CN108070223B - 一种基于温度处理碳纤维提高树脂基复合材料界面粘结性能的方法 - Google Patents

一种基于温度处理碳纤维提高树脂基复合材料界面粘结性能的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108070223B
CN108070223B CN201711479198.6A CN201711479198A CN108070223B CN 108070223 B CN108070223 B CN 108070223B CN 201711479198 A CN201711479198 A CN 201711479198A CN 108070223 B CN108070223 B CN 108070223B
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon fiber
resin matrix
resin
composite material
sizing agent
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201711479198.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108070223A (zh
Inventor
武清
赵如意
杨欣
朱建锋
方园
方缓
赵婷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shaanxi University of Science and Technology
Original Assignee
Shaanxi University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shaanxi University of Science and Technology filed Critical Shaanxi University of Science and Technology
Priority to CN201711479198.6A priority Critical patent/CN108070223B/zh
Publication of CN108070223A publication Critical patent/CN108070223A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108070223B publication Critical patent/CN108070223B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K9/00—Use of pretreated ingredients
    • C08K9/10—Encapsulated ingredients
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K7/00—Use of ingredients characterised by shape
    • C08K7/02—Fibres or whiskers
    • C08K7/04—Fibres or whiskers inorganic
    • C08K7/06—Elements

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)
  • Treatments For Attaching Organic Compounds To Fibrous Goods (AREA)

Abstract

一种基于温度处理碳纤维提高树脂基复合材料界面粘结性能的方法，解决现有碳纤维处理方法工艺步骤繁琐、时间长，过程有毒害，不适宜工业化生产的问题。本发明将带环氧类上浆剂的聚丙烯腈基碳纤维在T～T+30℃的温度范围内处理一定时间，然后与树脂基体复合制备碳纤维树脂基复合材料，其中T代表所采用树脂基体的预固化温度。本发明能够在不损失碳纤维力学性能的前提下，增加上浆剂与纤维表面活性基团的相互作用程度，形成化学键合梯度变化的界面微区，有利于界面应力的传递，达到提高碳纤维与树脂界面粘结性能的目的。本发明的方法具有工艺简单，可操作性强，效率高，无毒无害，成本低、适合工业化生产等优点。本发明应用于材料的表面与界面改性领域。

