CN111454562B - 一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料，包括以下组分：芳腈基树脂A、芳腈基树脂B和溶剂，所述芳腈基树脂A、所述芳腈基树脂B的质量和与所述溶剂质量的比例为(0.5‑0.6)：(0.4‑0.5)。本发明通过对树脂基体与增强纤维的复合工艺及增强复合材料的热压成型工艺条件的改进，解决了现有纤维增强树脂基复合材料制备过程中的问题，本发明提供的工艺方法过程简单，效率高，且能耗低、绿色环保，具有普适性，易于推广。

Description

一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及树脂基复合材料技术领域，更具体的说是涉及一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料及其制备方法。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料因其质轻、高强高模及可设计性强等优势在轨道交通、武器装备、机械舰船等应用领域备受青睐。目前，随着国防科技和武器装备领域对高新科技材料的严苛要求，针对特定用途个性化的定制材料成为当前材料设计制备领域的发展方向之一。
轻质低损耗树脂基复合材料主要是为满足透波防护用结构功能材料而设计的一类高性能材料体系，作为防护结构材料，纤维增强树脂基复合材料必须具有高的力学强度和模量，这就要求所选用的纤维和树脂基体为高强高模材料，同时要求成型的复合材料体系内部结构规整；作为透波功能材料，要求材料体系具有低的介电常数和损耗，并且复合材料体系在成型过程中不引入强极性界面或缺陷(易导致材料损耗不可控)。
现有的纤维增强树脂基复合材料的制备过程包括选择低介电常数的树脂基体，高强度低介电常数纤维增强体，通过预浸渍制备半固化片，最后通过热压/模压成型技术获得纤维增强的树脂基复合材料。具体实施过程中根据现有采用树脂基体和纤维的特性，存在以下几点需要改进的地方：
1)现采用的树脂体系普遍溶解性较差，配制预浸料时需要使用大量强极性溶剂溶解树脂基体，而在烘制半固化片过程中又需将溶剂去除，以保证半固化片的收储性，这一方面会造成溶剂的大量浪费，同时去除溶剂过程也会给环境带来较大压力并产生一定的安全隐患；
2)现采用的树脂体系因为溶解效果不佳，配制的胶液对增强纤维的浸润性欠佳，通常需要在树脂体系中添加改性剂(常用的为环氧树脂改性体系)，这一方面增加树脂胶液配制的难度，另一方面环氧树脂体系通常表现出有待提高的耐热性，会在一定程度上降低现有树脂体系的热稳定性；
3)现有的工艺中对采用的石英纤维、玻璃纤维和PPO纤维都进行了表面改性处理，包括表面刻蚀和表面接枝，这是因为树脂基体与纤维表面的界面结合作用较弱的原因，对纤维进行表面处理一方面使得复合材料制备工艺繁琐，另一方面可能会对增强纤维的机械强度造成一定的损坏，从而导致复合材料力学强度在一定程度上的降低。
此外，目前国内提供的双马来酰亚胺-三嗪树脂及PPO纤维质量参差不齐，成型样品的性能稳定性还有待提高。
因此，在现有材料的基础上，如何提供一种轻质低损耗的纤维增强树脂基复合材料是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种树脂基体与增强纤维的复合工艺及增强复合材料的热压成型工艺条件，能够解决现有纤维增强树脂基复合材料制备过程中的问题，能够提高复合材料的生产效率，保证生产过程环保低能耗，同时为电子应用及结构防护领域提供一种新型的高性能复合材料。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料，包括以下组分：芳腈基树脂A、芳腈基树脂B和溶剂，所述芳腈基树脂A、所述芳腈基树脂B的质量和与所述溶剂质量的比例为(0.5-0.6)：(0.4-0.5)；
其中，所述芳腈基树脂A选自以下结构中的一种或者两种的组合：
Figure BDA0002450673020000031
以上结构式分别为Pre-BAPh01，Pre-BAPh02，BA-ph和PP-ph；
所述芳腈基树脂B选自以下结构中的一种或者两种的组合：
Figure BDA0002450673020000032
以上结构分别为PP-CN，BPP-CN，BPF-CN和FPP-CN。
