CN112063106B - 一种环氧树脂轻质复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及树脂材料制备技术领域，公开了一种环氧树脂轻质复合材料及其制备方法。本发明包括以下重量份数的组分：环氧树脂100份、改性水玻璃粉末4.5–8份、短纤维5–25份、固化剂80–85份和添加剂3份。本发明密度小、弯曲强度高。

Description

一种环氧树脂轻质复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及树脂材料制备技术领域，特别是涉及一种环氧树脂轻质复合材料及其制备方法。

背景技术

环氧树脂原料易得，产量大，成本低，具有优良的粘结性、电绝缘性、机械性能、耐腐蚀性等，因此在国民经济的许多领域得到广泛应用。尤其是近些年环氧树脂及其复合材料在建筑加固和汽车轻量化等方面得到了越来越多的应用。人们在建筑和汽车领域对高强轻量的追求一直没有停歇，轻量化是设计、材料和先进的加工成形技术的优势集成。可见轻量化实际上是性能提高、重量降低、结构优化、价格合理四方面相结合的一个系统工程。材料的轻量化已经成为一个发展趋势，如何在不降低材料力学性能的情况下实现材料密度的大幅降低，这将对材料轻量化的发展具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种密度小、弯曲强度高的一种环氧树脂轻质复合材料及其制备方法。

解决的技术问题是：现有的环氧树脂复合材料的密度与强度的平衡研究难度较大，密度较小的复合材料抗弯强度会有明显的下降，无法满足使用要求；强度满足要求的材料密度无法减小太多，实际应用上仍存在很大的不便。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种环氧树脂轻质复合材料，包括以下重量份数的组分：环氧树脂100份、改性水玻璃粉末4.5–8份、短纤维5–25份、固化剂80–85份和添加剂3份。

本发明一种环氧树脂轻质复合材料，进一步的，所述改性水玻璃粉末包括以下重量份数的组分：水玻璃100份、聚磷酸铵10–25份、去离子水20–40份和偶联剂0.5–5份。

本发明一种环氧树脂轻质复合材料，进一步的，所述水玻璃的模数为3-3.7，波美度为37-40。

本发明一种环氧树脂轻质复合材料，进一步的，所述偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷和十二烷基三甲氧基硅烷中的一种或几种。

本发明一种环氧树脂轻质复合材料，进一步的，所述短纤维为玻璃短纤维、碳纤维短纤维、玄武岩短纤维、芳纶短纤维和聚酰亚胺短纤维中的一种或几种。

本发明一种环氧树脂轻质复合材料，进一步的，所述短纤维为长度1mm-10mm的经过硅烷偶联剂表面处理的改性短纤维。

本发明一种环氧树脂轻质复合材料，进一步的，所述添加剂为UV-吸收剂、抗氧化剂、阻燃剂、脱模剂、消泡剂、纳米颗粒和稳定剂中的一种或多种。

本发明一种环氧树脂轻质复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、备料：按照以下重量份数进行备料：

环氧树脂100份、改性水玻璃粉末4.5–8份、短纤维5–25份、固化剂80–85份和添加剂3份；

步骤二、将改性水玻璃粉末、短纤维、固化剂、添加剂分散于环氧树脂中，混合均匀；

步骤三、将混合物料填充至模具中，高温条件下制得环氧树脂基轻质复合材料。

本发明一种环氧树脂轻质复合材料的制备方法，进一步的，步骤三中模具的合模压力为2–8Mpa，模具均匀升温至95–100℃维持120min，然后升温至145–150℃维持120min，最后冷却至室温。

本发明一种环氧树脂轻质复合材料的制备方法，进一步的，所述改性水玻璃粉末，具体按照以下方法制备而成：

S1、备料：按照以下重量份数进行备料：水玻璃100份、聚磷酸铵10–25份、去离子水20–40份和偶联剂0.5–5份；

S2、将聚磷酸铵搅拌分散于去离子水中，得到聚磷酸铵分散液；

S3、将聚磷酸铵分散液和偶联剂搅拌加入到水玻璃中得到混合溶液；

S4、将S3所得的混合溶液于60℃条件下静置并干燥，得到改性水玻璃；

S5、将S4所得的改性水玻璃粉碎研磨成小于5μm的粉末。

本发明一种环氧树脂轻质复合材料及其制备方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明制备得到的复合材料在弯曲强度不降低的情况下获得密度至少25％的降低效果。

