CN110938895A - 一种复合纤维材料、制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合纤维材料、制备方法及其应用，属于复合纤维技术领域，所述复合纤维按照重量份计，包括以下原料：玄武岩纤维20～30份、碳纤维35～40份、芳纶纤维10～15份、玻璃纤维10～12份、醋酸纤维素2～7份、酚醛树脂3～5份，所述制备方法为分别将玄武岩纤维、碳纤维进行改性，然后将其与其它原料混合，进行静电纺丝即可得到复合纤维材料，制备方法简单，所述复合纤维材料可用于建筑、航空航天、汽车、军工领域。

Description

一种复合纤维材料、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及复合纤维技术领域，特别是涉及一种复合纤维材料、制备方法及其应用。
背景技术
通常，纤维增强复合材料包括用纤维例如碳纤维增强的树脂基质。纤维增强复合材料通常以下述方法制备，在该方法中，将包含纤维的织物或丝束用树脂浸渍以形成所谓的预浸料。术语预浸料通常用于描述用包括纤维的增强复合材料，所述纤维用树脂浸渍，且处于未固化或部分固化的状态。然后可以通过使预浸料经受足以使树脂固化的条件而将预浸料模塑成最终或半最终模塑的部件。通常，固化如下进行：将模具中的预浸料按足以使树脂固化的温度和时间量加热。环氧树脂通常用于生产纤维增强复合材料。
将碳纤维粘附于树脂基质保持部件的机械强度和防止纤维-碳界面分层是至关重要的。目前为了解决上述技术问题，经常对碳纤维进行表面处理，但是，表面处理存在一些缺点，例如，在一些情况下，表面处理可以导致纤维产生不期望的退化，这导致经受表面处理的碳纤维在实际应用过程中受到限制。因此，表面处理可能不足以在纤维表面上提供所需量的反应性化学基团。
因此，仍然需要改善的复合碳纤维及其制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合纤维材料、制备方法及其应用，以解决上述现有技术存在的问题，所制备的复合纤维材料具有高结构强度、高隔热、隔音、质轻、耐火的特点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
技术方案一：
本发明提供了一种复合纤维材料，以重量份计，包括以下原料：
玄武岩纤维20～30份、碳纤维35～40份、芳纶纤维10～15份、玻璃纤维10～12份、醋酸纤维素2～7份、酚醛树脂3～5份。
优选的，所述玄武岩纤维为连续玄武岩纤维。
优选的，所述醋酸纤维素的乙酰基含量为40％～42％。
优选的，所述酚醛树脂的粘度范围为500～1800mPa·S，固含量为50％～75％。
优选的，所述碳纤维的拉伸强度为至少600ksi。
技术方案二：
本发明还提供所述的复合纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按原料配比准确称量原料；
(2)分别对玄武岩纤维、碳纤维进行表面改性处理，得到改性玄武岩纤维和改性碳纤维；
(3)将改性后的玄武岩纤维、改性碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、醋酸纤维素、酚醛树脂溶于乙醇中，得到纺丝原液，经过静电纺丝即得。
优选的，所述玄武岩纤维的改性处理过程为：将玄武岩纤维浸入含胺官能团的电解质溶液中，电解质的浓度为0.01～0.05M，通电，通电电压为3～5V，时间为30～60S。
优选的，所述电解质为四氟硼酸四乙基铵、二(三氟乙烷磺酰基)-酰亚胺锂、四氟硼酸四丁基铵和三氟甲烷磺酸四丁基铵中的一种。
优选的，所述碳纤维表面改性处理过程为：将碳纤维浸入硝酸溶液中，在110℃下处理30-60min。
优选的，硝酸的质量分数为50～60％。
技术方案三：
本发明还提供所述的复合纤维材料在航空航天、汽车、军工领域的应用。
本发明公开了以下技术效果：
本发明通过将玄武岩纤维在含胺官能团的电解质溶液中浸泡，电解，将胺官能化聚合物电接枝到玄武岩纤维的表面上，在所述复合碳纤维中，聚合物共价结合于玄武岩纤维，并且显著数目的反应性胺基团可用于后续反应，再经静电纺丝与碳纤维复合得到复合碳纤维。因此，复合碳纤维可用于建筑、航空航天、汽车、军工领域。
同时，在本发明的预处理过程中，经过预处理使各单丝的表面蚀刻或变粗糙，增加了可用于界面纤维/基质结合的表面积，纤维表面积的增加有助于将树脂基质与纤维机械互锁。而且，表面处理也可以将纤维表面氧化，这会导致在纤维表面上形成反应性化学基团，例如羧基等。
