CN112646284A - 一种高强度高分子碳纤维复合建筑模板的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度高分子碳纤维复合建筑模板的制备方法，首先分别进行碳纤维增强树脂预浸料层以及玻璃纤维增强树脂预浸料层的制备，并进行一定角度的交错叠放，形成网状的交错结构，有效增强整体的复合材料的强度和韧性。且使用的树脂采用热塑性树脂为主料，并添加了强度较高的聚碳酸酯树脂，耐冲击性能好，折射率高，加工性能好，不需要添加剂就具有UL94V‑0级阻燃性能；用作建筑模板中时具有更好的阻燃性能。增强剂选择多壁纳米管以及改性纳米复合材料，对建筑模板的强度、弹性、韧度，抗冲击性能都具有一定的促进作用。

Description

一种高强度高分子碳纤维复合建筑模板的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉碳纤维复合建筑模板的制备领域，尤其涉及一种高强度高分子碳纤维复合建筑模板的制备方法。
背景技术
目前市场上长期使用的建筑模板都是木制、钢模板、铝模板。木制模板便宜使用方便但使用时间不长就容易报废，再说从保护自然环境来说，过渡砍伐森林会造成自然环境失衡，且保存和运输也不是方便，钢模板、铝模板不具备防腐性，容易与水泥发生反应，所以在水泥浇注之前，钢、铝合金模板表面都必须刷油漆防止腐蚀，既不环保又增加成本，钢、铝合金模板一旦刷油不均匀遗漏，就会导致模板与水泥凝固在一起，从而使模板在拆卸时变形或报废。
此外，由于现在对于建筑材料轻量化的需求更为广泛，碳纤维材料由于其本身的特很受欢迎，碳与钛、钢、铝等金属材料相比，碳纤维材料具有量轻、强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点，用作建筑模板的增强材料会明显提高其性能，但是碳纤维材料也有一定的缺点，在建筑模板的制备过程中通常有一些高温处理过程，会对碳纤维材料的强度造成一定程度的降低，如何制备出一种高强度的高分子碳纤维复合建筑模板值得探讨。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供了一种有效提升模板强度和力学性能的高强度高分子碳纤维复合建筑模板的制备方法及其应用。
技术方案：为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种高强度高分子碳纤维复合建筑模板的制备方法，包括如下步骤：
（1）碳纤维增强树脂预浸料层的制备：按重量份称取45-55份热塑性树脂、0.2-0.6份固化剂、0.5-0.8份促进剂、3-5份的多壁纳米管、1-3份的改性纳米复合材料混合均匀后加入挤出机中，采用交错开合双挤出模头组挤出，在模头处与经过多个机械辊压展纤后的70-80份的碳纤维束进行浸润复合，再经过辊压成型，以辊筒缠绕卷曲方式制成碳纤维增强树脂预浸料；
（2）玻璃纤维增强树脂预浸料层的制备：按重量份称取45-55份热塑性树脂、0.2-0.6 份固化剂、0.5-0.8份促进剂、3-5份的多壁纳米管、1-3份的改性纳米复合材料混合均匀后加入挤出机中，采用交错开合双挤出模头组挤出，在模头处与经过多个机械辊压展纤后的50-60份的短切玻璃纤维束进行浸润复合，再经过辊压成型，以辊筒缠绕卷曲方式制成玻璃纤维增强树脂预浸料；
