CN113717411B - 一种抗冲击碳纤维复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及复合材料领域，公开了一种抗冲击碳纤维复合材料的制备方法，包括：通过空心锭子纺丝法将生丝包缠在碳纤维束表面，得到蚕丝/碳纤维包覆纱；将双酚A型环氧树脂和固化剂混合，真空脱泡后制得预制液；将蚕丝/碳纤维包覆纱放入模具中，并在蚕丝/碳纤维包覆纱两端施加张力；将预制液倒入模具中加热固化，制得复合材料。该复合材料具备优异的抗冲击性能，扩大了碳纤维复合材料的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料领域，尤其涉及一种抗冲击碳纤维复合材料的制备方法。
背景技术
碳纤维复合材料(CFRP)具有高比强度、低度和良好的耐腐蚀性能，广泛应用在航空航天、汽车制造、风力发电、高科技和休闲娱乐用品。尽管具有高强度和高模量的碳纤维可以显著提高聚合物基质的比强度，但是对复合材料的冲击强度提高却不显著，这就使得CFRP在许多方面的应用中存在缺陷，例如汽车防碰撞、飞机受到冰雹的袭击和鸟击，因为冲击破坏会显著降低复合材料的抗压强度，因此提高CFRP的冲击强度具有重要的意义。
通过提高纤维与基体之间的界面附着力来增加碳纤维复合材料的冲击强度是一种常用的方法，例如在碳纤维表面附着上浆剂、炭黑以及多壁碳纳米管等，但是不能改变碳纤维本身质脆的缺点，另一方面，对碳纤维的表面改性会破坏碳纤维的结构并且会消耗太多能源。
目前，碳纤维复合材料正朝着多功能化方向发展，因此，提高碳纤维复合材料的冲击强度有助于扩大碳纤维复合材料在不同领域的应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种抗冲击碳纤维复合材料的制备方法，本发明采用低成本的空心锭子纺丝法将生丝包覆在碳纤维束表面得到蚕丝/碳纤维包覆纱，随后制备出蚕丝/碳纤维复合材料，能显著提高碳纤维复合材料的冲击强度，有效扩大了碳纤维复合材料的应用领域。
本发明的具体技术方案为：
一种抗冲击碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
A、通过空心锭子纺丝法将生丝包缠在碳纤维束表面，得到蚕丝/碳纤维包覆纱。
B、将双酚A型环氧树脂和胺类固化剂混合，真空脱泡后制得预制液。
C、将蚕丝/碳纤维包覆纱放入模具中，并在蚕丝/碳纤维包覆纱两端施加10N的张力；将预制液倒入模具中加热固化，制得抗冲击碳纤维复合材料。
在上述方案中，本发明采用低成本的空心锭子纺丝法将生丝包覆在碳纤维束表面得到蚕丝/碳纤维包覆纱，随后将其浸渍与预制液中固化，制备出蚕丝/碳纤维复合材料，能显著提高碳纤维复合材料的冲击强度，可有效扩大碳纤维复合材料的应用领域。
天然纤维具有密度小、成本低和可降解特性，而作为动物纤维的蚕丝由内层的丝素蛋白和外层的丝胶蛋白组成，在强度、断裂伸长率以及能量吸收方面均表现出优异的性能，相较于其他合成纤维，蚕丝表面大量的羧基可与环氧树脂形成氢键和共价键，因此与环氧树脂基体的粘合性好。本发明中，经过生丝包缠后的碳纤维复合材料的冲击强度有了很大的提高，并且生丝的包缠度越大，冲击强度提高的越明显，这是由于当材料受到冲击载荷时，一部分能量被蚕丝吸收并阻碍了基体裂纹的扩展，另一方面，在复合材料收到低俗冲击的过程中，蚕丝可以限制碳纤维失效并抑制初级分层，因此冲击强度大大增加，使得碳纤维复合材料的应用更加广泛。
作为优选，步骤A中，所述生蚕丝规格为8.75dTex～23.3dTex。
作为优选，步骤A中，所述碳纤维束包含3000根碳纤维单丝。
作为优选，步骤A中，所述碳纤维束表面包覆1～2层生丝；所述碳纤维束表面的生丝单层包缠度为1750～2300圈/米。
作为优选，步骤B中，所述双酚A型环氧树脂与胺类固化剂的重量比为8-12∶3。