芳腈基树脂是目前公认的自阻燃耐温等级最优的高性能树脂，通过结构组成调控及其聚合反应控制可获得溶解性优异、微观结构可控、综合性能突出的高性能聚合物体系。并且在制备多相多组分复合材料过程中，芳腈基树脂分子结构中丰富的腈基基团，与增强体系间易形成强的结合力从而增强体系的界面作用力；同时，在复合体系成型过程中，分子结构中的腈基基团又会发生成环聚合反应形成稳定的芳杂环结构，使得复合体系表现出优良的综合性能。
在本发明中，芳腈基树脂A提供良好的浸渍浸润性和热稳定性，作为树脂胶液的主体部分，可改善现有树脂浸润性差及加工困难的不足；芳腈基树脂B可提供良好的成膜性和韧性，有利于复合材料结构强度的提升，同时，芳腈基树脂B为热塑性高分子，由于大基团的存在，使得分子链间空间距离增大，有利于在微观尺度上增大体系的自由体积，易于制备轻质的复合材料；另外，芳腈基树脂B所选择的几种树脂的玻璃化转变温度均高于260℃，与芳腈基树脂A的热性能相匹配，可制备高性能的复合体系。
并且，树脂基体与溶剂的比例高于上述范围时，树脂胶液的表观粘度过大，不利于浸渍上胶，低于上述比例时，溶剂含量过高，不利于预浸料在烘道中的溶剂去除，同时会造成溶剂浪费和环境污染。
优选的，在上述一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料中，所述芳腈基树脂A与所述芳腈基树脂B的质量比为(0.6-0.9)：(0.1-0.4)。
上述技术方案的有益效果是：当两种树脂的比例高于上述范围时，复合体系表现出典型的热固性复合材料特性，致密、脆性大，不足以实现轻质和低损耗的目的，同时成型过程中会因为胶液流失导致贫胶从而降低复合材料的力学强度；低于上述比例范围时，树脂胶液的表观粘度过大，不利于浸渍上胶，同时由于热塑性高分子含量过高，会导致成型后的复合材料的热变形系数增大，不利于保持电损耗在高温条件下的稳定性。
优选的，在上述一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料中，所述溶剂是体积比为(0.6-0.8)：(0.2-0.4)的N,N-二甲基甲酰胺与N-甲基吡咯烷酮的共混溶液。
上述技术方案的有益效果是：两种溶液都是芳腈基树脂的良溶剂，芳腈基树脂B中的芳腈基在N-甲基吡咯烷酮溶剂中的溶解性更优；高于此比例时，不利于芳腈基树脂B中树脂体系的溶解，低于此比例时，高沸点溶剂过多，不利于后续对预浸料在烘道中去除溶剂。
本发明还公开了一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将芳腈基树脂A与芳腈基树脂B溶解于溶剂中，得到均匀溶液；
(2)将所述均匀溶液进行回流反应，得到高黏度均匀的芳腈基树脂胶液，备用；
(3)将石英纤维进行热处理，去除石英纤维表面的处理剂，得到处理后的石英纤维，备用；
(4)将步骤(2)得到的所述树脂胶液冷却后导入浸渍槽中，将步骤(4)得到的所述石英纤维经滚筒推送匀速通过胶液浸渍槽，得到上胶均匀的预浸料；
(5)将所述预浸料匀速送入烘道中，去除溶剂，得到半固化片；
(6)将所述半固化片叠层置于预热的钢板模具中，经常压热压机压制成型，得到轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料。
优选的，在上述一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料的制备方法中，步骤(2)中所述回流反应的温度为140-180℃，时间为2-4h。
上述技术方案的有益效果是：回流温度若低于140℃，不足以实现两种芳腈基树脂的共聚合反应，从而不能形成均相的树脂胶液，若高于180℃，则芳腈基树脂A会优先发生自聚合，同样不能获得均相树脂胶液；
并且若回流时间过长，不仅会降低生产效率，而且可能导致自聚合反应过度进行，影响树脂胶液的质量，时间短于2h，不足以使树脂体系充分共聚合。
优选的，在上述一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料的制备方法中，步骤(3)中所述热处理为在200℃的干燥箱中处理30min。
优选的，在上述一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料的制备方法中，步骤(4)中将所述树脂胶液冷却至60℃，所述石英纤维经过浸渍槽的速度为2m/min。
上述技术方案的有益效果是：树脂胶液的冷却温度高于此温度时，浸渍过程中溶剂会大量挥发不易控制，影响后续去除溶剂步骤的进行，同时对环境不友好，低于此温度时，树脂胶液表观粘度过大，难以浸渍上胶；
