CN109280338A - 一种rtm成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种rtm成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种RTM成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料及其制备方法，属于增强环氧树脂基复合材料的技术领域。本发明要解决热塑性树脂复合材料制备存在成本较高、且从环境友好、可持续利用方面存在缺陷。所述复合材料由基体和增强体两部分组成；所述增强体是连续长丝竹纤维编织而成的纤维网；其中，所述基体占总物料重量的20％‑70％。方法：一、编织成预制件，烘至绝干；二、预压；三、偶联剂改性；步骤四、利用真空辅助树脂传递模塑技术(VARTM)工艺，注入环氧树脂体系使其成型。本发明相比于传统的RTM工艺所使用的合成树脂增强体，选用竹纤维增强体，成本大大降低，且其更加符合现今环保材料、节能材料、生物质可降解材料的趋势。

Description

一种RTM成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料及 其制备方法
技术领域
本发明属于增强环氧树脂基复合材料的技术领域；具体涉及一种RTM成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料及其制备方法。
背景技术
竹林在世界范围内分布广泛，被称为“世界第二大森林”。而中国是世界竹类资源最丰富的国家，竹林面积和蓄积量均居世界前列，但竹材利用率仍然偏低，目前我国竹材一次利用率大致为20％-50％，且其应用领域有限。天然竹纤维具有抗菌、抑菌、抗紫外、透气性好等特性，且竹子具有生长迅速、成材快、产量高、价廉、可再生以及可生物降解等一系列优点，因而是一种资源丰富、生长周期短、环保功能强的可再生材料。
竹纤维作为一种出色的高分子原材料具有长径比大、比强度高、比表面积大、密度低等优点，作为复合材料的增强体时具有优异的力学性能、耐水性能、热稳定性及生物降解性等众多优点；本发明采取的连续长丝竹纤维更兼具柔性与刚性的特点。目前竹纤维增强复合材料在纺织、非织造、建筑材料、环保材料、汽车轻量化材料领域飞速发展。尤其在汽车领域，包括奥迪、福特、大众、宝马等全球知名汽车品牌的众多汽车公司，都在重点关注竹纤维增强热塑性树脂复合材料这种天然新型轻质材料。
RTM是树脂传递模塑成型工艺的简称，在近20年得到了飞速发展，日本强化塑料协会将RTM工艺称为两大最有发展前途的工艺。RTM工艺是使用低粘度树脂，在闭合模具中自然或人为加压控制流动，在一定时间内完全、均匀地浸润增强材料，并在可控时间内成型的一种复合模塑技术。具有效率高，投资低，能耗低，工艺灵活，组合性强，成型质量高等一系列优点。本发明所采用的为VARTM成型工艺，是在RTM工艺的基础上，在模具腔内真空，再注入树脂，可以有效的改善RTM注射时树脂的流动性、浸渍性，减少气泡。但在RTM领域，用碳纤维、玻璃纤维等合成纤维作为增强体已经较为成熟，本发明将根据以上背景探究竹纤维增强热固性树脂复合材料代替石油基塑料材料应用在高性能户外装饰、建筑结构材料、汽车配件等领域的可行性。
发明内容
在RTM领域，现有的成熟体系大量应用碳纤维、玻璃纤维等合成纤维，虽然其性能优越、稳定性好，但其成本较高、且从环境友好、可持续利用方面存在缺陷；而在竹纤维增强复合材料的发展中，现有的竹纤维增强热塑性树脂复合材料已经较为成熟、且在汽车轻量化材料、建筑领域等领域已卓有成效，但在热固性树脂作为基体的复合材料中，竹纤维应用较少。因此本方面提供了一种新型的竹纤维增强环氧树脂(热固性)复合材料的制备方法，以期探索RTM成型技术与竹纤维复合材料的结合可行性以及竹纤维增强热固性树脂复合材料的应用前景。
竹纤维的加入能明显提升复合材料的强度、降低基体树脂成型的收缩率，但有时竹纤维在基体中易取向不均，使材料翘曲变形。
针对竹纤维在基体材料中易取向不均，致使材料翘曲变形的问题，本发明采取编织的方式，不仅可以有效解决翘曲变形问题，还能使竹纤维呈网状结构，在纤维质量比不变的情况下使其承受较大载荷和应力，有效吸收能量，从而提升材料强度。
