CN109677037B - 纤维复合材料及其制法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种纤维复合材料及其制法。该纤维复合材料包括：多个纤维预浸布层，包括第一树脂和含浸于该第一树脂中的纤维；以及至少一复合树脂层，形成在二该纤维预浸布层之间，并与该多个纤维预浸布层共同围覆成一中空管体，其中，该至少一复合树脂层包含多层纳米碳管及第二树脂，且该多层纳米碳管表面具有包含胺基、羧基、羟基或酰氯基的反应性官能团，该至少一复合树脂层与该纤维预浸布层的层数比例为1:4至1:7。

Description

纤维复合材料及其制法
技术领域
本发明涉及一种纤维复合材料及其制法，尤其是涉及一种具有制振(vibrationdamping)特性的纤维复合材料及其制法。
背景技术
由于高分子纤维复合材料相关产品配合人类在轻量化、高强度及高设计自由度等要求下，结合各种功能特性及用途于轻量化的各种结构物用品中已是现今必然的发展趋势。而复材产品朝轻薄短小发展，结构设计以高强度为重点，而物性强度越高的材料却常会伴随着脆性增加，所以当材料受力后常会因此脆性增加而断裂，为解决此一问题则必须改善材料的阻尼特性，以增加其吸收受力后的制振效果。
运输用机械手臂在高速移动(2.8m/秒)、旋转(210°/秒)时会产生位移、变形与震动，高分子纤维复合材料制成的机械手臂因运动而产生形变的振幅摆动至停止的时间若过长时，需待较长的时间至摆动静止或振幅降低至可接受的程度，方得再进行下一动作，如此势必使产能受到影响，所以必须缩短振动的衰减时间，其产能动作才不致于降低。
已有文献指出纤维复合材料具制振的效果，但仍有制振缩减比例不足及希望能同时维持材料硬度特性的问题待解决。
发明内容
本发明提供一种纤维复合材料，包括：多层纤维预浸布层，包括第一树脂和含浸于该第一树脂中的纤维；以及至少一复合树脂层，形成在二该纤维预浸布层之间，并与该多层纤维预浸布层共同围覆成一中空管体，其中，该至少一复合树脂层包含多层纳米碳管及第二树脂，且该多层纳米碳管表面具有包含胺基、羧基、羟基或酰氯基的反应性官能团，该至少一复合树脂层与该纤维预浸布层的层数比例为1:4至1:7。
本发明还提供一种纤维复合材料的制备方法，包括：在包括第一树脂和含浸于该第一树脂中的纤维的纤维预浸布层上铺垫至少一复合树脂层，其中，该至少一复合树脂层包含多层纳米碳管及第二树脂，且该多层纳米碳管表面具有包含胺基、羧基、羟基或酰氯基的反应性官能团；卷绕该纤维预浸布层及该至少一复合树脂层，以围覆成一中空管体，使该中空管体外壁至内壁之间的该至少一复合树脂层与该纤维预浸布层的层数比例为1:4至1:7；以及塑形该中空管体。
附图说明
图1为纤维复合材料制备方法的示意图；
图2为纤维复合材料的截面图；以及
图3为纤维复合材料的侧剖视图。
符号说明
1 纤维复合材料
100 纤维预浸布层
110 复合树脂层。
具体实施方式
以下的具体实施例用以说明本发明的公开内容，在阅读本说明书的公开内容以后，本技术领域技术人员能轻易地理解其优点及功效。
需知，本说明书所附的附图所绘示的结构、比例、尺寸等，仅为配合说明书所揭示的内容，以便本技术领域技术人员得以理解及阅读，而非意图将本发明限制于特定条件之中，故不具有技术上的实质意义。任何结构的修改、比例关系的改变，或尺寸的调整，在不影响本说明书所能产生的功效及所能达成的目的下，均应包含在本说明书所公开的范围内。在无实质变更技术内容的情况下，其相对关系的改变或调整，也当被视为本发明可实施的范畴内。
本发明纤维复合材料是发现在复合树脂层与纤维预浸布层的层数比例为1:4至1:7时，可大幅提升制振效果，同时维持材料硬度特性。
本发明提供一种纤维复合材料的制法，包括：在包括第一树脂和含浸于该第一树脂中的纤维的纤维预浸布层上铺垫至少一复合树脂层，其中，该至少一复合树脂层包含多层纳米碳管及第二树脂，且该多层纳米碳管表面具有包含胺基、羧基、羟基或酰氯基的反应性官能团；卷绕该纤维预浸布层及该至少一复合树脂层，以围覆成一中空管体，使该中空管体外壁至内壁之间的该至少一复合树脂层与该纤维预浸布层的层数比例为1:4至1:7；以及塑形该中空管体。
通常，纤维预浸布层的制备方法包括手工积层、喷布、积层、连续积层、树脂转注成型、缠绕成型、片状模造(SMC)、块状模造(BMC)、预浸成型、压力釜成型等。
