CN113278185B - 一种制备表面疏水聚酰亚胺复合材料的方法 - Google Patents

一种制备表面疏水聚酰亚胺复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种制备表面疏水聚酰亚胺树脂基复合材料的方法，该方法在亚胺化后的聚酰亚胺预浸料预制坯体表面铺贴聚四氟乙烯纤维布，聚酰亚胺复合材料完成升温固化的同时，聚四氟乙烯纤维布表面聚四氟乙烯向复合材料表面转移，形成疏水性表面，制备方法简单、高效。聚四氟乙烯向复合材料表面的转移是通过匹配聚酰亚胺预浸料树脂基体的粘度/固化特性与聚四氟乙烯的熔点实现的；同时，可利用聚四氟乙烯纤维布的透气性实现聚酰亚胺预浸料升温过程中挥发份的排除，提升复合材料成型品质。本发明可用于制备表面疏水/耐高温聚酰亚胺复合材料，可为航空发动机和飞行器等先进装备防(水)冰/耐高温部件轻量化提供材料方案。

Description

一种制备表面疏水聚酰亚胺复合材料的方法
技术领域
本发明是一种制备表面疏水聚酰亚胺复合材料的方法，属于复合材料领域。
背景技术
聚酰亚胺复合材料是以聚酰亚胺树脂为基体、以碳纤维等纤维为增强体的树脂基复合材料，其耐热性优异，是航空航天等高技术领域的理想耐高温材料。水性环境是聚酰亚胺复合材料应用过程中的常见工况，水在复合材料表面的附着对复合材料性能产生不利影响，包括：(1)水会减弱复合材料纤维/树脂界面，影响复合材料界面性能；(2)水会对树脂基体分子链产生增塑效果，影响树脂基体耐热性能；(3)水在低温下结冰对装备带来增重。为了降低水性环境对聚酰亚胺复合材料性能的不利影响，有必要提高复合材料的表面疏水性。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种制备表面疏水聚酰亚胺复合材料的方法，其目的是获得表面疏水/耐高温一体化树脂基复合材料。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种制备表面疏水聚酰亚胺树脂基复合材料的方法的步骤如下：
步骤一、将聚酰亚胺预浸料铺贴成预制坯体，升温热处理，得到亚胺化坯体；
所述聚酰亚胺预浸料的树脂基体为热固性聚酰亚胺树脂基体，所述热固性聚酰亚胺树脂在330℃～400℃之间的粘度不高于1500Pa·s；
步骤二、将聚四氟乙烯纤维布铺贴于步骤一得到的亚胺化坯体表面，采用热压工艺固化成型，得到固化复合材料；
所述聚四氟乙烯纤维布中，纤维选自玻璃纤维、碳纤维或聚酰亚胺纤维中的一种或多种，纤维布的面密度为30g/m2～400g/m2，纤维布中的纤维质量含量为20％～90％；
所述热压工艺的成型压力不低于0.1MPa，保压温度区间包含热固性聚酰亚胺树脂粘度不高于1500Pa·s的温度点；
步骤三、降温后除去步骤二得到的固化复合材料表面的聚四氟乙烯纤维布，得到表面疏水的聚酰亚胺树脂基复合材料。
在实施中，所述聚酰亚胺预浸料的纤维增强体为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和聚酰亚胺纤维中的一种或几种的混合物；
在实施中，步骤一中所述热固性聚酰亚胺树脂在330℃～360℃之间的最低粘度不高于350Pa·s。
在实施中，步骤一中所述热固性聚酰亚胺封端剂选自4-苯乙炔苯酐、4-苯乙炔苯胺或降冰片烯二酸酐。
在实施中，步骤二中所述聚四氟乙烯纤维布的面密度为50g/m2～200g/m2，纤维布中的纤维质量含量为35％～75％。
在实施中，步骤二中所述热压工艺的最高固化温度为360℃～380℃。
在实施中，步骤二中所述热压工艺的成型压力为0.5MPa～3MPa。
在实施中，步骤二中所述热压工艺为模压成型工艺或热压罐成型工艺。
本发明技术方案是在亚胺化后的聚酰亚胺预浸料预制坯体表面铺贴聚四氟乙烯纤维布，聚酰亚胺复合材料完成升温固化的同时，聚四氟乙烯纤维布表面聚四氟乙烯向复合材料表面转移，形成疏水性表面。聚四氟乙烯向复合材料表面的转移是通过匹配聚酰亚胺预浸料树脂基体的粘度/固化特性与聚四氟乙烯的熔点实现的；同时，利用聚四氟乙烯纤维布的透气性实现聚酰亚胺预浸料升温过程中挥发份的排除，提升复合材料成型品质。
本发明技术方案的优点是本发明可同时实现聚酰亚胺复合材料的无缺陷成型和表面疏水性能，制备方法简单、高效，具体包括：
(1)聚四氟乙烯纤维布具有透气性，可以实现聚酰亚胺预浸料升温过程中挥发份的排除，从而避免复合材料内部孔隙等缺陷的产生。