Description

一种基于温度处理碳纤维提高树脂基复合材料界面粘结性能 的方法
技术领域
本发明属于材料的表面与界面改性应用技术领域，具体涉及一种基于温度处理碳纤维提高树脂基复合材料界面粘结性能的方法。
背景技术
碳纤维因具有高比强度、高比模量、优异的环境稳定性、耐热和抗氧化性能等而被广泛应用于航空航天、交通运输、能源、体育休闲用品等领域。碳纤维作为增强材料，必须与基体复合才能发挥其优异的性能，其中碳纤维增强树脂基复合材料为典型代表之一。然而，碳纤维表面亲水性差、表面能低、化学惰性的特点使其与树脂基体的润湿性差，界面结合力弱。为此，需对碳纤维进行表面改性处理。
目前，常用的碳纤维表面处理方法主要有电解氧化、化学氧化、辐照改性、等离子体处理、化学接枝、分子自组装和多尺度纳米改性等。这些方法虽然可以提高碳纤维增强树脂基复合材料的界面粘结性能，但与此同时常伴随着复杂的工艺处理流程，时间长，反应剧烈，过程对人体和环境有毒害，不适宜工业化生产，不仅浪费了大量的能源和资源，而且往往会造成碳纤维强度的降低。因此，寻求一种制备工艺简单、无毒无害、环保、低成本、高效率、适合工业化生产的碳纤维表面处理方法具有很好的实际意义和应用价值。
发明内容
本发明的目的是要解决现有碳纤维处理方法工艺步骤繁琐、时间长，过程有毒害，不适宜工业化生产的问题，而提供一种基于温度处理碳纤维提高树脂基复合材料界面粘结性能的方法。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：将带浆碳纤维在T～T+30℃下处理0.5～4h，然后将处理后的碳纤维与树脂基体复合制备碳纤维树脂基复合材料，其中T为树脂基体的预固化温度；
所述带浆碳纤维为带环氧类上浆剂或带氨基环氧类上浆剂的聚丙烯腈基碳纤维；
所述树脂基体为高温固化的5228环氧树脂或高温固化的双马来酰亚胺树脂。
本发明的优点：
(1)本发明能够在不损失碳纤维力学性能的前提下，增加上浆剂与纤维表面活性基团的相互作用程度，形成化学键合梯度变化的界面微区，提高碳纤维与树脂的界面粘结性能。界面粘结性能的提高可使复合材料内部应力均匀传递，满足高性能碳纤维树脂基复合材料的更高需求。
(2)本发明的方法只需在现有碳纤维生产线的最后一步加上温度处理，即可实现碳纤维树脂基复合材料界面粘结性能的提高。该方法简单易行、无毒无害、环保、低成本、高效率、适合工业化生产，具有良好的经济效益和工业应用前景。
(3)本发明的方法不仅限于某一特定的碳纤维树脂基复合材料体系，具有普遍适应性和良好的发展前景。
附图说明
图1为本发明实施例1的碳纤维表面环氧类上浆剂的红外谱图。
图2为本发明实施例1的碳纤维/5228环氧树脂界面剪切强度柱状图，其中1为未处理的碳纤维与5228环氧树脂复合的界面剪切强度，2为130℃处理2h碳纤维与5228环氧树脂复合的界面剪切强度。
图3为本发明实施例2的碳纤维/5228环氧树脂界面剪切强度柱状图，其中1为未处理的碳纤维与5228环氧树脂复合的界面剪切强度，2为150℃处理2h碳纤维与5228环氧树脂复合的界面剪切强度。
图4为本发明实施例3的碳纤维表面环氧类上浆剂的红外谱图。
图5为本发明实施例3的碳纤维/5228环氧树脂界面剪切强度柱状图，其中1为未处理的碳纤维与5228环氧树脂复合的界面剪切强度，2为150℃处理2h碳纤维与5228环氧树脂复合的界面剪切强度。
图6为本发明实施例4的碳纤维/双马来酰亚胺树脂界面剪切强度柱状图，其中1为未处理的碳纤维与双马来酰亚胺树脂复合的界面剪切强度，2为150℃处理2h碳纤维与双马来酰亚胺树脂复合的界面剪切强度。
图7为本发明实施例5的碳纤维/双马来酰亚胺树脂界面剪切强度柱状图，其中1为未处理的碳纤维与双马来酰亚胺树脂复合的界面剪切强度，2为180℃处理2h碳纤维与双马来酰亚胺树脂复合的界面剪切强度。
图8为本发明实施例6的碳纤维/双马来酰亚胺树脂界面剪切强度柱状图，其中1为未处理的碳纤维与双马来酰亚胺树脂复合的界面剪切强度，2为150℃处理2h碳纤维与双马来酰亚胺树脂复合的界面剪切强度。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
将带环氧类上浆剂的聚丙烯腈基碳纤维在130℃下处理2h，然后将处理后的碳纤维与高温固化的5228环氧树脂(中国航发北京航空材料研究院提供)复合制备碳纤维树脂基复合材料，其中5228环氧树脂的固化工艺温度是先130℃预固化1h，后180℃固化2h，最后190℃后固化3h。