作为优选，步骤C中，所述模具中放置15-25束蚕丝/碳纤维包覆纱，并在其两端施加5-15N的张力。
作为优选，步骤C中，所述模具的长度为100mm，宽度为10mm，厚度为4mm。
作为优选，步骤C中，所述加热固化的条件为：固化温度为100～150℃，固化时间为180～200min。
一种上述方法制得的抗冲击碳纤维复合材料，所述抗冲击碳纤维复合材料中碳纤维体积分数为5.0-6.0％，生蚕丝的体积分数为1.4～5.2％。
与现有技术对比，本发明的有益效果是：本发明采用低成本的空心锭子纺丝法将生丝包覆在碳纤维束表面得到蚕丝/碳纤维包覆纱，随后制备出蚕丝/碳纤维复合材料，能显著提高碳纤维复合材料的冲击强度，有效扩大了碳纤维复合材料的应用领域。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
以下将通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
其中，复合材料的冲击强度由英斯特朗CEAST 9050冲击摆锤试验机根据标准ISO179-1：2010测得；具体测试结果见表1。
实施例1
本实施例的复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
一、蚕丝/碳纤维包覆纱的制备
选取规格为8.75dTex的生丝，通过空心锭子纺丝法，将生丝顺时针包覆在3k碳纤维束表面，使得碳纤维束表面的生丝包缠度为1750圈/米，制得蚕丝/碳纤维包覆纱。
二、树脂预制液的制备
将环氧当量为160～170g/eq的双酚A型环氧树脂与胺值为570～670mg NaOH/g的固化剂按照10∶3的质量比混合均匀，再真空脱泡10分钟，制得树脂预制液。
三、复合材料的制备
将步骤一制备的20束蚕丝/碳纤维包覆纱铺放在不锈钢模具中，模具长为100mm，宽为10mm，厚为4mm，并在包覆纱两端施加10N的张力。随后将步骤二制备的树脂预制液缓缓倒入模具中，先在100℃条件下固化180min，再在150℃条件下后固化20min，固化完成后脱模即制得复合材料。
实施例2
本实施例的复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
一、蚕丝/碳纤维包覆纱的制备
选取规格为8.75dTex、11.65dTex的生丝，之后采用空心锭子纺丝法，将规格为11.65dTex的生丝顺时针包覆在3k碳纤维束表面，使得碳纤维束表面内层生丝包缠度为1750圈/米；规格为8.75dTex的生丝逆时针包覆在已经包覆生丝的碳纤维束表面，使得碳纤维束表面外层生丝包缠度为1750圈/米，制得蚕丝/碳纤维包覆纱。
二、树脂预制液的制备
将环氧当量为160～170g/eq的双酚A型环氧树脂与胺值为570～670mg NaOH/g的固化剂按照10∶3的质量比混合均匀，再真空脱泡10分钟，制得树脂预制液。
三、复合材料的制备
将步骤一制备的20束蚕丝/碳纤维包覆纱铺放在不锈钢模具中，模具长为100mm，宽为10mm，厚为4mm，并在包覆纱两端施加10N的张力。随后将步骤二制备的树脂预制液缓缓倒入模具中，先在100℃条件下固化180min，再在150℃条件下后固化20min，固化完成后脱模即制得复合材料。
实施例3
本实施例的复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
一、蚕丝/碳纤维包覆纱的制备
选取规格为8.75dTex、11.65dTex的生丝，之后采用空心锭子纺丝法，将规格为11.65dTex的生丝顺时针包覆在3k碳纤维束表面，使得碳纤维束表面内层生丝包缠度为2300圈/米；规格为8.75dTex的生丝逆时针包覆在已经包覆生丝的碳纤维束表面，使得碳纤维束表面外层生丝包缠度为2100圈/米，制得蚕丝/碳纤维包覆纱。
