CN113321913B - 一种碳纤棉复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种碳纤棉复合材料及其制备方法，属于材料技术领域，它由重量百分比的如下原料组成：碳纤棉9‑15％，不饱和聚酯树脂70‑80％，云母粉3‑6％，空心玻璃微珠4‑7％，固化剂1‑5％。本发明的碳纤棉复合材料制备方法可以使得复合材料内芯和外层具有不同的物理性能，内外都达到所需要的功能效果，最终使得复合材料具有重量轻和良好的阻燃、耐高温隔热和抗冲击抗断裂性能，相较于传统玻纤复合材料碳纤棉复合材料重量降低30％以上。

Description

一种碳纤棉复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体为一种碳纤棉复合材料及其制备方法。

背景技术

玻璃钢材料，简称GFRP，也叫GRP或FRP，是一种热固性塑料，同时也是一种有机非金属材料，包含环氧(EP)、酚醛树脂(PF)等，起粘结作用，占总重量的65％-70％。GFRP的增强体是玻璃纤维，起增强作用，是一种无机非金属的人造无机纤维，如玻璃纤维、碳纤维等，大致占总重量的30％-35％。

玻璃钢材料(GFRP)拥有轻质高强、耐腐蚀等优点，一直以来被广泛应用于建筑、航空、汽车等多个邻域。

随着科技发展、社会对能源成本的越来越重视，更加的轻量化及某些特定使用环境的特殊性能的需求越来越大。传统GFRP已慢慢无法满足使用性能需求。

发明内容

本发明针对以上问题，本发明提供一种碳纤棉复合材料，具有重量轻和良好的阻燃、耐高温隔热和抗冲击抗断裂性能。相较于传统玻纤复合材料碳纤棉复合材料重量降低30％以上。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种碳纤棉复合材料，其特征在于，它由重量百分比的如下原料组成：碳纤棉9-15％，不饱和聚酯树脂70-80％，云母粉3-6％，空心玻璃微珠4-7％，固化剂1-5％。

作为上述碳纤棉复合材料的配方优化，它由重量百分比的如下原料组成：碳纤棉13％，不饱和聚酯树脂75％，云母粉4％，空心玻璃微珠5％，固化剂3％。

作为上述碳纤棉复合材料的优化改进，所述固化剂为过氧化甲基乙基甲酮。

作为上述碳纤棉复合材料的优化改进，所述不饱和聚酯树脂为994#预促进邻苯型不饱和聚酯树脂。

用于制备上述碳纤棉复合材料的方法，包括如下加工步骤：

1)在模具工作表面涂上脱模剂，将碳纤棉平铺在模具工作表面上；

2)在碳纤棉上铺脱模布，使得脱膜布完整的覆盖住碳纤棉；

3)在脱模布上铺导流布，在导流布上分布有用于引流不饱和聚酯树脂的导流管；所述导流管与注胶管连接；

4)采用真空袋膜将所有已铺材料包裹在模具的工作面内；所述真空袋膜周边与模具密封连接形成密封腔体；

5)将不饱和聚酯树脂与固化剂、云母粉、空心玻璃微珠混合均匀，形成混合液；

6)对所述密封腔体抽真空后，利用密封腔体内的负压通过注胶管导入所述混合液，使得混合液完全浸润碳纤棉；

7)导入完成后，启动加热系统对模具进行加热，待产品完全固化后脱模，获得成品。

作为上述制备方法的进一步优化，步骤5)中，将不饱和聚酯树脂和固化剂分成两份，一份与云母粉混合均匀，另一份与空心玻璃微珠混合均匀，形成云母粉树脂混合液和空心玻璃微珠树脂混合液；步骤6)中，对所述密封腔体抽真空后，利用密封腔体内的负压通过注胶管先导入空心玻璃微珠树脂混合液，再导入云母粉树脂混合液，使得混合液完全浸润碳纤棉。

