CN112048150A - 一种碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料及其制备方法 - Google Patents

一种碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料及其制备方法，工艺步骤如下：(1)选取干燥处理后的麻纤维布以及碳纤维布；(2)浸入多巴胺溶液中进行表面处理；(3)使用硅烷偶联剂进行改性；(4)麻纤维与碳纤维布按照一定比例层状铺装；(4)配制一定比例的不饱和树脂溶液对其进行浸渍；(5)组坯后，预固化2～30分钟，压力为1～5MPa；(6)冷固化2～20小时，压力为5～12MPa；(7)室温下陈放1～15天，得到碳纤维与麻纤维增强不饱和树脂材料。本发明制备的增强树脂复合材料强度较高、尺寸稳定性好，耐腐蚀性也较优良，在多种领域均能有良好的应用，且冷压法操作简便、能耗小，易于大规模生产。

Description

一种碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料加工技术领域，涉及一种复合增强材料及其制备方法，特别涉及一种碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料及其制备方法。
背景技术
碳纤维具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨、耐腐蚀以及热膨胀系数较小等许多的优点。碳纤维增强基体的航空刹车用复合材料因其具有质量轻、抗热冲击性好、摩擦系数稳定、使用寿命长等特点，使得其在航空航天工业中得到了广泛应用，是新一代的高性能材料。目前，碳纤维增强基体的复合材料只是应用于军用和民用干线飞机。它的应用存在如下障碍，原料价格高，制作工艺复杂，产量有限；纤维较长，而应用中一般采用2～5mm短纤维；碳纤维表面惰性，直接与树脂粘合性较差，需要进行表面处理。
麻纤维是一种新型增强材料，属于天然可再生资源，产量丰富，价格低廉，拉伸强度高、耐热性和防腐蚀性能均十分优良。天然植物纤维有许多，但麻纤维在其中占据着比较高的地位，这是由于麻纤维不仅价格低，它的比强度和比模量也是相对来说比较高的，而且对于其他高模量工业纤维，它则具备较为优良的韧性。
此外，中国申请201410731883.3公开了一种制备玻璃纤维复合材料的工艺，包括如下步骤：1)将4.8重量份AES树脂、2重量份卤化聚丙烯、1.4重量份乙烯丙烯共聚物、26重量份玻璃纤维矿物粉、1.8重量份四(β-(3，5二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸)季戊四醇酯、2重量份γ-环氧丙基醚基三甲氧基硅烷、1.2重量份不饱和蜡混合均匀，熔融拉丝，制得玻璃纤维；2)将7重量份PS树脂、13重量份PA树脂混合均匀，纺丝形成聚合物纤维；3)将玻璃纤维和聚合物纤维编织成在一起，即得玻璃纤维复合材料。但由于麻是一种表面附着蜡状物、果胶等杂质的天然纤维，所以它与基体树脂之间存在着相容性较差的问题。为了提高麻纤维与基体的界面粘结性，需要对麻纤维表面进行改性处理。因此，依次采用多巴胺溶液与偶联剂对碳纤维和麻纤维表面进行改性处理，改善纤维与基体树脂之间的界面相容性，提高碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料各方面的性能。
发明内容
综合上述碳纤维、麻纤维以及不饱和树脂材料的特点，本发明的目的在于提供一种兼具高强、耐水、耐腐蚀性的，性能优良的价格低廉的碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
1.一种碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料及其制备方法，其特征在于，工艺步骤如下：
1)选材：选取市售的麻纤维布和市售的碳纤维布；
2)多巴胺溶液处理：将所述碳纤维布与麻纤维布浸入多巴胺溶液中进行表面处理；
3)偶联剂改性：将所述碳纤维布与麻纤维布使用甲基丙烯酰氧基硅烷进行改性处理；
4)铺装：将所述麻纤维布与碳纤维布间隔层状铺装进涂有聚四氟乙烯涂层的钢模内，得到层状纤维；
5)组坯：将不饱和树脂胶粘剂倒入钢模内与上述层状纤维组坯；
6)预压及冷压：组坯后进行预压，再对其进行冷压；
7)养护：室温下陈放保养7天。
所述步骤1)中选材采用的麻纤维包括剑麻纤维、亚麻纤维、黄麻纤维、苎麻纤维、大麻纤维以及槿麻纤维其中的一种。
所述步骤2)中表面处理中使用三羟甲基氨基甲烷调节多巴胺溶液的pH＝8.5，配制浓度为1～5％多巴胺溶液。
所述步骤2)中表面处理中浸渍时间为5～10小时，浸渍温度为40～80℃，浸渍后对麻纤维布与碳纤维布清洗三次，在80℃干燥24h。