纤维经过浸渍槽的速度过高，会导致浸渍不充分，易造成贫胶，低于此速度时，降低生产效率，同时会造成胶液损失。
优选的，在上述一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料的制备方法中，步骤(5)中所述烘道长度为15m，所述预浸料进入所述烘道的速度为2m/min，所述烘道内温度设定为165-180℃。
上述技术方案的有益效果是：烘道长度是固定的，预浸料输送速度与浸渍过程速度相匹配，烘道温度的设定根据树脂胶液中溶剂体系确定，高于此温度时，易导致半固化片过老，影响粘接性，从而无法进行后续热压成型，低于此温度时，易导致溶剂去除不彻底，导致成型过程中复合材料内部产生缺陷。
优选的，在上述一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料的制备方法中，步骤(6)中所述压制温度为200℃-280℃，压制时间为2-4h，压力为15-20MPa。
优选的，在上述一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料的制备方法中，当所述压制温度为200℃时，压制时间为4h；当所述压制温度为240℃时，压制时间为2h；当所述压制温度为280℃时，压制时间为2h。
上述技术方案的有益效果是：温度时间和压力的选择是确保芳腈基树脂体系的充分聚合，低于此温度或短于此时间，均不能聚合完全，高于此温度和长于此时间，易造成资源浪费和生产效率降低；高于此压力，易造成树脂胶液流失，造成复合材料贫胶，影响材料电损耗和力学强度，低于此压力，易导致复合材料内部界面粘接作用力不足，导致力学性能降低。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料及其制备方法，具有以下优点：
(1)通过优选特定结构的芳腈基树脂体系和组成，改善树脂体系在溶剂中的溶解性，解决胶液对增强纤维的浸渍上胶难题；
(2)利用树脂基体的结构特性，原位获得轻质低损耗的树脂基体并制备纤维增强复合材料，无需引入各种改性剂和助剂，简化了生产工艺和流程；
(3)利用树脂基体中极性官能团的特性，改善了树脂基体与增强纤维间的界面结合作用，无需对纤维表面进行特殊处理即可获得力学性能突出的复合材料，简化了加工工艺，降低了生产成本。
本发明提供的工艺方法过程简单，效率高，且能耗低、绿色环保，具有普适性，易于推广。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本发明的实施例公开了一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将质量比为(0.6-0.9)：(0.1-0.4)的芳腈基树脂A和芳腈基树脂B依次加入到体积比为(0.6-0.8)：(0.2-0.4)的N,N-二甲基甲酰胺与N-甲基吡咯烷酮的共混溶剂中，得到质液比为(0.5-0.6)：(0.4-0.5)的均匀溶液；
(2)将步骤(1)所得均匀溶液在140-180℃下回流反应2-4h，得到均匀的高黏度芳腈基树脂胶液；
(3)将石英纤维在200℃的干燥箱中热处理30min，以去除纤维表面的处理剂，得到处理后得石英纤维；
(4)将步骤(2)得到的树脂胶液冷却至60℃左右，导入浸渍槽中，将步骤(3)得到的石英纤维经滚筒推送匀速通过胶液浸渍槽，得到上胶均匀的预浸料，其中，石英纤维经过浸渍槽的速度为2m/min；
(5)将步骤(4)得到的预浸料匀速送入烘道中，去除溶剂，得到半固化片，其中烘道长度为15m，预浸料进入烘道速度为2m/min，烘道内温度设定为165-180℃；
(6)将步骤(5)得到的半固化片叠层置于预热的钢板模具中，经常压热压机压制成型，得到一种轻质低损耗的纤维增强芳腈基树脂复合材料，其中压制程序为200℃-4h，240℃-2h，280℃-2h，压力设置为15-20MPa。
本发明的实施例1-5分别通过改变原料用量以及工艺参数制备得到了轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料，具体的实施例1-5的原料用量以及工艺参数参见表1。
表1实施例1-5的原料用量及工艺参数
Figure BDA0002450673020000091
本发明分别针对实施例1-5制备得到的纤维增强芳腈基树脂基复合材料进行了性能检测，检测结果参见表2：
表2性能检测结果