(2)通过使聚酰亚胺预浸料树脂基体低粘度温度点和固化温度与聚四氟乙烯熔点相匹配，实现聚四氟乙烯纤维布表面聚四氟乙烯向复合材料表面的转移，从而同步完成复合材料的固化成型和实现表面疏水性。聚四氟乙烯熔点在327℃左右，当聚酰亚胺预浸料树脂基体在330℃-400℃之间具有较低的粘度时，在不低于330℃的温度下成型，可促进聚四氟乙烯分子链与聚酰亚胺树脂分子链之间的相互扩散缠结，从而在完成复合材料固化的同时，实现聚四氟乙烯纤维布表面聚四氟乙烯向复合材料表面的转移，并形成良好的表面疏水层/复合材料界面强度。
(3)本发明所制备复合材料兼具表面疏水性能和耐高温性能，是航空发动机和飞行器等先进装备防(水)冰/耐高温部件实现轻量化的理想材料。
附图说明
图1为实施例1中制备的表面疏水聚酰亚胺树脂基复合材料接触度的照片
图2为对比例1中制备的表面疏水聚酰亚胺树脂基复合材料接触度的照片
图3为实施例1中制备的表面疏水聚酰亚胺树脂基复合材料超声无损检测结果示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施例中制备表面疏水聚酰亚胺树脂基复合材料的方法的步骤如下：
步骤1：将聚酰亚胺预浸料铺贴成预制坯体，升温至200℃热处理2h，得到亚胺化坯体；聚酰亚胺预浸料树脂基体为苯乙炔基封端的含氟型热固性聚酰亚胺树脂，封端剂为4-苯乙炔苯酐，在340℃时的粘度为240Pa·s；聚酰亚胺预浸料纤维增强体为T800碳纤维；
步骤2：将聚四氟乙烯纤维布铺贴于步骤1所述亚胺化坯体表面，采用热压罐工艺固化成型，得到固化复合材料；聚四氟乙烯纤维布中的纤维为玻璃纤维，纤维布的面密度为60g/m2，纤维布的质量含量为40％；成型压力为2.5MPa；保压温度区间为330℃-380℃；最高固化温度为380℃，时间为2h；
步骤3：降温后除去步骤2所述固化复合材料表面的有孔聚四氟乙烯涂层玻璃纤维布，得到表面疏水聚酰亚胺树脂基复合材料。
本实施例所得到的聚酰亚胺树脂基复合材料的接触角为123°，具有表面疏水性。表面疏水层与复合材料结合紧密，无法剥离。经超声无损检测，复合材料内部无分层等缺陷。如附图1所示。
实施例2：
本实施例中制备表面疏水聚酰亚胺树脂基复合材料的方法的步骤如下：
步骤1：将聚酰亚胺预浸料铺贴成预制坯体，升温至200℃热处理2h，得到亚胺化坯体；聚酰亚胺预浸料树脂基体为降冰片烯基封端的二苯醚四甲酸二酐-醚二胺型聚酰亚胺树脂热固性聚酰亚胺树脂，封端剂为降冰片烯二酸酐，在330℃时的粘度为500Pa·s；聚酰亚胺预浸料纤维增强体为T300碳纤维；
步骤2：将聚四氟乙烯纤维布铺贴于步骤1所述亚胺化坯体表面，采用模压工艺固化成型，得到固化复合材料；聚四氟乙烯纤维布中的纤维为玻璃纤维，纤维布的面密度为100g/m2，纤维布的质量含量为45％；成型压力为2.0MPa；保压温度区间为280℃-350℃；最高固化温度为350℃，时间为2h；
步骤3：降温后除去步骤2所述固化复合材料表面的有孔聚四氟乙烯涂层玻璃纤维布，得到表面疏水聚酰亚胺树脂基复合材料。
本实施例所得到的聚酰亚胺树脂基复合材料的接触角为135°，具有表面疏水性。表面疏水层与复合材料结合紧密，无法剥离。经超声无损检测，复合材料内部无分层等缺陷。
对比例1：
与对比例1相比，步骤2中亚胺化坯体不铺贴聚四氟乙烯纤维布，将亚胺化坯体直接采用热压罐工艺固化成型，其他过程和参数相同。
本对比例所得到的聚酰亚胺树脂基复合材料的接触角为83°，不具有表面疏水性。经超声无损检测，复合材料内部无分层等缺陷。
实施例和对比例聚酰亚胺复合材料品质及表面接触角见表1。实施例1和实施例2采用本发明所述技术方案制备聚酰亚胺复合材料，表面接触角分别达到123°和120°，与聚四氟乙烯本体接触角(118°)相当，相对于普通聚酰亚胺复合材料(对比例1)接触角提高40°，表现出良好疏水性。同时，本发明所述技术方案制备的表面疏水聚酰亚胺复合材料，品质优异，无分层等内部缺陷，如图3所示，内部品质良好，蓝色至黑色，存在分层缺陷，且表面疏水层与复合材料结合紧密。上述结果表明本发明可同时实现聚酰亚胺复合材料的无缺陷成型和表面疏水性能，结合聚酰亚胺复合材料自身优异的耐热性能，可为航空发动机和飞行器等先进装备防(水)冰/耐高温部件的轻量化提供技术方案。
表1实施例与对比例聚酰亚胺复合材料品质及表面接触度
Figure BDA0003089450340000051