在一具体实施例中，所述纤维的实例包含碳纤维、玻璃纤维、芳香族聚酰胺(凯夫拉，Kevlar)纤维、硼纤维、尼龙纤维、特多龙纤维、棉纤维、羊毛纤维、钢纤维、铝纤维或陶瓷须丝纤维，且可选自所述纤维的至少一种。本发明中，纤维预浸布层的纤维经第一树脂含浸，而该复合树脂层经多层纳米碳管及第二树脂混成，其中，第一树脂及第二树脂为相同或不同，且可包括热塑性树脂或热固性树脂。热塑性可举例包括聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、尼龙(Nylon)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide，PPS)或聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)；热固性树脂可举例包括环氧树脂。
在一具体实施例中，所述纤维预浸布层的厚度可为50μm至200μm；所述复合树脂层的厚度可为5μm至200μm，此处的厚度可依所制备的构件刚性强度需求作调整。
据信，当外力使树脂与纳米碳管管壁间产生相对位移(滑动)时，其位移差值与介面间剪力的积分等于所产生的能量损耗，就是可产生减振的原因。
在一具体实施例中，纳米碳管使用多层纳米碳管，以其多层的管壁提供相较于单层纳米碳管更多微滑动现象，累积的阻尼特性可快速地被放大，更有效抑制振动。
另一方面，纳米碳管经改质后，具有反应性官能团，该反应性官能团可为胺基、羧基、羟基或酰氯基，但不以此为限。该改质的方法可参考J.Mater.Chem.,2011,21,7337-7342所公开的方法。
此外，在一具体实施例中，纳米碳管的比表面积为100至300m2/g，使用此比表面积范围的纳米碳管可使纳米碳管较佳地与第二树脂混成，且该至少一复合树脂层中的该纳米碳管的含量为0.5至8wt％。相对地，该至少一复合树脂层中的该第二树脂的含量为92至99.5wt％。
根据本发明的方法，纤维复合材料是经加热而塑形，在加热过程中，纳米碳管的反应性官能团与第一树脂及第二树脂键结而硬化定型。
一般而言，形成纤维复合材料的制法使用传统叠合方式，即，将所欲达到各层层数比例的不同材料层叠合后，经过卷曲再塑形。但此种制法一次仅能制造一个纤维复合材料，在工业上大量制造时不经济。
因此，在另一具体实施例中，本发明的纤维复合材料的制法是在纤维预浸布层上铺垫至少一复合树脂层，且根据需要，是在该纤维预浸布层上铺垫多个该复合树脂层，并令多个该复合树脂层彼此间隔，并使得在形成中空管体后，该中空管体外壁至内壁之间的该至少一复合树脂层与该纤维预浸布层的层数比例为1:4至1:7。具体而言，铺垫该多层该复合树脂层时，该复合树脂层以沿着该纤维预浸布层卷曲方向间隔地铺垫。因此，通过本发明的一种纤维复合材料的制法，机器可更经济地一次大量生产多个纤维复合材料。
此外，根据本发明的制法，所形成的该中空管体的形状包含圆形、椭圆形、方形、矩形，但不限于此。
本发明通过实施例的示例来说明细节。不过，本发明的诠释不应当被限制于以下实施例的阐述。
实施例1
本发明实施例1(编号:4L)的制法与条件如下叙述，各材料说明如下，纤维：碳纤维(Toray，T700SC，12K)；树脂：环氧树脂(Dow Chemical，Epon 828)；多层纳米碳管：(5wt％，A-MWCNT1020，辛耘企业)；改质的官能团：胺基(根据J.Mater.Chem.,2011,21,7337-7342的方法)。
其中，如图1所示，在纤维预浸布层100(厚度为100μm)的上方铺垫复合树脂层110(厚度为70μm)，复合树脂层是以可形成复合树脂层与纤维预浸布层的层数比例为1:5的间隔铺垫成一复合体，在塑形时，先准备一芯模，其外表套上一塑胶气袋，依箭头方向卷曲复合体，再将覆有复合体的芯模置入另一铝质模具中固定，之后留下塑胶气袋并抽出芯模，在芯模空下的空间中充气(25至30psi)以撑住所型成的中空管体，同时，在铝质模具侧施以20至25psi的压力及以160℃加热40分钟，待降至室温，即可取出该纤维复合材料样品，达到卷曲后复合树脂层位于纤维预浸布层第四层与第五层间、第八层与第九层间、第十二层与第十三层间、第十六层与第十七层间。
如图2所示，纤维复合材料1呈中空管体，包括：纤维预浸布层100及复合树脂层110，其侧剖面如图3所示。所制备的纤维复合材料的尺寸为：长度450mm，直径20mm，厚度4.0mm。
实施例2
本发明实施例2(编号:2L)的制法与条件如第一实施例所叙述，改变复合树脂层于纤维预浸布层上的间隔，达到卷曲后复合树脂层位于纤维预浸布层第七层与第八层间、第十三层与第十四层间，且复合树脂层及纤维预浸布层的层数比例为1:10。
实施例3
本发明实施例3(编号:3L)的制法与条件如实施例1所叙述，改变复合树脂层于纤维预浸布层上的间隔，达到卷曲后复合树脂层位于纤维预浸布层第五层与第六层间、第十层与第十一层间、第十五层与第十六层间，且复合树脂层及纤维预浸布层的层数比例为1:6.7。
实施例4
本发明实施例4(编号:5L)的制法与条件如实施例1所叙述，改变复合树脂层于纤维预浸布层上的间隔，达到卷曲后复合树脂层位于纤维预浸布层第四层与第五层间、第七层与第八层间、第十层与第十一层间、第十三层与第十四层间、第十六层与第十七层间，且复合树脂层及纤维预浸布层的层数比例为1:4.0。