作为上述制备方法的进一步优化，步骤6)中，导入空心玻璃微珠树脂混合液后，待混合液被碳纤棉全部吸收后，再导入云母粉树脂混合液。

作为上述制备方法的进一步优化，在模具的工作面周边粘贴密封胶条，使得已铺好物料位于密封胶条形成的闭环内；所述真空袋膜的周边与密封胶条密封连接。

作为上述制备方法的进一步优化，所述脱模布为聚四氟乙烯材料。

作为上述制备方法的进一步优化，所述加热系统为水温机加热系统。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明采用抽真空方式先将密封腔体内空气抽尽，然后利用密封腔体内的负压自动导入不饱和聚酯树脂与云母粉和空心玻璃微珠及固化剂的混合体，使得不饱和聚酯树脂与云母粉和空心玻璃微珠自动完全浸润到碳纤棉里面；使得生产出来的本复合材料中，不饱和聚酯树脂及空心玻璃微珠和云母粉完全浸润到内芯中，同时不破坏碳纤棉的结构，大大提高了本复合材料的强度，使得本复合材料具有较高的阻燃性能，耐高温性能，且具有较好的隔音吸音性能，相较于传统玻纤复合材料，本发明的碳纤棉复合材料重量降低30％以上。特别适用于汽车客车的驾驶室、仪表台及车身蒙皮的制造。

2.本发明中的空心玻璃微珠为球状体，且质量轻，低导热，抗压强度大；其在流体中流动性大于云母粉，利用碳纤棉的多孔结构产生虹吸效果，使得空心玻璃微珠自动加快浸润到碳纤棉材料内芯中；利用云母粉为条形层状颗粒，其流动性要低于空心玻璃微珠，使得云母粉主要浸润在碳纤棉外围层；使得最终形成的碳纤棉复合材料由外层到内芯，空心玻璃微珠浸润越来越密集，而云母粉由内芯到外层浸润越来越密集，二者刚好相反；最终使得形成的碳纤棉复合材料具有内刚外柔的性能，隔热性能大大提高，既能提高复合材料的抗压强度又能提高其抗拉强度，使得板材不容易断裂，抗冲击效果大大加强，且质量又明显低于普通的玻璃钢材料。

3.本发明的制备方法中将不饱和聚酯树脂分成两份，分别掺入云母粉和空心玻璃微珠，在制备碳纤棉复合材料时，在负压状态下，先导入掺入空心玻璃微珠的不饱和聚酯树脂，再导入掺入云母粉的不饱和聚酯树脂，可以使得最终形成的碳纤棉复合材料中，空心玻璃微珠树脂集中在内芯中，云母粉不饱和聚酯树脂浸润在材料外围，形成更加明显的内刚外柔的性能，既能提高复合材料的抗压强度又能提高其抗拉强度，同时使得板材面层具有一定的弹性，能够吸收一定的碰撞冲击，实现吸能效果。

4.云母粉为长条形层状颗粒，在与复合材料结合时会自动贴合在复合材料上，使得复合材料外层的云母粉颗粒集中保持贴合状态，可以大大提高复合材料的阻燃耐高温绝缘性能，且使得复合材料表层具有一定的弹性，抗拉伸强度提高。

附图说明

图1为本发明制备方法示意图。

图中：1、模具；2、脱模剂；3、碳纤棉；4、脱模布；5、导流布；6、导流管；7、密封胶条；81、真空阀；82、快速接头；9、注胶管；10、真空袋膜。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

实施例一：

一种碳纤棉复合材料，它由重量百分比的如下原料组成：碳纤棉9-15％，不饱和聚酯树脂70-80％，云母粉3-6％，空心玻璃微珠4-7％，固化剂1-5％。

其中碳纤棉指的是碳纤维棉。

在上述实施例的基础上优化得实施例二：

一种碳纤棉复合材料，它由重量百分比的如下原料组成：碳纤棉9-15％，994#预促进邻苯型不饱和聚酯树脂70-80％，云母粉3-6％，空心玻璃微珠4-7％，过氧化甲基乙基甲酮1-5％。