为了解决上述技术问题，本发明一种RTM成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料，其特征在于所述的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料由基体和增强体两部分组成；所述基体为环氧树脂，所述增强体是连续长丝竹纤维编织而成的纤维网；所述基体占总物料(总物料是指二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料)重量的30％-70％，余量为增强体。
所述的环氧树脂为TDE-85环氧树脂体系或者CYD-128环氧树脂体系。
所述TDE-85环氧树脂体系是由100重量份环氧树脂TDE-85、80～100重量份固化剂为70#酸酐、2～5重量份促进剂为DMP-30、2～5重量份硅烷偶联剂KH550和10～20重量份稀释剂669组成。
所述CYD-128环氧树脂体系是由100重量份环氧树脂为CYD-128、80重量份固化剂为甲基四氢苯胺、2～5重量份促进剂为苄基二甲胺、2～5重量份硅烷偶联剂KH550和2～50重量份增韧剂403组成。
所述的纤维网编织结构为双轴向编织或者三轴向编织，编织角为±30°、±45°或±60°，编织缠绕方式为1/1、2/2、3×3编织结构(赫格利斯编织)或者3/3。
上述的一种RTM成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：
步骤一、将连续长丝竹纤维编织成预制件，烘至绝干；
步骤二、然后用压机进行预压；
步骤三、配置环氧树脂体系；
步骤四、然后放入模具中，利用真空辅助树脂传递模塑技术(VARTM)工艺，注入环氧树脂体系使其成型。
进一步地限定，采用TDE-85环氧树脂体系，步骤三按环氧树脂、稀释剂、促进剂、偶联剂、固化剂顺序依次添加，混匀得到TDE-85环氧树脂体系，步骤四中在注射压力为(0.1～0.5)Mpa、真空度为(0.01-0.05)Mpa、注射温度为60℃-80℃条件下注入TDE-85环氧树脂体系，依次在80℃ 2h、120℃ 1h的条件下固化成型。
进一步地限定，采用CYD-128环氧树脂体系，步骤三按环氧树脂、稀释剂、增韧剂、偶联剂、固化剂顺序依次添加，混匀得到CYD-128环氧树脂体系，步骤四中在注射压力为(0.3-0.7)Mpa、真空度为(0.01～0.05)Mpa、注射温度为30℃-80℃条件下注入CYD-128环氧树脂体系，依次在80℃ 1h、100℃ 2h、120℃ 4h的条件下固化成型。
本发明将RTM成型技术与竹纤维增强复合材料结合，采用的是VARTM技术，成型时模具腔内具有一定真空度，有效减少复合材料中的气泡。
本发明的增强体采用热固性树脂(环氧树脂TDE-85环氧树脂体系或CYD-128环氧树脂体系)。
本发明的竹纤维为连续长丝竹纤维，以二维编织网格的形式作为增强体存在与复合材料中。
本发明顺应了竹纤维复合材料近期的飞速发展趋势，对RTM成型工艺与天然植物纤维的结合做了尝试，对竹纤维增强热固性树脂复合材料的开发进行了探索。
竹纤维增强复合材料在拉伸模量和缺口冲击等力学性能表现优异，可以媲美甚至优于相同玻璃纤维含量增强的短纤增强材料；在常规的RTM复合材料中，纤维的价格高于基体，致使复合材料纤维比例低，应用领域窄、难以用于民用；本发明相比于传统的RTM工艺所使用的合成树脂增强体，选用竹纤维增强体，成本大大降低，且其更加符合现今环保材料、节能材料、生物质可降解材料的趋势。
具体实施
实例1：本实施例中RTM成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：
步骤一：将二维编织竹纤维网烘至绝干，具体参数如表1；
步骤二：然后用压机在5MPa压力下预压2h；
步骤三：按氧树脂、稀释剂、增韧剂、偶联剂、固化剂顺序依次添加，混匀得到CYD-128环氧树脂体系；
步骤四：然后放入模具中，利用RTM工艺，注入CYD-128环氧树脂体系使其成型，
得到质量为378.7g的300mm*300mm*3mm的复合材料板。
检测结果见表4
实例二：本实施例中RTM成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：
步骤一：将二维编织竹纤维网烘至绝干，具体参数如表5；
步骤二：然后在5MPa压力下预压2h；
步骤三：按氧树脂、稀释剂、增韧剂、偶联剂、固化剂顺序依次添加，混匀得到CYD-128环氧树脂体系；
步骤四：然后放入模具中，利用RTM工艺，注入环氧树脂体系使其成型，得到质量为371.2g的300mm*300mm*3mm的复合材料板。
检测结果见表8