所述步骤3)中改性处理中使用36％的乙酸调节甲基丙烯酰氧基硅烷溶液的pH＝4，配制浓度为1～3％甲基丙烯酰氧基硅烷溶液。
所述步骤3)中改性处理浸渍时间为15～30小时，浸渍温度为60～100℃，浸渍后对麻纤维布与碳纤维布清洗三次，在80℃干燥24h。
所述步骤4)中组坯中碳纤维布与麻纤维布之间的重量份配比为：3～5∶1～2，碳纤维布与麻纤维布层状纤维与不饱和树脂之间的重量份配比为：2～4∶10～20。
所述步骤5)中不饱和树脂胶粘剂按重量份计，由包括如下配比的原料制备而成：不饱和树脂10～20份、固化剂10～20份、丙酮50～80份。
所述步骤5)中不饱和树脂为双酚A型不饱和聚酯、邻苯型不饱和聚酯及间苯型不饱和聚酯其中的一种。
所述的固化剂为过氧化二苯甲酰、过氧化甲乙酮或过氧化环己酮其中的一种。
所述步骤6)中预压压力为1～5MPa，预压2～30分钟；冷压压力5～12MPa冷压固化1～10小时。
本发明的优点在于：
本发明制备的一种碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料及其制备方法，设计合理，且能很好的提高材料的各方面性能，所制备的材料强度高、吸湿透湿性小、尺寸稳定性好，耐腐蚀，可部分生物降解，这是由于多巴胺和偶联剂对纤维的表面处理，使其能与不饱和聚酯生成氢键或或共价键，纤维与不饱和树脂之间的连接增强，使得彼此之间的界面相容性增强，可应用于航空航天、交通运输、体育器材和医疗用品等多种领域，且操作简单，便于进一步推广生产。
附图说明
附图是本发明实施例1碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料的剖面图。
图中，1：碳纤维布，2：麻纤维布，3：不饱和树脂胶层。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明的具体实施方式作详细说明，但不构成对本发明权利要求保护范围的限制。
实施例1：
(1)选取材料：选取麻纤维布200g，碳纤维600g；
(2)多巴胺表面处理：多巴胺2份、三羟甲基氨基甲烷1.2份，水96.8份，使用三羟甲基氨基甲烷调节至溶液pH值为8.5，水浴90℃，搅拌8h，配制8000ml质量浓度为2％的多巴胺盐酸盐溶液；将麻纤维布与碳纤维布浸入2％的多巴胺盐酸盐溶液中进行改性处理，在60℃水浴8h，之后水清洗三次，80℃干燥24h；
(3)偶联剂改性：甲基丙烯酰氧基硅烷2份、无水乙醇98份，利用浓度为36％的乙酸调节至溶液pH值为4，配制6000ml质量浓度为2％的甲基丙烯酰氧基硅烷溶液；将表面处理后的麻纤维布与碳纤维布浸入其中，在80℃水浴24h，之后水清洗三次，80℃干燥24h；
(4)组坯：将表面处理后的碳纤维布与麻纤维布按重量份3∶1的先后顺序在涂有四氟乙烯的钢模中间隔层状铺装，即得层状纤维，在800g环氧树脂中加入800g过氧化二苯甲酰与4000g丙酮，混合均匀后倒入钢模中与铺装好的层状纤维进行组坯；
(5)预固化及冷压：在组坯过程中，对组坯进行预固化，预压压力为5MPa，预压3分钟；预固化后的组坯在室温下，压力12MPa冷压固化2小时即可制得碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂复合材料。
(6)养护：取出碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料在室温下陈放7天。
实施例2：
(1)选取材料：选取麻纤维150g，碳纤维600kg；
(2)多巴胺表面处理：多巴胺5份、三羟甲基氨基甲烷3.6份，水91.4份，使用三羟甲基氨基甲烷调节至溶液pH值为8.5，水浴90℃，搅拌8h，配制7000ml质量浓度为5％的多巴胺盐酸盐溶液；将麻纤维布与碳纤维布浸入5％的多巴胺盐酸盐溶液中进行改性处理，在60℃水浴8h，之后水清洗三次，80℃干燥24h；
(3)偶联剂改性：甲基丙烯酰氧基硅烷2份、无水乙醇98份，利用浓度为36％的乙酸调节至溶液pH值为4，配制5000ml质量浓度为2％的甲基丙烯酰氧基硅烷溶液；将表面处理后的麻纤维布与碳纤维布浸入其中，在80℃水浴24h，之后水清洗三次，80℃干燥24h；
(4)组坯：将表面处理后的碳纤维布与麻纤维布按重量份4∶1的先后顺序在涂有四氟乙烯的钢模中间隔层状铺装，即得层状纤维，在600g环氧树脂中加入600g过氧化环己酮与3500g丙酮，混合均匀后倒入钢模中与铺装好的层状纤维进行组坯；
(5)预固化及冷压：在组坯过程中，对组坯进行预固化，预压压力为12MPa，预压1分钟；预固化后的组坯在室温下，压力5MPa冷压固化6小时即可制得碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂复合材料。