该聚丙烯腈基碳纤维上浆剂的红外光谱如图1所示，3300cm-1和1542cm-1分别为-NH2官能团的振动和弯曲峰，1248cm-1、916cm-1和830cm-1分别为环氧基团的8μ、11μ和12μ特征峰，表明该上浆剂为带氨基官能团的环氧类。
如图2所示，相比未处理的碳纤维与5228环氧树脂复合制备的复合材料，实施例1制备的碳纤维与5228环氧树脂复合制备的复合材料的界面粘结强度提高了71.1％。
实施例2：
将带环氧类上浆剂的聚丙烯腈基碳纤维在150℃下处理2h，然后将处理后的碳纤维与高温固化的5228环氧树脂(中国航发北京航空材料研究院提供)复合制备碳纤维树脂基复合材料，其中5228环氧树脂的固化工艺温度是先130℃预固化1h，后180℃固化2h，最后190℃后固化3h。
该聚丙烯腈基碳纤维上浆剂的红外光谱如图1所示，3300cm-1和1542cm-1分别为-NH2官能团的振动和弯曲峰，1248cm-1、916cm-1和830cm-1分别为环氧基团的8μ、11μ和12μ特征峰，表明该上浆剂为带氨基官能团的环氧类。
如图3所示，相比未处理的碳纤维与5228环氧树脂复合制备的复合材料，实施例2制备的碳纤维与5228环氧树脂复合制备的复合材料的界面粘结强度提高了57.4％。
实施例3：
将带环氧类上浆剂的聚丙烯腈基碳纤维在150℃下处理2h，然后将处理后的碳纤维与高温固化的5228环氧树脂(中国航发北京航空材料研究院提供)复合制备碳纤维树脂基复合材料，其中5228环氧树脂的固化工艺温度是先130℃预固化1h，后180℃固化2h，最后190℃后固化3h。
该聚丙烯腈基碳纤维上浆剂的红外光谱如图4所示，1250cm-1、916cm-1和830cm-1分别为环氧基团的8μ、11μ和12μ特征峰，表明该上浆剂同样为环氧类。
如图5所示，相比未处理的碳纤维与5228环氧树脂复合制备的复合材料，实施例3制备的碳纤维与5228环氧树脂复合制备的复合材料的界面粘结强度提高了15.1％。
实施例4：
将带环氧类上浆剂的聚丙烯腈基碳纤维在150℃下处理2h，然后将处理后的碳纤维与高温固化的双马来酰亚胺树脂(中国航发北京航空材料研究院提供)复合制备碳纤维增强双马来酰亚胺树脂基复合材料，其中双马来酰亚胺树脂的固化工艺温度是先150℃预固化2h，后180℃固化2h，最后200℃后固化4h。
该聚丙烯腈基碳纤维上浆剂的红外光谱如图1所示，3300cm-1和1542cm-1分别为-NH2官能团的振动和弯曲峰，1248cm-1、916cm-1和830cm-1分别为环氧基团的8μ、11μ和12μ特征峰，表明该上浆剂为带氨基官能团的环氧类。
如图6所示，相比未处理的碳纤维与双马来酰亚胺树脂复合制备的复合材料，实施方例4制备的碳纤维与双马来酰亚胺树脂复合制备的复合材料的界面粘结强度提高了43.8％。
实施例5：
将带环氧类上浆剂的聚丙烯腈基碳纤维在180℃下处理2h，然后将处理后的碳纤维与高温固化的双马来酰亚胺树脂(中国航发北京航空材料研究院提供)复合制备碳纤维增强双马来酰亚胺树脂基复合材料，其中双马来酰亚胺树脂的固化工艺温度是先150℃预固化2h，后180℃固化2h，最后200℃后固化4h。
该聚丙烯腈基碳纤维上浆剂的红外光谱如图1所示，3300cm-1和1542cm-1分别为-NH2官能团的振动和弯曲峰，1248cm-1、916cm-1和830cm-1分别为环氧基团的8μ、11μ和12μ特征峰，表明该上浆剂为带氨基官能团的环氧类。
如图7所示，相比未处理的碳纤维与双马来酰亚胺树脂复合制备的复合材料，实施例5制备的碳纤维与双马来酰亚胺树脂复合制备的复合材料的界面粘结强度提高了8.2％。
实施例6：
将带环氧类上浆剂的聚丙烯腈基碳纤维在150℃下处理2h，然后将处理后的碳纤维与高温固化的双马来酰亚胺树脂(中国航发北京航空材料研究院提供)复合制备碳纤维增强双马来酰亚胺树脂基复合材料，其中双马来酰亚胺树脂的固化工艺温度是先150℃预固化2h，后180℃固化2h，最后200℃后固化4h。
该聚丙烯腈基碳纤维上浆剂的红外光谱如图4所示，1250cm-1、916cm-1和830cm-1分别为环氧基团的8μ、11μ和12μ特征峰，表明该上浆剂同样为环氧类。
如图8所示，相比未处理的碳纤维与双马来酰亚胺树脂复合制备的复合材料，实施例6制备碳纤维与双马来酰亚胺树脂复合制备的复合材料的界面粘结强度提高了12.8％。