（3）将碳纤维增强树脂预浸料进行裁剪，按照其中碳纤维的方向以 0° /90°的方式进行铺放，形成碳纤维增强树脂预浸料层；对玻璃纤维增强树脂预浸料进行裁剪，与碳纤维增强树脂预浸料以层为单位交错叠放，其中玻璃纤维的方向以30°/120°的方式进行铺放，相邻两层铺设胶膜层；
（4）铺放完成后进行热成型，脱模，完成复核建筑模板的制备。
更进一步的，所述热塑性树脂包括质量比为20:1的PVC树脂和聚碳酸酯树脂。以PVC树脂为主料，并添加了强度较高的聚碳酸酯树脂，耐冲击性能好，折射率高，加工性能好，不需要添加剂就具有UL94V-0级阻燃性能；用作建筑模板中时具有更好的阻燃性能。
更进一步的，所述固化剂为双氰胺100S、DDA-5中的一种。
更进一步的，所述促进剂为有机脲U-24M、UR500中的一种。
更进一步的，所述改性纳米复合材料的制备方法如下：将长链α-烯烃和甲基二氯硅烷按1:1的摩尔比发生硅氢加成反应后，用表面处理剂对产物进行处理；将产物和表面处理剂按100:（1-3）的质量比加入到粉体表面改性设备中，对产物进行表面包覆处理。
长链烯烃引入至有机硅中，增加其更好的脱模性以及对有机材料的亲和性，再进行表面包覆处理改性后，在利用有机硅材料对树脂进行增强的同时对树脂起到增韧作用，改善其抗冲击性能。
更进一步的，所述表面改性剂为邻苯二甲酸。
更进一步的，步骤（1）所用碳纤维为含碳量在90%以上的高模量高强度碳纤维。
更进一步的，所述碳纤维增强树脂预浸料层的厚度为1.2-2.5mm；所述玻璃纤维增强树脂预浸料层的厚度为0.5-0.8mm；所述胶膜层的厚度为0.2mm。
更进一步的，所述碳纤维增强树脂预浸料层的层数为5层；所述玻璃纤维增强树脂预浸料层为4层。
本发明还公开了一种复合建筑模板的应用。
有益效果：
1）树脂采用热塑性树脂为主料，并添加了强度较高的聚碳酸酯树脂，耐冲击性能好，折射率高，加工性能好，不需要添加剂就具有UL94V-0级阻燃性能；用作建筑模板中时具有更好的阻燃性能。
2）预浸料中使用了多壁纳米管作为增强剂，前者既具有碳素材料的固有本性，又具有金属材料的导电和导热性，陶瓷材料的耐热和耐腐蚀性，纺织纤维的可编织性，以及高分子材料的轻质、易加工性；作为复合材料增强体，对建筑模板的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性都具有促进作用。
3）预浸料中采用改性纳米复合材料作为增强剂，长链烯烃引入至有机硅中，增加其更好的脱模性以及对有机材料的亲和性，再进行表面包覆处理改性后，在利用有机硅材料对树脂进行增强的同时对树脂起到增韧作用，改善其抗冲击性能。
4）将碳纤维增强树脂预浸料层与玻璃纤维增强树脂预浸料层交错以30°的角度进行叠放，两种纤维形成网状的交错结构，有效增强整体的复合材料的强度和韧性。
具体实施方式
下面结合实施方式对本发明作进一步详细说明：
实施例1：
一种高强度高分子碳纤维复合建筑模板的制备方法，包括如下步骤：
（1）碳纤维增强树脂预浸料层的制备：按重量份称取45份热塑性树脂、0.2份双氰胺100S、0.5份有机脲U-24M、3份的多壁纳米管、1份的改性纳米复合材料混合均匀后加入挤出机中，采用交错开合双挤出模头组挤出，在模头处与经过多个机械辊压展纤后的70份的碳纤维束进行浸润复合，再经过辊压成型，以辊筒缠绕卷曲方式制成碳纤维增强树脂预浸料；
（2）玻璃纤维增强树脂预浸料层的制备：按重量份称取45份热塑性树脂、0.2份双氰胺100S、0.5份有机脲U-24M、3份的多壁纳米管、1份的改性纳米复合材料混合均匀后加入挤出机中，采用交错开合双挤出模头组挤出，在模头处与经过多个机械辊压展纤后的50份的短切玻璃纤维束进行浸润复合，再经过辊压成型，以辊筒缠绕卷曲方式制成玻璃纤维增强树脂预浸料；