(6)养护：取出碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料在室温下陈放7天。
实施例3：
(1)选取材料：选取麻纤维200g，碳纤维1000g；
(2)多巴胺表面处理：多巴胺2份、三羟甲基氨基甲烷1.2份，水96.8份，使用三羟甲基氨基甲烷调节至溶液pH值为8.5，水浴90℃，搅拌8h，配制12000ml质量浓度为2％的多巴胺盐酸盐溶液；将麻纤维布与碳纤维布浸入2％的多巴胺盐酸盐溶液中进行改性处理，在60℃水浴8h，之后水清洗三次，80℃干燥24h；
(3)偶联剂改性：甲基丙烯酰氧基硅烷2份、无水乙醇98份，利用浓度为36％的乙酸调节至溶液pH值为4，配制10000ml质量浓度为2％的甲基丙烯酰氧基硅烷溶液：将表面处理后的麻纤维布与碳纤维布浸入其中，在80℃水浴24h，之后水清洗三次，80℃干燥24h；
(4)组坯：将表面处理后的碳纤维布与麻纤维布按重量份5∶1的先后顺序在涂有四氟乙烯的钢模中间隔层状铺装，即得层状纤维，在1200g环氧树脂中加入1200g过氧化二苯甲酰与7000g丙酮，混合均匀后倒入钢模中与铺装好的层状纤维进行组坯；
(5)预固化及冷压：在组坯过程中，对组坯进行预固化，预压压力为10MPa，预压1.5分钟；预固化后的组坯在室温下，压力10MPa冷压固化2.4小时即可制得碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂复合材料。
(6)养护：取出碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料在室温下陈放7天。
实施例4：
(1)选取材料：选取麻纤维200kg，碳纤维700g；
(2)多巴胺表面处理：多巴胺5份、三羟甲基氨基甲烷3.6份，水91.4份，使用三羟甲基氨基甲烷调节至溶液pH值为8.5，水浴90℃，搅拌8h，配制8000ml质量浓度为5％的多巴胺盐酸盐溶液；将麻纤维布与碳纤维布浸入5％的多巴胺盐酸盐溶液中进行改性处理，在60℃水浴8h，之后水清洗三次，80℃干燥24h；
(3)偶联剂改性：甲基丙烯酰氧基硅烷2份、无水乙醇98份，利用浓度为36％的乙酸调节至溶液pH值为4，配制6000ml质量浓度为2％的甲基丙烯酰氧基硅烷溶液；将表面处理后的麻纤维布与碳纤维布浸入其中，在80℃水浴24h，之后水清洗三次，80℃干燥24h；
(4)组坯：将表面处理后的碳纤维布与麻纤维布按重量份3.5∶1的先后顺序在涂有四氟乙烯的钢模中间隔层状铺装，即得层状纤维，在800g环氧树脂中加入800g过氧化环己酮与4500g丙酮，混合均匀后倒入钢模中与铺装好的层状纤维进行组坯；
(5)预固化及冷压：在组坯过程中，对组坯进行预固化，预压压力为7MPa，预压1.8分钟；预固化后的组坯在室温下，压力7MPa冷压固化5小时即可制得碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂复合材料。
(6)养护：取出碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料在室温下陈放9天。
实施例5：
(1)选取材料：选取麻纤维100g，碳纤维400g；
(2)多巴胺表面处理：多巴胺2份、三羟甲基氨基甲烷1.2份，水96.8份，使用三羟甲基氨基甲烷调节至溶液pH值为8.5，水浴90℃，搅拌8h，配制5000ml质量浓度为2％的多巴胺盐酸盐溶液；将麻纤维布与碳纤维布浸入2％的多巴胺盐酸盐溶液中进行改性处理，在60℃水浴8h，之后水清洗三次，80℃干燥24h；
(3)偶联剂改性：甲基丙烯酰氧基硅烷2份、无水乙醇98份，利用浓度为36％的乙酸调节至溶液pH值为4，配制4000ml质量浓度为2％的甲基丙烯酰氧基硅烷溶液；将表面处理后的麻纤维布与碳纤维布浸入其中，在80℃水浴24h，之后水清洗三次，80℃干燥24h；
(4)组坯：将表面处理后的碳纤维布与麻纤维布按重量份4∶1的先后顺序在涂有四氟乙烯的钢模中间隔层状铺装，即得层状纤维，在600g环氧树脂中加入600g过氧化二苯甲酰与3600g丙酮，混合均匀后倒入钢模中与铺装好的层状纤维进行组坯；
(5)预固化及冷压：在组坯过程中，对组坯进行预固化，预压压力为6MPa，预压3分钟；预固化后的组坯在室温下，压力10MPa冷压固化2.4小时即可制得碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂复合材料。
(6)养护：取出碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料在室温下陈放7天。
实施例6：
(1)选取材料：选取麻纤维20g，碳纤维600g；