本发明以环氧树脂为基础材料，依靠环氧树脂和固化剂分子间的化学反应而实现环氧树脂的固化，同时利用改性水玻璃粉末受热体积会发生大倍率膨胀的特性，使得添加了改性水玻璃粉末的环氧树脂在加热条件下凝胶固化过程中形成疏松的多孔结构，从而降低了复合材料的密度。短纤维的加入保证了复合材料在大幅降低密度的同时力学性能没有发生明显的降低。轻质的特性使得环氧树脂复合材料的应用领域得以拓展，尤其是在汽车和建筑领域。

具体实施方式

本发明一种环氧树脂轻质复合材料按照以下方法制备，具体包括以下步骤：

步骤一、备料：按照表1所示重量份数进行备料；

其中使用的改性水玻璃粉末包括以下重量份数的组分：水玻璃100份、聚磷酸铵10–25份、去离子水20–40份和偶联剂0.5–5份；具体按照以下步骤制备而成：

S1、备料：按照表2重量份数进行备料；

其中使用的水玻璃的模数为3-3.7，波美度为37-40；模数为3-3.7的水玻璃按照本申请记载的方法进行改性后得到的改性粉末耐水性更好，强度更高，会对复合材料的耐水性和强度产生较大的影响；波美度为37-40的水玻璃较好的控制了改性水玻璃配方中硅酸钠的含量；

其中偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷和十二烷基三甲氧基硅烷中的一种或几种；

S2、将聚磷酸铵搅拌分散于去离子水中，得到聚磷酸铵分散液；

S3、将聚磷酸铵分散液和偶联剂搅拌加入到水玻璃中得到混合溶液；

S4、将S3所得的混合溶液于60℃条件下静置并干燥，得到改性水玻璃；

S5、将S4所得的改性水玻璃粉碎研磨成小于5μm的粉末。

步骤二、将改性水玻璃粉末、短纤维、固化剂、添加剂分散于环氧树脂中，混合均匀；

其中使用的短纤维为长度1mm-10mm的经过硅烷偶联剂表面处理的改性短纤维。短纤维为玻璃短纤维、碳纤维短纤维、玄武岩短纤维、芳纶短纤维和聚酰亚胺短纤维中的一种或几种。

其中使用的添加剂为UV-吸收剂、抗氧化剂、阻燃剂、脱模剂、消泡剂、纳米颗粒和稳定剂中的一种或多种。

步骤三、将混合物料填充至模具中，高温条件下制得环氧树脂基轻质复合材料；

使用的模具为树脂浇注体弯曲试样模具；

其中，模具的合模压力为2–8Mpa，模具均匀升温至95–100℃维持120min，然后升温至145–150℃维持120min，最后冷却至室温。

这里使用的是组合式的装置，一般选用钢模具即可，将混合物料倒入钢模具内，并将模具放入平板硫化机的两平板间进行合模，合模压力控制为2–8Mpa，控制平板硫化机上下加热板的加热温度满足上述要求即可。

表1制备实施例中各组分的重量份数

上述制备实施例中使用的环氧树脂为E51，固化剂为甲基四氢邻苯二甲酸酐。

表2各制备例中改性水玻璃粉末中各组分的重量份数

按照上述各重量份数的组分进行配比制得的轻质复合材料，进行基本的性能检测，具体的检测结果如表3所示。

其中弯曲强度的测试方法：根据国家标准GB/T 2567-2008提供的方法测定。材料密度的测试方法：根据国家标准GB/T 6343-2009提供的方法测定。

表3各制备例中制得的轻质复合材料的性能检测结果

由表3可见，按照本发明方法制得的环氧树脂轻质复合材料，弯曲强度基本满足应用所需，与市面上同等弯曲强度的环氧树脂材料相比，密度也降低了至少25％，真正实现了材料轻量化，对复合材料的轻量化开发及应用具有重要意义。既满足了材料强度的应用需求，又显著降低了材料密度，可广泛应用于汽车、建筑等领域，促进其向小型化、微型化发展。

对比实施例

以制备实施例4为对照组，设置实验组。实验组1未添加短纤维，其余组分的选择和配比与制备例4相同。实验组2为空白对照，未添加短纤维和改性水玻璃粉，其余组分的选择和配比与制备例4相同。实验组3仅添加了玻璃短纤维，用量与制备实施例4相同，但是没有经过改性处理，其余组分的选择和配比与制备例4相同。