其中，过氧化甲基乙基甲酮的分散性非常好。过氧化甲基乙基甲酮型号可以采用BUTANOX M-50。

其中，预促进是指预先加入了促进剂。

实施例三：

一种碳纤棉复合材料，它由重量百分比的如下原料组成：碳纤棉13％，994#预促进邻苯型不饱和聚酯树脂75％，云母粉4％，空心玻璃微珠5％，过氧化甲基乙基甲酮3％。

实施例四：

一种碳纤棉复合材料，它由重量百分比的如下原料组成：碳纤棉15％，994#预促进邻苯型不饱和聚酯树脂70％，云母粉6％，空心玻璃微珠7％，过氧化甲基乙基甲酮2％。

实施例五：

一种碳纤棉复合材料，它由重量百分比的如下原料组成：碳纤棉9％，994#预促进邻苯型不饱和聚酯树脂80％，云母粉3％，空心玻璃微珠3％，过氧化甲基乙基甲酮5％。

如图1所示，应用于上述实施例的一种碳纤棉复合材料的制备方法，包括如下加工步骤：

1)清洁模具1，在模具1工作表面均匀涂上脱模剂，将碳纤棉3平铺在模具1工作表面上；

2)在碳纤棉3上平铺好脱模布4，使得脱膜布4完整的覆盖住碳纤棉3，脱膜布4四边都需大于碳纤棉1；

3)在脱模布4上铺导流布5，在导流布5上分布有用于引流不饱和聚酯树脂的导流管6；所述导流管6与注胶管9连接；注胶管9另一端与不饱和聚酯树脂的储存源连接。

4)采用真空袋膜10将所有已铺材料包裹在模具1的工作面内；所述真空袋膜10周边与模具1周边密封连接形成密封腔体；

5)将不饱和聚酯树脂与固化剂、云母粉、空心玻璃微珠混合均匀，形成混合液；

6)在真空袋膜10处安装快速接头82，在快速接头82处安装真空阀81，快速接头82通过真空管连接真空泵，利用真空泵抽去腔体内的空气，使得密封腔体内气压降低到度0.08-0.1Mpa，打开注胶管9，通过注胶管9导入所述混合液，使得混合液完全浸润碳纤棉3；

7)导入完成后，启动加热系统对模具1进行加热，整个过程，包括固化过程，都要保持真空，避免气孔的产生，待产品完全固化后脱模，获得成品。

上述制备方法的原理在于：空心玻璃微珠为球状体，质轻，抗压强度高，分散性好，其在流体中流动性要大于云母粉，利用碳纤棉的多孔结构产生虹吸效果，使得空心玻璃微珠自动加快集中浸润到碳纤棉材料内芯中，来提高复合材料的抗压强度以及隔热防火性能。

云母粉为条形层状颗粒，其流动性要低于空心玻璃微珠，云母粉主要浸润在碳纤棉外围层；使得最终形成的碳纤棉复合材料由外层到内芯，空心玻璃微珠浸润越来越密集，而云母粉由内芯到外层浸润越来越密集，二者刚好相反；最终使得形成的碳纤棉复合材料具有内刚外柔的性能，既能提高复合材料的抗压强度又能提高其抗拉强度，使得板材不容易断裂，抗冲击效果大大加强，且质量又明显低于普通的玻璃钢材料。

如图1所示，应用于上述实施例的一种碳纤棉复合材料的制备方法，包括如下加工步骤：

1)清洁模具1，在模具1工作表面均匀涂上脱模剂，将碳纤棉3平铺在模具1工作表面上；

2)在碳纤棉3上平铺好脱模布4，使得脱膜布4完整的覆盖住碳纤棉3，脱膜布4四边都需大于碳纤棉1；

3)在脱模布4上铺导流布5，在导流布5上分布有用于引流不饱和聚酯树脂的导流管6；所述导流管6与注胶管9连接；注胶管9另一端与不饱和聚酯树脂的储存源连接。

4)采用真空袋膜10将所有已铺材料包裹在模具1的工作面内；所述真空袋膜10周边与模具1周边密封连接形成密封腔体；

5)步骤5)中，将不饱和聚酯树脂和固化剂分成两份，一份与云母粉混合均匀，另一份与空心玻璃微珠混合均匀，形成云母粉树脂混合液和空心玻璃微珠树脂混合液；

6)在真空袋膜10处安装快速接头82，在快速接头82处安装真空阀81，快速接头82通过真空管连接真空泵，利用真空泵抽去腔体内的空气，使得密封腔体内气压降低到度0.08-0.1Mpa，打开注胶管9，通过注胶管9先导入空心玻璃微珠树脂混合液，待混合液被碳纤棉3全部吸收后，再导入云母粉树脂混合液，使得混合液完全浸润碳纤棉3；