(2)多巴胺表面处理：多巴胺5份、三羟甲基氨基甲烷3.6份，水91.4份，使用三羟甲基氨基甲烷调节至溶液pH值为8.5，水浴90℃，搅拌8h，配制10000ml质量浓度为2％的多巴胺盐酸盐溶液；将麻纤维布与碳纤维布浸入2％的多巴胺盐酸盐溶液中进行改性处理，在60℃水浴8h，之后水清洗三次，80℃干燥24h；
(3)偶联剂改性：甲基丙烯酰氧基硅烷2份、无水乙醇98份，利用浓度为36％的乙酸调节至溶液pH值为4，配制8000ml质量浓度为2％的甲基丙烯酰氧基硅烷溶液；将表面处理后的麻纤维布与碳纤维布浸入其中，在80℃水浴24h，之后水清洗三次，80℃干燥24h；
(4)组坯：将表面处理后的碳纤维布与麻纤维布按重量份3∶1的先后顺序在涂有四氟乙烯的钢模中间隔层状铺装，即得层状纤维，在800g环氧树脂中加入800g过氧化环己酮与5000g丙酮，混合均匀后倒入钢模中与铺装好的层状纤维进行组坯；
(5)预固化及冷压：在组坯过程中，对组坯进行预固化，预压压力为12MPa，预压1分钟；预固化后的组坯在室温下，压力7MPa冷压固化4小时即可制得碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂复合材料。
(6)养护：取出碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料在室温下陈放7天。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料及其制备方法，其特征在于，工艺步骤如下：
1)选材：选取市售的麻纤维布和市售的碳纤维布；
2)多巴胺溶液处理：将所述碳纤维布与麻纤维布浸入多巴胺溶液中进行表面处理；
3)偶联剂改性：将所述碳纤维布与麻纤维布使用甲基丙烯酰氧基硅烷进行改性处理；
4)铺装：将所述麻纤维布与碳纤维布间隔层状铺装进涂有聚四氟乙烯涂层的钢模内，得到层状纤维；
5)组坯：将不饱和树脂胶粘剂倒入钢模内与上述层状纤维组坯；
6)预压及冷压：组坯后进行预压，再对其进行冷压；
7)养护：室温下陈放保养7天。
2.根据权利要求1所述的一种麻纤维增强不饱和树脂材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤1)中选材采用的麻纤维包括剑麻纤维、亚麻纤维、黄麻纤维、苎麻纤维、大麻纤维以及槿麻纤维其中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤2)中表面处理中使用三羟甲基氨基甲烷调节多巴胺溶液的pH＝8.5，配制浓度为1～5％多巴胺溶液。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤2)中表面处理中浸渍时间为5～10小时，浸渍温度为40～80℃，浸渍后对麻纤维与碳纤维清洗三次，在80℃干燥24h。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤3)中改性处理中使用36％的乙酸调节甲基丙烯酰氧基硅烷溶液的pH＝4，配制浓度为1～3％甲基丙烯酰氧基硅烷溶液。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤3)中改性处理浸渍时间为15～30小时，浸渍温度为60～100℃，浸渍后对麻纤维布与碳纤维布清洗三次，在80℃干燥24h。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤4)中组坯中碳纤维布与麻纤维布之间的重量份配比为：3～5∶1～2，碳纤维布与麻纤维布层状纤维与不饱和树脂之间的重量份配比为：2～4∶10～20。
8.根据权利要求1所述的一种碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤5)中不饱和树脂胶粘剂按重量份计，由包括如下配比的原料制备而成：不饱和树脂10～20份、固化剂10～20份、丙酮50～80份，不饱和树脂为双酚A型不饱和聚酯、邻苯型不饱和聚酯及间苯型不饱和聚酯其中的一种。
9.根据权利要求8所述的一种碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料及其制备方法，其特征在于：所述的固化剂为过氧化二苯甲酰、过氧化甲乙酮或过氧化环己酮其中的一种。
10.根据权利要求1所述的一种碳纤维布与麻纤维布增强不饱和树脂材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤6)中预压压力为1～5MPa，预压2～30分钟；冷压压力5～12MPa冷压固化1～10小时。
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