按照相同的方法，制备环氧树脂复合材料，并将材料进行性能检测，具体的检测结果见表4。

表4对比例制得的复合材料的性能检测结果

	1	2	3
				密度g/cm<sup>3</sup>	0.83	1.19	0.87
弯曲强度MPa	64.6	124.2	93.3

由表4可见，与制备例4相比，仅仅未添加短纤维的实验组1，制得的复合材料的密度与制备例相似，但是弯曲强度仅有制备例制得的环氧树脂轻质复合材料的一半，已经无法满足材料的使用所需，说明短纤维可以有效增强复合材料的弯曲强度。而本申请中使用的是长度1mm-10mm经过硅烷偶联剂表面处理的短纤维，短纤维在复合材料中的分散性较好，不会影响环氧树脂的成孔，同时增强复合材料的强度，避免材料密度降低时强度明显降低。

由实验组3可见，添加了常规短纤维的复合材料，因玻璃纤维未经过硅烷偶联剂的表面改性处理，制得的复合材料的弯曲强度仅有93.3MPa，与常规短纤维相比，改性短纤维对复合材料强度的维持更有优势。

作为空白对照的实验组2，未添加短纤维和改性水玻璃粉，密度明显高于添加了改性水玻璃粉的对照组至少25％，而强度与制备例4相近。在环氧树脂中添加改性水玻璃粉会导致环氧树脂的密度和强度在一定程度内降低，而纤维的加入，正是为了保证在树脂密度降低的同时，最终复合材料的强度不会低于环氧树脂本身的强度。改性水玻璃粉可有效降低复合材料的密度。这是由于改性水玻璃粉末受热体积会发生大倍率膨胀，使得添加了改性水玻璃粉末的环氧树脂在加热条件下凝胶固化过程中形成疏松的多孔结构，从而降低了复合材料的密度。与常规发泡剂相比，改性水玻璃粉在受热膨胀降低复合材料密度的同时其自身形成的骨架也能为复合材料提供一定的强度，这是常规发泡剂所不能提供的。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，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作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 (9)

1.一种环氧树脂轻质复合材料，其特征在于：包括以下重量份数的组分：环氧树脂100份、改性水玻璃粉末4.5–8份、短纤维5–25份、固化剂80–85份和添加剂3份，所述改性水玻璃粉末包括以下重量份数的组分：水玻璃100份、聚磷酸铵10–25份、去离子水20–40份和偶联剂0.5–5份。

2.根据权利要求1所述的一种环氧树脂轻质复合材料，其特征在于：所述水玻璃的模数为3-3.7，波美度为37-40。

3.根据权利要求1所述的一种环氧树脂轻质复合材料，其特征在于：所述偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷和十二烷基三甲氧基硅烷中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种环氧树脂轻质复合材料，其特征在于：所述短纤维为玻璃短纤维、碳纤维短纤维、玄武岩短纤维、芳纶短纤维和聚酰亚胺短纤维中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的一种环氧树脂轻质复合材料，其特征在于：所述短纤维为长度1mm-10mm的经过硅烷偶联剂表面处理的改性短纤维。

6.根据权利要求1所述的一种环氧树脂轻质复合材料，其特征在于：所述添加剂为UV-吸收剂、抗氧化剂、阻燃剂、脱模剂、消泡剂、纳米颗粒和稳定剂中的一种或多种。

7.权利要求1-6任意一项所述的一种环氧树脂轻质复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、备料：按照以下重量份数进行备料：

环氧树脂100份、改性水玻璃粉末4.5–8份、短纤维5–25份、固化剂80–85份和添加剂3份；所述改性水玻璃粉末包括以下重量份数的组分：水玻璃100份、聚磷酸铵10–25份、去离子水20–40份和偶联剂0.5–5份；

步骤二、将改性水玻璃粉末、短纤维、固化剂、添加剂分散于环氧树脂中，混合均匀；

步骤三、将混合物料填充至模具中，高温条件下制得环氧树脂基轻质复合材料。

8.根据权利要求7所述的一种环氧树脂轻质复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三中模具的合模压力为2–8Mpa，模具均匀升温至95–100℃维持120min，然后升温至145–150℃维持120min，最后冷却至室温。

9.根据权利要求7所述的一种环氧树脂轻质复合材料的制备方法，其特征在于：所述改性水玻璃粉末，具体按照以下方法制备而成：

S1、备料：按照以下重量份数进行备料：水玻璃100份、聚磷酸铵10–25份、去离子水20–40份和偶联剂0.5–5份；

S2、将聚磷酸铵搅拌分散于去离子水中，得到聚磷酸铵分散液；

S3、将聚磷酸铵分散液和偶联剂搅拌加入到水玻璃中得到混合溶液；

S4、将S3所得的混合溶液于60℃条件下静置并干燥，得到改性水玻璃；

S5、将S4所得的改性水玻璃粉碎研磨成小于5μm的粉末。