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
弯曲强度(MPa) 521 546 597 603 596
热分解温度T5％(℃) 485 498 505 518 512
玻璃化转变温度Tg(℃) 280 288 278 274 282
介电损耗5GHz 0.005 0.004 0.005 0.005 0.005
密度(g/cm<sup>3</sup>) 2.2 2.1 2.1 2.0 2.0
上述实施例1-5制成的纤维增强芳腈基树脂基复合材料，其弯曲强度说明得到了高强度的复合材料，可用于结构防护，热分解温度和玻璃化转变温度说明复合体系内部聚合结构较规整且无缺陷，分子结构规整；介电损耗数值说明获得了低损耗的复合材料体系，密度参数说明获得了轻质纤维增强树脂基复合材料。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料，其特征在于，包括以下组分：芳腈基树脂A、芳腈基树脂B和溶剂，所述芳腈基树脂A、所述芳腈基树脂B的质量和与所述溶剂质量的比例为（0.5-0.6）：（0.4-0.5）；所述芳腈基树脂A与所述芳腈基树脂B的质量比为（0.6-0.9）：（0.1-0.4）；
其中，所述芳腈基树脂A选自以下结构中的一种或者两种的组合：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
所述芳腈基树脂B选自以下结构中的一种或者两种的组合：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
2.根据权利要求1所述的一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料，其特征在于，所述溶剂是体积比为（0.6-0.8）：（0.2-0.4）的N,N-二甲基甲酰胺与N-甲基吡咯烷酮的共混溶液。
3.一种权利要求1-2任一项所述的轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将芳腈基树脂A与芳腈基树脂B溶解于溶剂中，得到均匀溶液；
（2）将所述均匀溶液进行回流反应，得到高黏度均匀的芳腈基树脂胶液，备用；
（3）将石英纤维进行热处理，去除石英纤维表面的处理剂，得到处理后的石英纤维，备用；
（4）将步骤（2）得到的所述树脂胶液冷却后导入浸渍槽中，将步骤（3）得到的所述石英纤维经滚筒推送匀速通过胶液浸渍槽，得到上胶均匀的预浸料；
（5）将所述预浸料匀速送入烘道中，去除溶剂，得到半固化片；
（6）将所述半固化片叠层置于预热的钢板模具中，经常压热压机压制成型，得到轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料。
4.根据权利要求3所述的一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述回流反应的温度为140-180℃，时间为2-4h。
5.根据权利要求3所述的一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述热处理为在200℃的干燥箱中处理30min。
6.根据权利要求3所述的一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）中将所述树脂胶液冷却至60℃，所述石英纤维经过浸渍槽的速度为2m/min。
7.根据权利要求3所述的一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（5）中所述烘道长度为15m，所述预浸料进入所述烘道的速度为2m/min，所述烘道内温度设定为165-180℃。
8.根据权利要求3所述的一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（6）中所述压制温度为200℃-280℃，压制时间为2-4h，压力为15-20MPa。
9.根据权利要求8所述的一种轻质低损耗纤维增强芳腈基树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，当所述压制温度为200℃时，压制时间为4h；当所述压制温度为240℃时，压制时间为2h；当所述压制温度为280℃时，压制时间为2h。
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