实例三.本实施例中RTM成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：
步骤一：将二维编织竹纤维网烘至绝干，具体参数如表9；
步骤二：然在5MPa压力下预压2h；
步骤三：按环氧树脂、稀释剂、促进剂、偶联剂、固化剂顺序依次添加，混匀得到TDE-85环氧树脂体系；
步骤四：然后放入模具中，利用RTM工艺，注入环氧树脂体系使其成型，得到质量为369.4g的300mm*300mm*3mm的复合材料板。
检测结果见表12

Claims (10)

1.一种RTM成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料，其特征在于所述的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料由基体和增强体两部分组成；所述基体为环氧树脂，所述增强体是连续长丝竹纤维编织而成的纤维网；所述基体占总物料重量的20％-70％，余量为增强体。
2.根据权利要求1所述的一种RTM成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料，其特征在于所述的环氧树脂为TDE-85环氧树脂体系或者CYD-128环氧树脂体系。
3.根据权利要求2所述的一种RTM成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料，其特征在于TDE-85环氧树脂体系是由100重量份环氧树脂TDE-85、80～100重量份固化剂为70#酸酐、2～5重量份促进剂为DMP-30、2～5重量份硅烷偶联剂KH550和10～20重量份稀释剂669组成。
4.根据权利要求2所述的一种RTM成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料，其特征在于CYD-128环氧树脂体系是由100重量份环氧树脂为CYD-128、80重量份固化剂为甲基四氢苯胺、2～5重量份促进剂为苄基二甲胺、2～5重量份硅烷偶联剂KH550和2～50重量份增韧剂403组成。
5.根据权利要求1所述的一种RTM成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料，其特征在于所述的纤维网编织结构为双轴向编织或者三轴向编织，编织角为±30°、±45°或±60°，编织缠绕方式为1/1、2/2、3×3编织结构(赫格利斯编织)或者3/3。
6.如权利要求1-5任意一项权利要求所述的一种RTM成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料的制备方法，其特征在于所述制备方法是按下述步骤进行的：
步骤一、将连续长丝竹纤维编织成预制件，烘至绝干；
步骤二、然后用压机进行预压；
步骤三、配置环氧树脂体系；
步骤四、然后放入模具中，利用真空辅助树脂传递模塑技术(VARTM)工艺，注入环氧树脂体系使其成型。
7.根据权利要求6所述的一种RTM成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料的制备方法，其特征在于步骤三按环氧树脂、稀释剂、促进剂、偶联剂、固化剂顺序依次添加，混匀得到TDE-85环氧树脂体系。
8.根据权利要求7所述的一种RTM成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料的制备方法，其特征在于步骤四中在注射压力为(0.1～0.5)Mpa、真空度为(0.01～0.05)Mpa、注射温度为60℃-80℃条件下注入TDE-85环氧树脂体系，在80℃下固化1h，再在120℃下固化3h，成型。
9.根据权利要求6所述的一种RTM成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料的制备方法，其特征在于步骤三按环氧树脂、稀释剂、增韧剂、偶联剂、固化剂顺序依次添加，混匀得到CYD-128环氧树脂体系。
10.根据权利要求9所述的一种RTM成型的二维编织竹纤维增强环氧树脂基复合材料的制备方法，其特征在于步骤四中在注射压力为(0.3～0.7)Mpa、真空度为(0.01～0.05)Mpa、注射温度为30℃～80℃下注入CYD-128环氧树脂体系，在80℃下固化1h，再在100℃下固化2h，然后在120℃下固化4h，成型。
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