醋酸纤维素不仅可以作为复合碳纤维的基体，还可以作为粘合剂，与酚醛树脂协同增强各个纤维之间的粘结性。虽然醋酸纤维素具有良好的耐燃性和耐久性，但是耐湿性、耐粘性差，酚醛树脂的加入一方面可以增强醋酸纤维素的耐粘性，另一方面，由于酚醛树脂和醋酸纤维素之间产生了协同作用，增强了复合材料的耐湿性。复合纤维材料由碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维等通过树脂复合而成的，其具有耐酸、耐碱、耐高温、耐低温的特点，在野外的恶劣环境下也不会被腐蚀，使用寿命大大延长，消除了长期暴露在空气中性能降低的安全隐患。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
实施例1
本实施例中的复合纤维材料，以重量份计，包括以下原料：
连续玄武岩纤维20份、碳纤维35份、芳纶纤维10份、玻璃纤维10份、醋酸纤维素2份、酚醛树脂3份；
所述醋酸纤维素的乙酰基含量为40％～42％。
所述酚醛树脂的粘度范围为15000～1800mPa·S，固含量为65％～75％。
所述碳纤维的拉伸强度为600ksi。
上述的复合纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按原料配比准确称量原料；
(2)分别对玄武岩纤维、碳纤维进行表面改性处理，得到改性玄武岩纤维和改性碳纤维；
所述玄武岩纤维的改性处理过程为：将玄武岩纤维浸入含四氟硼酸四乙基铵的电解质溶液中，电解质的浓度为0.01M，通电，通电电压为3V，时间为30S；
所述碳纤维表面改性处理过程为：将碳纤维浸入质量分数为50％的硝酸溶液中，在110℃下处理30min；
(3)将改性后的玄武岩纤维、改性碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、醋酸纤维素、酚醛树脂溶于乙醇中，得到纺丝原液，经过静电纺丝即得。
实施例2
连续玄武岩纤维25份、碳纤维35份、芳纶纤维13份、玻璃纤维10份、醋酸纤维素5份、酚醛树脂5份；
所述醋酸纤维素的乙酰基含量为42％。
所述酚醛树脂的粘度范围为500～800mPa·S，固含量为65％～75％。
所述碳纤维的拉伸强度为800ksi。
上述的复合纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按原料配比准确称量原料；
(2)分别对玄武岩纤维、碳纤维进行表面改性处理，得到改性玄武岩纤维和改性碳纤维；
所述玄武岩纤维的改性处理过程为：将玄武岩纤维浸入含三氟甲烷磺酸四丁基铵的电解质溶液中，电解质溶液的浓度为0.03M，通电，通电电压为5V，时间为40S；
所述碳纤维表面改性处理过程为：将碳纤维浸入质量分数为55％的硝酸溶液中，在110℃下处理40min；
(3)将改性后的玄武岩纤维、改性碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、醋酸纤维素、酚醛树脂溶于乙醇中，得到纺丝原液，经过静电纺丝即得。
实施例3
连续玄武岩纤维30份、碳纤维40份、芳纶纤维15份、玻璃纤维12份、醋酸纤维素5份、酚醛树脂5份；
所述醋酸纤维素的乙酰基含量为40％。
所述酚醛树脂的粘度范围为5000～8000mPa·S，固含量为65％～75％。
所述碳纤维的拉伸强度为1000ksi。
上述的复合纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按原料配比准确称量原料；
(2)分别对玄武岩纤维、碳纤维进行表面改性处理，得到改性玄武岩纤维和改性碳纤维；
所述玄武岩纤维的改性处理过程为：将玄武岩纤维浸入含、二(三氟乙烷磺酰基)-酰亚胺锂的电解质溶液中，电解质溶液的浓度为0.03M，通电，通电电压为5V，时间为50S；
所述碳纤维表面改性处理过程为：将碳纤维浸入质量分数为55％的硝酸溶液中，在110℃下处理50min；
(3)将改性后的玄武岩纤维、改性碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、醋酸纤维素、酚醛树脂溶于乙醇中，得到纺丝原液，经过静电纺丝即得。
实施例4