（3）将碳纤维增强树脂预浸料进行裁剪，按照其中碳纤维的方向以 0° /90°的方式进行铺放，形成碳纤维增强树脂预浸料层；对玻璃纤维增强树脂预浸料进行裁剪，与碳纤维增强树脂预浸料以层为单位交错叠放，其中玻璃纤维的方向以30°/120°的方式进行铺放，相邻两层铺设胶膜层；
（4）铺放完成后进行热成型，脱模，完成复核建筑模板的制备。
其中，所述热塑性树脂包括质量比为20:1的PVC树脂和聚碳酸酯树脂。所述改性纳米复合材料的制备方法如下：将长链α-烯烃和甲基二氯硅烷按1:1的摩尔比发生硅氢加成反应后，用表面处理剂邻苯二甲酸对产物进行处理；将产物和表面处理剂按100:1的质量比加入到粉体表面改性设备中，对产物进行表面包覆处理。步骤（1）所用碳纤维为含碳量在90%以上的高模量高强度碳纤维。
所述碳纤维增强树脂预浸料层的厚度为1.2mm；所述玻璃纤维增强树脂预浸料层的厚度为0.5mm；所述胶膜层的厚度为0.2mm。所述碳纤维增强树脂预浸料层的层数为5层；所述玻璃纤维增强树脂预浸料层为4层。
实施例2：
一种高强度高分子碳纤维复合建筑模板的制备方法，包括如下步骤：
（1）碳纤维增强树脂预浸料层的制备：按重量份称取55份热塑性树脂、.6份双氰胺100S、0.8份有机脲U-24M、5份的多壁纳米管、3份的改性纳米复合材料混合均匀后加入挤出机中，采用交错开合双挤出模头组挤出，在模头处与经过多个机械辊压展纤后的80份的碳纤维束进行浸润复合，再经过辊压成型，以辊筒缠绕卷曲方式制成碳纤维增强树脂预浸料；
（2）玻璃纤维增强树脂预浸料层的制备：按重量份称取55份热塑性树脂、0.6 份双氰胺100S、0.8份有机脲U-24M、5份的多壁纳米管、3份的改性纳米复合材料混合均匀后加入挤出机中，采用交错开合双挤出模头组挤出，在模头处与经过多个机械辊压展纤后的60份的短切玻璃纤维束进行浸润复合，再经过辊压成型，以辊筒缠绕卷曲方式制成玻璃纤维增强树脂预浸料；
（3）将碳纤维增强树脂预浸料进行裁剪，按照其中碳纤维的方向以 0° /90°的方式进行铺放，形成碳纤维增强树脂预浸料层；对玻璃纤维增强树脂预浸料进行裁剪，与碳纤维增强树脂预浸料以层为单位交错叠放，其中玻璃纤维的方向以30°/120°的方式进行铺放，相邻两层铺设胶膜层；
（4）铺放完成后进行热成型，脱模，完成复核建筑模板的制备。
其中，所述热塑性树脂包括质量比为20:1的PVC树脂和聚碳酸酯树脂。所述改性纳米复合材料的制备方法如下：将长链α-烯烃和甲基二氯硅烷按1:1的摩尔比发生硅氢加成反应后，用表面处理剂邻苯二甲酸对产物进行处理；将产物和表面处理剂按100:3的质量比加入到粉体表面改性设备中，对产物进行表面包覆处理。步骤（1）所用碳纤维为含碳量在90%以上的高模量高强度碳纤维。
所述碳纤维增强树脂预浸料层的厚度为2.5mm；所述玻璃纤维增强树脂预浸料层的厚度为0.8mm；所述胶膜层的厚度为0.2mm。所述碳纤维增强树脂预浸料层的层数为5层；所述玻璃纤维增强树脂预浸料层为4层。
实施例3：
一种高强度高分子碳纤维复合建筑模板的制备方法，包括如下步骤：
（1）碳纤维增强树脂预浸料层的制备：按重量份称取50份热塑性树脂、0.4份双氰胺100S、0.65份有机脲U-24M、4份的多壁纳米管、2份的改性纳米复合材料混合均匀后加入挤出机中，采用交错开合双挤出模头组挤出，在模头处与经过多个机械辊压展纤后的75份的碳纤维束进行浸润复合，再经过辊压成型，以辊筒缠绕卷曲方式制成碳纤维增强树脂预浸料；
（2）玻璃纤维增强树脂预浸料层的制备：按重量份称取50份热塑性树脂、0.4 份双氰胺100S、0.65份有机脲U-24M、4份的多壁纳米管、2份的改性纳米复合材料混合均匀后加入挤出机中，采用交错开合双挤出模头组挤出，在模头处与经过多个机械辊压展纤后的55份的短切玻璃纤维束进行浸润复合，再经过辊压成型，以辊筒缠绕卷曲方式制成玻璃纤维增强树脂预浸料；
（3）将碳纤维增强树脂预浸料进行裁剪，按照其中碳纤维的方向以 0° /90°的方式进行铺放，形成碳纤维增强树脂预浸料层；对玻璃纤维增强树脂预浸料进行裁剪，与碳纤维增强树脂预浸料以层为单位交错叠放，其中玻璃纤维的方向以30°/120°的方式进行铺放，相邻两层铺设胶膜层；
（4）铺放完成后进行热成型，脱模，完成复核建筑模板的制备。
其中，所述热塑性树脂包括质量比为20:1的PVC树脂和聚碳酸酯树脂。所述改性纳米复合材料的制备方法如下：将长链α-烯烃和甲基二氯硅烷按1:1的摩尔比发生硅氢加成反应后，用表面处理剂邻苯二甲酸对产物进行处理；将产物和表面处理剂按100:2的质量比加入到粉体表面改性设备中，对产物进行表面包覆处理。步骤（1）所用碳纤维为含碳量在90%以上的高模量高强度碳纤维。
所述碳纤维增强树脂预浸料层的厚度为2mm；所述玻璃纤维增强树脂预浸料层的厚度为0.7mm；所述胶膜层的厚度为0.2mm。所述碳纤维增强树脂预浸料层的层数为5层；所述玻璃纤维增强树脂预浸料层为4层。
对比例1：
与实施例3基本相同，不同之处并不包括玻璃纤维增强树脂预浸料层；采用的是多层碳纤维增强树脂预浸料层无交错角度的叠放。
对比例2：
与实施例3基本相同，不同之处是热塑性树脂仅包含PVC树脂。
对比例3：
与实施例3基本相同，不同之处是增强剂不包括多碳纳米管。
对比例4：
与实施例3基本相同，不同之处是增强剂不包括改性纳米复合材料。
对比例5：
与实施例3基本相同，不同之处是增强剂不包括多碳纳米管、改性纳米复合材料，使用的是普通增强剂炭黑。
性能测试：
取上述实施例1-3以及对比例1-5制备的建筑模板进行性能测试，如表1所示：
表1： 性能测试结果
性能 弯曲性能（MPa） 弯曲模量（GP） 抗伸断裂强度（MPa） 冲击强度（KJ/m<sup>2</sup>）
测试方法 GB/T9341-2000 GB/T9341-2000 GB/T1040-2006 JG 149-2003
实施例1 255 10 265 200
实施例2 260 11 268 202
实施例3 265 13 278 210
对比例1 240 9 235 160
对比例2 248 10 260 195
对比例3 250 11 235 156
对比例4 255 11 230 155
对比例5 250 10 225 145
从上表数据可看出，本发明一种高强度高分子碳纤维复合建筑模板的制备方法制备的复合建筑模板在弯曲性能，弯曲模量，抗伸断裂强度，冲击强度，以及阻燃性能上都具有明显的优势。尤其是经过几个对比例的对比可以看出，树脂采用热塑性树脂为主料，并添加了强度较高的聚碳酸酯树脂，耐冲击性能好，折射率高，加工性能好，不需要添加剂就具有UL94V-0级阻燃性能；用作建筑模板中时具有更好的阻燃性能。多壁纳米管以及改性纳米复合材料作为增强剂，也有效的对树脂起到增韧作用，改善其抗冲击性能；并且将碳纤维增强树脂预浸料层与玻璃纤维增强树脂预浸料层交错以30°的角度进行叠放，两种纤维形成网状的交错结构，有效增强整体的复合材料的强度和韧性。