7)导入完成后，启动加热系统对模具1进行加热，整个过程，包括固化过程，都要保持真空，避免气孔的产生，待产品完全固化后脱模，获得成品。

上述制备方法中将不饱和聚酯树脂分成两份，分别掺入云母粉和空心玻璃微珠，在制备碳纤棉复合材料时，在负压状态下，先导入掺入空心玻璃微珠的不饱和聚酯树脂，再导入掺入云母粉的不饱和聚酯树脂，可以使得最终形成的碳纤棉复合材料中，空心玻璃微珠树脂集中在内芯中，云母粉不饱和聚酯树脂浸润在材料外围，形成更加明显的内刚外柔的性能，既能提高复合材料的抗压强度又能提高其抗拉强度，同时使得板材面层具有一定的弹性，能够吸收一定的碰撞冲击，实现吸能效果。

为了提高密封性，作为上述制备方法的优选实施例：在模具1的工作面周边粘贴密封胶条7，使得已铺好物料位于密封胶条7形成的闭环内；所述真空袋膜10的周边与密封胶条7密封连接。

为了防止粘接，作为上述制备方法的优选实施例：所述脱模布4为聚四氟乙烯材料，可以实现不粘性脱模。

为了提高导流布的高渗透性，作为上述制备方法的优选实施例：所述导流布5为聚丙烯材料。其中导流布5可以为网状。

为了提高加热的均匀性，作为上述制备方法的优选实施例：所述加热系统为水温机加热系统。水温计加热系统指的是通过循环热水在模具壁的管道内流动进行加热。

本发明制备出来的碳纤棉复合材料的性能与常规玻璃钢相比测试获得对比参数如下：

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种碳纤棉复合材料，其特征在于，它由重量百分比的如下原料组成：碳纤棉9-15％，不饱和聚酯树脂70-80％，云母粉3-6％，空心玻璃微珠4-8％，固化剂1-5％；

其制备方法，包括如下加工步骤：

1)在模具(1)工作表面涂上脱模剂，将碳纤棉(3)平铺在模具(1)工作表面上；

2)在碳纤棉(3)上铺脱模布(4)，使得脱膜布(4)完整的覆盖住碳纤棉(3)；

3)在脱模布(4)上铺导流布(5)，在导流布(5)上分布有用于引流不饱和聚酯树脂的导流管(6)；所述导流管(6)与注胶管(9)连接；

4)采用真空袋膜(10)将所有已铺材料包裹在模具(1)的工作面内；所述真空袋膜(10)周边与模具(1)密封连接形成密封腔体；

5)将不饱和聚酯树脂与固化剂、云母粉、空心玻璃微珠混合均匀，形成混合液；

6)对所述密封腔体抽真空后，利用密封腔体内的负压通过注胶管(9)导入所述混合液，使得混合液完全浸润碳纤棉(3)；

7)导入完成后，启动加热系统对模具(1)进行加热，待产品完全固化后脱模，获得成品；

步骤5)中，将不饱和聚酯树脂和固化剂分成两份，一份与云母粉混合均匀，另一份与空心玻璃微珠混合均匀，形成云母粉树脂混合液和空心玻璃微珠树脂混合液；

步骤6)中，对所述密封腔体抽真空后，利用密封腔体内的负压通过注胶管(9)先导入空心玻璃微珠树脂混合液，再导入云母粉树脂混合液，使得混合液完全浸润碳纤棉(3)。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤棉复合材料，其特征在于，它由重量百分比的如下原料组成：碳纤棉13％，不饱和聚酯树脂75％，云母粉4％，空心玻璃微珠5％，固化剂3％。

3.根据权利要求1所述的一种碳纤棉复合材料，其特征在于，所述固化剂为过氧化甲基乙基甲酮。

4.根据权利要求1所述的一种碳纤棉复合材料，其特征在于，所述不饱和聚酯树脂为994#预促进邻苯型不饱和聚酯树脂。

5.根据权利要求1所述的一种碳纤棉复合材料，其特征在于，步骤6)中，导入空心玻璃微珠树脂混合液后，待其被碳纤棉(3)全部吸收后，再导入云母粉树脂混合液。

6.根据权利要求1所述的一种碳纤棉复合材料，其特征在于，在模具(1)的工作面周边粘贴密封胶条(7)，使得已铺好物料位于密封胶条(7)形成的闭环内；所述真空袋膜(10)的周边与密封胶条(7)密封连接。

7.根据权利要求1所述的一种碳纤棉复合材料，其特征在于，所述脱模布(4)为聚四氟乙烯材料。

8.根据权利要求1所述的一种碳纤棉复合材料，其特征在于，所述加热系统为水温机加热系统。

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