连续玄武岩纤维25份、碳纤维35份、芳纶纤维15份、玻璃纤维12份、醋酸纤维素5份、酚醛树脂5份；
所述醋酸纤维素的乙酰基含量为40％。
所述酚醛树脂的粘度范围为1500～1800mPa·S，固含量为65％～75％。
所述碳纤维的拉伸强度为1000ksi。
上述的复合纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按原料配比准确称量原料；
(2)分别对玄武岩纤维、碳纤维进行表面改性处理，得到改性玄武岩纤维和改性碳纤维；
所述玄武岩纤维的改性处理过程为：将玄武岩纤维浸入含四氟硼酸四丁基铵的电解质溶液中，电解质溶液的浓度为0.05M，通电，通电电压为5V，时间为60S；
所述碳纤维表面改性处理过程为：将碳纤维浸入质量分数为60％的硝酸溶液中，在110℃下处理60min；
(3)将改性后的玄武岩纤维、改性碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、醋酸纤维素、酚醛树脂溶于乙醇中，得到纺丝原液，经过静电纺丝即得。
对比例1
原料及制备方法同实施例1，不同之处仅在于不进行连续玄武岩纤维的改性处理。
对比例2
原料及制备方法同实施例1，不同之处仅在于不进行碳纤维的改性处理。
对比例3
原料中未加入连续玄武岩纤维，其它条件同实施例1。
对比例4
原料中未加入酚醛树脂，其它条件同实施例1。
将实施例1-4及对比例1-4的复合纤维材料制成20mm×30mm×5mm的样品块，进行性能测试，测试结果见表1。
表1
Figure BDA0002322138010000081
Figure BDA0002322138010000091
注：εp1代表复合纤维材料中低延伸率纤维断裂时的应变；εu代表复合纤维材料被拉断时的应变。
由表1可知，本发明制备的复合纤维材料具有良好的拉伸强度、弹性模量和延性系数，适于应用在航空航天、汽车、军工领域。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合纤维材料，其特征在于，以重量份计，包括以下原料：
玄武岩纤维20～30份、碳纤维35～40份、芳纶纤维10～15份、玻璃纤维10～12份、醋酸纤维素2～7份、酚醛树脂3～5份。
2.根据权利要求1所述的一种复合纤维材料，其特征在于，所述玄武岩纤维为连续玄武岩纤维。
3.根据权利要求1所述的一种复合纤维材料，其特征在于，所述醋酸纤维素的乙酰基含量为40％～42％。
4.根据权利要求1所述的一种复合纤维材料，其特征在于，所述酚醛树脂的粘度范围为500～1800mPa·S，固含量为50％～75％。
5.根据权利要求1所述的一种复合纤维材料，其特征在于，所述碳纤维的拉伸强度为至少600ksi。
6.一种权利要求1～5任一项所述的复合纤维材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按原料配比准确称量原料；
(2)分别对玄武岩纤维、碳纤维进行表面改性处理，得到改性玄武岩纤维和改性碳纤维；
(3)将改性后的玄武岩纤维、改性碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、醋酸纤维素、酚醛树脂溶于乙醇中，得到纺丝原液，经过静电纺丝即得。
7.根据权利要求6所述的复合纤维材料的制备方法，其特征在于，所述玄武岩纤维的改性处理过程为：将玄武岩纤维浸入含胺官能团的电解质溶液中，电解质的浓度为0.01～0.05M，通电，通电电压为3～5V，时间为30～60S。
8.根据权利要求7所述的复合纤维材料的制备方法，其特征在于，所述电解质为四氟硼酸四乙基铵、二(三氟乙烷磺酰基)-酰亚胺锂、四氟硼酸四丁基铵和三氟甲烷磺酸四丁基铵中的一种。
9.根据权利要求6所述的复合纤维材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维表面改性处理过程为：将碳纤维浸入硝酸溶液中，在110℃下处理30-60min。
10.权利要求1～5任一项所述的复合纤维材料在航空航天、汽车、军工领域的应用。
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彭利英 等: "混杂纤维复合材料纵向拉伸性能的试验研究", 《世界地震工程》 *

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