应当指出，以上具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种高强度高分子碳纤维复合建筑模板的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）碳纤维增强树脂预浸料层的制备：按重量份称取45-55份热塑性树脂、0.2-0.6 份固化剂、0.5-0.8份促进剂、3-5份的多壁纳米管、1-3份的改性纳米复合材料混合均匀后加入挤出机中，采用交错开合双挤出模头组挤出，在模头处与经过多个机械辊压展纤后的70-80份的碳纤维束进行浸润复合，再经过辊压成型，以辊筒缠绕卷曲方式制成碳纤维增强树脂预浸料；
（2）玻璃纤维增强树脂预浸料层的制备：按重量份称取45-55份热塑性树脂、0.2-0.6份固化剂、0.5-0.8份促进剂、3-5份的多壁纳米管、1-3份的改性纳米复合材料混合均匀后加入挤出机中，采用交错开合双挤出模头组挤出，在模头处与经过多个机械辊压展纤后的50-60份的短切玻璃纤维束进行浸润复合，再经过辊压成型，以辊筒缠绕卷曲方式制成玻璃纤维增强树脂预浸料；
（3）将碳纤维增强树脂预浸料进行裁剪，按照其中碳纤维的方向以 0° /90°的方式进行铺放，形成碳纤维增强树脂预浸料层；对玻璃纤维增强树脂预浸料进行裁剪，与碳纤维增强树脂预浸料以层为单位交错叠放，其中玻璃纤维的方向以30°/120°的方式进行铺放，相邻两层铺设胶膜层；
（4）铺放完成后进行热成型，脱模，完成复核建筑模板的制备。
2.根据权利要求1所述的高强度高分子碳纤维复合建筑模板的制备方法，其特征在于：所述热塑性树脂包括质量比为20:1的PVC树脂和聚碳酸酯树脂。
3.根据权利要求1所述的高强度高分子碳纤维复合建筑模板的制备方法，其特征在于：所述固化剂为双氰胺100S、DDA-5中的一种。
4.根据权利要求1所述的高强度高分子碳纤维复合建筑模板的制备方法，其特征在于：所述促进剂为有机脲U-24M、UR500中的一种。
5.根据权利要求1所述的高强度高分子碳纤维复合建筑模板的制备方法，其特征在于所述改性纳米复合材料的制备方法如下：将长链α-烯烃和甲基二氯硅烷按1:1的摩尔比发生硅氢加成反应后，用表面处理剂对产物进行处理；将产物和表面处理剂按100:（1-3）的质量比加入到粉体表面改性设备中，对产物进行表面包覆处理。
6.根据权利要求5所述的高强度高分子碳纤维复合建筑模板的制备方法，其特征在于：所述表面改性剂为邻苯二甲酸。
7.根据权利要求1所述的高强度高分子碳纤维复合建筑模板的制备方法，其特征在于：步骤（1）所用碳纤维为含碳量在90%以上的高模量高强度碳纤维。
8.根据权利要求1所述的高强度高分子碳纤维复合建筑模板的制备方法，其特征在于：所述碳纤维增强树脂预浸料层的厚度为1.2-2.5mm；所述玻璃纤维增强树脂预浸料层的厚度为0.5-0.8mm；所述胶膜层的厚度为0.2mm。
9.根据权利要求1所述的高强度高分子碳纤维复合建筑模板的制备方法，其特征在于：所述碳纤维增强树脂预浸料层的层数为5层；所述玻璃纤维增强树脂预浸料层为4层。
10.一种权利要求1-9中任一权利要求制备出的复合建筑模板的应用。
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