Claims (5)

1.一种制备表面疏水聚酰亚胺树脂基复合材料的方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、将聚酰亚胺预浸料铺贴成预制坯体，升温热处理，得到亚胺化坯体；
所述聚酰亚胺预浸料的树脂基体为热固性聚酰亚胺树脂基体，所述热固性聚酰亚胺树脂在330℃～400℃之间的粘度不高于1500Pa·s；
步骤二、将聚四氟乙烯纤维布铺贴于步骤一得到的亚胺化坯体表面，采用热压工艺固化成型，得到固化复合材料；
所述热压工艺的最高固化温度为360℃～380℃；
所述聚四氟乙烯纤维布中，纤维选自玻璃纤维、碳纤维或聚酰亚胺纤维中的一种或多种，纤维布的面密度为30g/m2～400g/m2，纤维布中的纤维质量含量为20％～90％；
所述热压工艺的成型压力为0.5MPa～3MPa，保压温度区间包含热固性聚酰亚胺树脂粘度不高于1500Pa·s的温度点；
步骤三、降温后除去步骤二得到的固化复合材料表面的聚四氟乙烯纤维布，得到表面疏水的聚酰亚胺树脂基复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备表面疏水聚酰亚胺树脂基复合材料的方法，其特征在于：步骤一中所述热固性聚酰亚胺树脂在330℃～360℃之间的最低粘度不高于350Pa·s。
3.根据权利要求1所述的制备表面疏水聚酰亚胺树脂基复合材料的方法，其特征在于：步骤一中所述热固性聚酰亚胺封端剂选自4-苯乙炔苯酐、4-苯乙炔苯胺或降冰片烯二酸酐。
4.根据权利要求1所述的制备表面疏水聚酰亚胺树脂基复合材料的方法，其特征在于：步骤二中所述聚四氟乙烯纤维布的面密度为50g/m2～200g/m2，纤维布中的纤维质量含量为35％～75％。
5.根据权利要求1所述的制备表面疏水聚酰亚胺树脂基复合材料的方法，其特征在于：步骤二中所述热压工艺为模压成型工艺或热压罐成型工艺。
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