Claims (1)

1.一种基于温度处理碳纤维提高树脂基复合材料界面粘结性能的方法，其特征在于：将带浆碳纤维在T～T+30℃下处理0.5～4h，然后将处理后的碳纤维与树脂基体复合制备碳纤维树脂基复合材料，其中T为树脂基体的预固化温度；
所述带浆碳纤维为带环氧类上浆剂或带氨基环氧类上浆剂的聚丙烯腈基碳纤维；
所述树脂基体为高温固化的5228环氧树脂或高温固化的双马来酰亚胺树脂。
CN201711479198.6A 2017-12-29 2017-12-29 一种基于温度处理碳纤维提高树脂基复合材料界面粘结性能的方法 Active CN108070223B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711479198.6A CN108070223B (zh) 2017-12-29 2017-12-29 一种基于温度处理碳纤维提高树脂基复合材料界面粘结性能的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711479198.6A CN108070223B (zh) 2017-12-29 2017-12-29 一种基于温度处理碳纤维提高树脂基复合材料界面粘结性能的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108070223A CN108070223A (zh) 2018-05-25
CN108070223B true CN108070223B (zh) 2022-04-08

Family

ID=62156383

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711479198.6A Active CN108070223B (zh) 2017-12-29 2017-12-29 一种基于温度处理碳纤维提高树脂基复合材料界面粘结性能的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108070223B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110655334B (zh) * 2019-09-29 2022-03-04 中国航空工业集团公司基础技术研究院 一种非均相固化树脂体系的微脱粘试样制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
""球—棒"状短碳纤维复合增强体设计及其环氧树脂基复合材料性能研究";李微微;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技I辑》;20120715;第5，8，40-42页 *
"碳纤维表面改性及其对碳纤维/树脂界面影响的研究进展";杨平军等;《材料导报Ａ：综述篇》;20170430;第31卷(第4期);第129-136页 *
"碳纤维表面改性研究进展";刘保英等;《化学研究》;20150331;第111-120页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108070223A (zh) 2018-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111690158B (zh) 一种玄武岩纤维增强树脂基复合材料界面优化的方法
CN101423650B (zh) 一种高层间剪切强度环氧树脂基复合材料及制备方法
CN109369932B (zh) 基于固化剂改性上浆剂提高碳纤维增强环氧树脂基复合材料界面粘结性能的方法
CN109648943A (zh) 一种仿生复合材料及其制备方法
CN108035143B (zh) 一种同时提高碳纤维环氧复合材料界面强度和韧性的方法
CN101613944B (zh) 一种用于提高树脂基碳纤维复合材料抗冲击性能的方法
CN103992490A (zh) 芳纶纤维与环氧复合材料的制备方法及MXene改性处理液
CN114164647B (zh) 一种具有多组分仿生层级结构的碳纤维、制备方法及复合材料
CN107761375B (zh) 一种在碳纤维表面接枝支化分子单宁酸的方法
CN101781444A (zh) 稀土改性玻璃纤维环氧树脂复合材料的制备方法
CN107722595B (zh) 一种纤维-石墨烯-热塑性聚芳醚多尺度复合材料的制备方法
CN108070223B (zh) 一种基于温度处理碳纤维提高树脂基复合材料界面粘结性能的方法
CN105734720A (zh) 一种提高碳化硅纤维强度和模量的制备方法
CN111100455A (zh) 一种pbo纤维增强树脂基复合材料及其制备方法
CN1597774A (zh) 稀土改性碳纤维/环氧树脂复合材料制备方法
CN1936167A (zh) 芳纶纤维表面改性的处理方法
CN101798752A (zh) 一种芳纶纤维表面活化的化学方法
CN111719311A (zh) 改性碳纤维、改性碳纤维增强环氧树脂复合材料及其制备方法
CN103724933A (zh) 一种柔性碳纤维复合材料及其制备方法
CN101381515A (zh) 硅树脂基复合材料的制备方法
Ma et al. Constructing “soft‐stiff” structure on the surface of carbon fiber to enhance the interfacial properties of its epoxy composites
CN102634208A (zh) 一种用于双马来酰亚胺树脂基复合材料的纳米复合改性方法
CN110713612B (zh) 一种耐低温循环复合材料及其制备方法
CN104448711A (zh) 一种环氧树脂/碳纤维/埃洛石纳米管复合材料及其制备方法
CN100488758C (zh) 一种纳米碳管/环氧树脂复合材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant