CN109181218A - 一种用于改性碳纤维复合材料层压板的导电环氧树脂 - Google Patents

一种用于改性碳纤维复合材料层压板的导电环氧树脂 Download PDF

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Abstract

一种用于改性碳纤维复合材料层压板的导电环氧树脂，包括下列组分：环氧树脂E‑51、碳纳米管、二氨基二苯砜(DDS)、三氟化硼乙胺(BF3‑400)、卡波姆941、乙二醇乙醚、消泡剂5120、导电银粉Ag‑S1。本发明可用于改性碳纤维复合材料层压板的导电环氧树脂，以导电银粉作为主要导电填料，对绝缘的环氧树脂改性，可实现电导率和力学性能的提升，用此导电环氧树脂与碳纤维制备的层压板，可用在防雷击领域。

Description

一种用于改性碳纤维复合材料层压板的导电环氧树脂
技术领域
本发明涉及一种用于改性碳纤维复合材料层压板的导电环氧树脂材料与制备方法。
背景技术
雷电是大气层中的自然现象，当云层之间或云层与底面间的电场强度达到约1000kv/m量级时，大气就会被电离，形成导电的等离子体气流，从而产生释放并中和电荷的等离子体导电通道，通道上电流巨大，温度极高，使得气流瞬间膨胀，产生了明亮耀眼的雷电和震耳欲聋的雷鸣声。飞机在雷雨天气飞行，遭受雷击的可能性不了避免，据统计每年雷电击中飞机的事件不下百起。碳纤维/环氧树脂复合材料层压板导电性主要是由电导率较高的碳纤维决定，而起到包裹和支撑作用的树脂基体绝缘不导电，使得碳纤维复合材料的导电率与传统金属相差甚远，雷击对其损坏包括树脂高温烧蚀热解、纤维断裂以及由于冲击波效应造成的分层损伤，这些损伤使得结构力学性能下降，从而对飞行安全造成不可估量的后果。
传统的防雷击主要是在材料表面添加防护网的形式，增加材料重量，并仅限于表层的防护。现在提出对绝缘的环氧树脂进行导电性改性，达到碳纤维环氧树脂复合材料整体电导率的提升，从而降低雷电流对此类材料的损伤。对复合材料进行改性，提高其自身电导率，这个过程不仅涉及到如何将导电物均匀滴混合到基体中，还包括对树脂的固化、增韧，提高粘结性能、力学性能、耐腐蚀性能等等。
发明内容
为了提高碳纤维/环氧树脂复合材料整体的导电性，对绝缘的环氧树脂进行改性，添加导电填料，制备导电环氧树脂体系。为了达到以上技术效果，本发明提出一种用于改性碳纤维复合材料层压板的导电环氧树脂，包括下列组分：
环氧树脂E-51、碳纳米管、二氨基二苯砜DDS、三氟化硼乙胺、卡波姆941、乙二醇乙醚、消泡剂、微米级导电银粉；其中各组分配比按质量百分比包括：
在本发明的一个具体实施例中，导电环氧树脂各组分配比按质量百分比包括：
还提供一种上述导电环氧树脂的制备方法，包括下列步骤：
a.碳纳米管处理
取一定量的碳纳米管，在70～90℃下烘干；准确称量所需克重烘干后的碳纳米管，分别加入乙二醇乙醚溶解；超声清洗器70～100Hz频率下，超声分散1.5～3h；
b.环氧树脂的制备
按照确定配方，计算并准确称量各组分；将处理过的氧化石墨烯、碳纳米管、4，4-二氨基二苯砜、三氟化硼、卡波姆、乙二醇乙醚加入到球磨罐中球磨1～1.5h，转速300～500r/min；加入消泡剂，球磨10～20min；最后加入环氧树脂E-51，球磨40～45h；
c.微米银粉的处理
用干净的丙酮在70～90Hz下超声10～15min；用0.05mol/L的NaOH溶液超声15～20min；用0.1mol/L的HCl溶液超声10～20min；用超纯水超声5～10min；将银粉在65～75℃烘干；将烘干后的银粉加入球磨机中球磨2～2.5h；
d.导电银胶的制备
准确称量所需克重导电银粉，加入到环氧树脂中，球磨3～3.5h；
e.环氧树脂高温、高压固化工艺
先给模具中涂抹一层脱模剂，然后将搅拌均匀的导电环氧树脂倒入模具中；固化之前要对硫化机进行预热，通过阶梯升温能够有效减少温差快速变化带来的影响，降低固化应力，首先进行90～100℃恒温固化30～40min，然后升温至120～125℃，加施10～12MPa压力下固化30～40min，再一次升温至140～145℃，加施15～20MPa，固化40～45min，最后卸除压力，升温至160～165℃，固化40～45min；结束固化过程，自然降至室温取出固化试样。
4、如权利要求3所述的导电环氧树脂的制备方法，在步骤a中，80℃烘干、超声频率80Hz，超声时间2h。
在本发明的一个具体实施例中，在步骤b中，在转速300r/min下球磨1h，，加入消泡剂后球磨10min，再加入环氧树脂球磨40h。
在本发明的一个具体实施例中，在步骤c中，丙酮在80Hz下超声10min；用0.05mol/L的NaOH溶液超声15min；用0.1mol/L的HCl溶液超声10min；用超纯水超声5min；银粉在70℃烘干；将烘干后的银粉加入球磨机中球磨2h。
在本发明的一个具体实施例中，在步骤d中，球磨3h。
在本发明的一个具体实施例中，在步骤e中，先90℃恒温固化30min，升温至120℃，10MPa压力下固化30min，再升温至140℃，加施15MPa，固化40min，最后卸压，升温至160℃，固化40min；结束固化过程，自然降至室温。
本发明可用于改性碳纤维复合材料层压板的导电环氧树脂，以导电银粉作为主要导电填料，对绝缘的环氧树脂改性，可实现电导率和力学性能的提升，用此导电环氧树脂与碳纤维制备的层压板，可用在防雷击领域。
附图说明
图1示出本发明方法的导电环氧树脂固化工艺流程图；
图2示出预分散的导电环氧浆料图片；
图3示出扫描电镜图片，其中图3(a)、(b)、(c)、(d)分别是1μm、10μm、30μm和500nm标尺的扫描电镜图片；
图4示出实验结果，其中图4(a)示出应力-应变图，图4(b)和(c)示出应力-应变局部放大图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来详细说明本发明的技术方案与制备过程。
表1制备导电环氧树脂的主要原料
表2制备导电环氧树脂实验中所用的制备与检测仪器
改性的导电环氧树脂其原料配比按质量百分比包括：
优选的原料配方按质量百分比为：
制备过程
a.碳纳米管处理
取一定量的碳纳米管，在70～90℃下烘干；准确称量所需克重烘干后的碳纳米管，分别加入乙二醇乙醚溶解；超声清洗器70～100Hz频率下，超声分散1.5～3h。优选为80℃烘干、超声频率80Hz，超声时间2h。
b.环氧树脂的制备
按照确定配方，计算并准确称量各组分；将处理过的氧化石墨烯、碳纳米管、4，4-二氨基二苯砜、三氟化硼、卡波姆、乙二醇乙醚加入到球磨罐中球磨1～1.5h，转速300～500r/min(下同)；加入消泡剂，球磨10～20min；最后加入环氧树脂E-51，球磨40～45h。优选为在转速300r/min下球磨1h，，加入消泡剂后球磨10min，再加入环氧树脂球磨40h。
c.微米银粉的处理
用干净的丙酮在70～90Hz下超声10～15min；用0.05mol/L的NaOH溶液超声15～20min；用0.1mol/L的HCl溶液超声10～20min；用超纯水超声5～10min；将银粉在65～75℃烘干；将烘干后的银粉加入球磨机中球磨2～2.5h。优选为丙酮在80Hz下超声10min；用0.05mol/L的NaOH溶液超声15min；用0.1mol/L的HCl溶液超声10min；用超纯水超声5min；银粉在70℃烘干；将烘干后的银粉加入球磨机中球磨2h。
d.导电银胶的制备
准确称量所需克重导电银粉，加入到环氧树脂中，球磨3～3.5h。优选为3h。
e.环氧树脂高温、高压固化工艺
固化工艺流程如上图1所示，先给模具中涂抹一层脱模剂，然后将搅拌均匀的导电环氧树脂倒入模具中；固化之前要对硫化机进行预热，通过阶梯升温能够有效减少温差快速变化带来的影响，降低固化应力，首先进行90～100℃恒温固化30～40min，然后升温至120～125℃，加施10～12MPa压力下固化30～40min，再一次升温至140～145℃，加施15～20MPa，固化40～45min，最后卸除压力，升温至160～165℃，固化40～45min；结束固化过程，自然降至室温取出固化试样。优选值为图1过程中所示，先90℃恒温固化30min，升温至120℃，10MPa压力下固化30min，再升温至140℃，加施15MPa，固化40min，最后卸压，升温至160℃，固化40min；结束固化过程，自然降至室温。
根据以上确定的配方和相关工艺制作的导电环氧浆料实物如图2所示。
性能测试
1.导电率测试
将固化出来规格为10mm*10mm*1mm的试样，用四探针测量其体积电导率。
表3试样实测电导率(s/m)
2.场发射扫描电镜(SEM)测试
使用日本日立公司S-4800扫描电镜对固化试样液氮淬断后的断面进行测试。
上图3所示，分别是1μm、10μm、30μm和500nm标尺的扫描电镜图片，可知银粉在该环氧树脂中混合均匀，几乎与环氧树脂融为一体，很难分辨出微米银粉与环氧树脂的界面，没有出现集中团聚的情况。结合试样实测电导率结果，表明导电银粉在环氧树脂中分散均匀未团聚，有利于导电网路的形成，更好地实现环氧树脂导电改性。
3.拉伸性能测试
用模具制备3个哑铃型标准拉伸试样，使用万能拉伸试验机XWW-20B测试其断裂时力学性能。
参数设置：试验速度：1mm/min、传感器：20000N、试样宽度：10mm、试样厚度：1mm、标线间距：60mm、夹具间距：80mm。
实验结果如图4所示，其中4(a)示出应力-应变图，图4(b)和图(c)示出图3-2应力-应变局部放大图。
表4导电环氧树脂力学性能
表5标准环氧树脂力学性能
由实测试样的力学性能结果可知，导电银粉在环氧树脂中均匀分散，不仅提高电导率，对力学性能的提升也起到正面作用。
本发明提供一种可用于改性复合材料层压板制作的导电环氧树脂制备配方和制备流程，提升环氧树脂的导电性和力学性能，在碳纤维/环氧树脂复合材料防雷击问题方面，进行整体材料的防护。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于改性碳纤维复合材料层压板的导电环氧树脂，包括下列组分：
环氧树脂E-51、碳纳米管、二氨基二苯砜DDS、三氟化硼乙胺、卡波姆941、乙二醇乙醚、消泡剂、微米级导电银粉；其中各组分配比按质量百分比包括：
2.如权利要求1所述的导电环氧树脂，其中各组分配比按质量百分比包括：
3.如权利要求1或2所述的导电环氧树脂的制备方法，包括下列步骤：
a.碳纳米管处理
取一定量的碳纳米管，在70～90℃下烘干；准确称量所需克重烘干后的碳纳米管，分别加入乙二醇乙醚溶解；超声清洗器70～100Hz频率下，超声分散1.5～3h；
b.环氧树脂的制备
按照确定配方，计算并准确称量各组分；将处理过的氧化石墨烯、碳纳米管、4，4-二氨基二苯砜、三氟化硼、卡波姆、乙二醇乙醚加入到球磨罐中球磨1～1.5h，转速300～500r/min；加入消泡剂，球磨10～20min；最后加入环氧树脂E-51，球磨40～45h；
c.微米银粉的处理
用干净的丙酮在70～90Hz下超声10～15min；用0.05mol/L的NaOH溶液超声15～20min；用0.1mol/L的HCl溶液超声10～20min；用超纯水超声5～10min；将银粉在65～75℃烘干；将烘干后的银粉加入球磨机中球磨2～2.5h；
d.导电银胶的制备
准确称量所需克重导电银粉，加入到环氧树脂中，球磨3～3.5h；
e.环氧树脂高温、高压固化工艺
先给模具中涂抹一层脱模剂，然后将搅拌均匀的导电环氧树脂倒入模具中；固化之前要对硫化机进行预热，通过阶梯升温能够有效减少温差快速变化带来的影响，降低固化应力，首先进行90～100℃恒温固化30～40min，然后升温至120～125℃，加施10～12MPa压力下固化30～40min，再一次升温至140～145℃，加施15～20MPa，固化40～45min，最后卸除压力，升温至160～165℃，固化40～45min；结束固化过程，自然降至室温取出固化试样。
4.如权利要求3所述的导电环氧树脂的制备方法，在步骤a中，80℃烘干、超声频率80Hz，超声时间2h。
5.如权利要求3所述的导电环氧树脂的制备方法，在步骤b中，在转速300r/min下球磨1h，，加入消泡剂后球磨10min，再加入环氧树脂球磨40h。
6.如权利要求3所述的导电环氧树脂的制备方法，在步骤c中，丙酮在80Hz下超声10min；用0.05mol/L的NaOH溶液超声15min；用0.1mol/L的HCl溶液超声10min；用超纯水超声5min；银粉在70℃烘干；将烘干后的银粉加入球磨机中球磨2h。
7.如权利要求3所述的导电环氧树脂的制备方法，在步骤d中，球磨3h。
8.如权利要求3所述的导电环氧树脂的制备方法，在步骤e中，先90℃恒温固化30min，升温至120℃，10MPa压力下固化30min，再升温至140℃，加施15MPa，固化40min，最后卸压，升温至160℃，固化40min；结束固化过程，自然降至室温。
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