻纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述液态环氧树脂为双酚A型或酚醛型环氧树脂。
4.如权利要求1所述的苎麻纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述固化剂为三乙烯四胺、聚酰胺、二乙烯三胺或乙二胺；所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂A-151。
5.如权利要求1所述的苎麻纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，将环氧树脂胶液注入模具腔中浸透苎麻纤维时，苎麻纤维在终体系中的质量浓度为30~50 %。
6.如权利要求1所述的苎麻纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，加压成型的压力为100~150 Mpa，固化的温度为60~80 ℃，固化的时间为24~36 h。
7.一种如权利要求1~6任一所述制备方法制备的苎麻纤维/环氧树脂复合材料作为防弹装甲板的夹层材料的应用。
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