实施例5
本发明实施例5(编号:6L)的制法与条件如实施例1所叙述，改变复合树脂层于纤维预浸布层上的间隔，达到卷曲后复合树脂层位于纤维预浸布层第三层与第四层间、第六层与第七层间、第九层与第十层间、第十一层与第十二层间、第十四层与第十五层间、第十七层与第十八层间，且复合树脂层及纤维预浸布层的层数比例为1:3.3。
比较例1
比较例1(编号:0)的制法与条件如实施例1所叙述，在纤维预浸布层上不铺垫复合树脂层，达到卷曲后纤维预浸布层的层数为20的纤维复合材料。
振动衰减时间(秒，S)的测量是使用激光位移计(Polytec OFV 350 Sensorhand)，测量自振动开始(样品的一端固定，另一端施加2Kg载重后释放)至静止的时间，并将结果记录于表1(如下表)。
Figure BDA0001528088450000061
根据上述表1，与未添加复合树脂层的比较例相比，添加复合树脂层的2L至6L实施例，可产生53.5％至89.2％的全振幅缩减效果。此外，表1的自然频率指一结构体本身存在的动态特性，其与系统刚性平方根成正比，与质量块平方根成反比。因此，由表1可知，虽复合树脂层的层数越多，全振幅缩减效果越高，但复合树脂层较纤维预浸布层软，因此复合树脂层不能无限增加，复合树脂层与纤维预浸布层的层数比例最佳范围在为1:4至1:7之间，在此范围内，纤维复合材料的制振效率与刚性同步提高，但当编号6L的复合树脂层与纤维预浸布层的层数比例为1:3.3时，其制振效率虽可持续提高，但纤维复合材料刚性则会降低，不符合有需要求结构刚性的相关产品应用需求。
上述实施例用以例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何该领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改。因此本发明的保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (9)

1.一种纤维复合材料，其特征在于，包括：
多层纤维预浸布层，包括第一树脂和含浸于该第一树脂中的纤维；以及
至少一复合树脂层，形成在二该纤维预浸布层之间，并与该多层纤维预浸布层共同围覆成一中空管体，且该至少一复合树脂层包含多层纳米碳管及第二树脂，其中，该多层纳米碳管表面具有包含胺基、羧基、羟基或酰氯基的反应性官能团，且该至少一复合树脂层与该纤维预浸布层的层数比例为1:4至1:7，其中，该至少一复合树脂层中的该纳米碳管的含量为0.5至8wt％；其中，该纤维预浸布层的厚度为50μm至200μm，该至少一复合树脂层的厚度为5μm至200μm。
2.如权利要求1所述的纤维复合材料，其特征在于，该第一树脂及该第二树脂为相同或不同，且该第一树脂及该第二树脂为热塑性树脂或热固性树脂。
3.如权利要求1所述的纤维复合材料，其特征在于，该多层纳米碳管的比表面积为100至300m2/g。
4.如权利要求1所述的纤维复合材料，其特征在于，该纤维包含碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、尼龙纤维、特多龙纤维、棉纤维、羊毛纤维、钢纤维或铝纤维。
5.一种纤维复合材料的制法，其特征在于，包括：
在包括第一树脂和含浸于该第一树脂中的纤维的纤维预浸布层上铺垫至少一复合树脂层，其中，该至少一复合树脂层包含多层纳米碳管及第二树脂，且该多层纳米碳管表面具有包含胺基、羧基、羟基或酰氯基的反应性官能基；
卷绕该纤维预浸布层及该至少一复合树脂层，以围覆成一中空管体，使该中空管体外壁至内壁之间的该至少一复合树脂层与该纤维预浸布层的层数比例为1:4至1:7；以及
塑形该中空管体，其中，该至少一复合树脂层中的该纳米碳管的含量为0.5至8wt％；其中，该纤维预浸布层的厚度为50μm至200μm，该至少一复合树脂层的厚度为5μm至200μm。
6.如权利要求5所述的纤维复合材料的制法，其特征在于，铺垫于该纤维预浸布层上的该复合树脂层为多层，且该多层复合树脂层彼此间隔。
7.如权利要求5所述的纤维复合材料的制法，其特征在于，该第一树脂及该第二树脂为相同或不同，且该第一树脂及该第二树脂为热塑性树脂或热固性树脂。
8.如权利要求5所述的纤维复合材料的制法，其特征在于，该多层纳米碳管的比表面积为100至300m2/g。
9.如权利要求5所述的纤维复合材料的制法，其特征在于，该纤维包含碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、尼龙纤维、特多龙纤维、棉纤维、羊毛纤维、钢纤维或铝纤维。
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