二、树脂预制液的制备
将环氧当量为160～170g/eq的双酚A型环氧树脂与胺值为570～670mg NaOH/g的固化剂按照10∶3的质量比混合均匀，再真空脱泡10分钟，制得树脂预制液。
三、复合材料的制备
将步骤一制备的20束蚕丝/碳纤维包覆纱铺放在不锈钢模具中，模具长为100mm，宽为10mm，厚为4mm，并在包覆纱两端施加10N的张力。随后将步骤二制备的树脂预制液缓缓倒入模具中，先在100℃条件下固化180min，再在150℃条件下后固化20min，固化完成后脱模即制得复合材料。
实施例4
本实施例的复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
一、蚕丝/碳纤维包覆纱的制备
选取规格为23.3dTex的生丝，通过空心锭子纺丝法，将生丝顺时针包覆在3k碳纤维束表面，使得碳纤维束表面的生丝包缠度为1750圈/米，制得蚕丝/碳纤维包覆纱。
二、树脂预制液的制备
将环氧当量为160～170g/eq的双酚A型环氧树脂与胺值为570～670mg NaOH/g的固化剂按照10∶3的质量比混合均匀，再真空脱泡10分钟，制得树脂预制液。
三、复合材料的制备
将步骤一制备的20束蚕丝/碳纤维包覆纱铺放在不锈钢模具中，模具长为100mm，宽为10mm，厚为4mm，并在包覆纱两端施加10N的张力。随后将步骤二制备的树脂预制液缓缓倒入模具中，先在100℃条件下固化180min，再在150℃条件下后固化20min，固化完成后脱模即制得复合材料。
实施例5
本实施例的复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
一、蚕丝/碳纤维包覆纱的制备
选取规格为17.5dTex、23.3dTex的生丝，之后采用空心锭子纺丝法，将规格为23.3dTex的生丝顺时针包覆在3k碳纤维束表面，使得碳纤维束表面内层生蚕丝包缠度为1750圈/米；规格为17.5dTex的生丝逆时针包覆在已经包覆生丝的碳纤维束表面，使得碳纤维束表面外层生丝包缠度为1750圈/米，制得蚕丝/碳纤维包覆纱。
二、树脂预制液的制备
将环氧当量为160～170g/eq的双酚A型环氧树脂与胺值为570～670mg NaOH/g的固化剂按照10∶3的质量比混合均匀，再真空脱泡10分钟，制得树脂预制液。
三、复合材料的制备
将步骤一制备的20束蚕丝/碳纤维包覆纱铺放在不锈钢模具中，模具长为100mm，宽为10mm，厚为4mm，并在包覆纱两端施加10N的张力。随后将步骤二制备的树脂预制液缓缓倒入模具中，先在100℃条件下固化180min，再在150℃条件下后固化20min，固化完成后脱模即制得复合材料。
实施例6
本实施例的复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
一、蚕丝/碳纤维包覆纱的制备
首选取规格为17.5dTex、23.3dTex的生丝，之后采用空心锭子纺丝法，将规格为23.3dTex的生丝顺时针包覆在3k碳纤维束表面，使得碳纤维束表面内层生丝包缠度为2300圈/米；规格为17.5dTex的生丝逆时针包覆在已经包覆生丝的碳纤维束表面，使得碳纤维束表面外层生丝包缠度为2100圈/米，制得蚕丝/碳纤维包覆纱。
二、树脂预制液的制备
将环氧当量为160～170g/eq的双酚A型环氧树脂与胺值为570～670mg NaOH/g的固化剂按照10∶3的质量比混合均匀，再真空脱泡10分钟，制得树脂预制液
三、复合材料的制备
将步骤一制备的20束蚕丝/碳纤维包覆纱铺放在不锈钢模具中，模具长为100mm，宽为10mm，厚为4mm，并在包覆纱两端施加10N的张力。随后将步骤二制备的树脂预制液缓缓倒入模具中，先在100℃条件下固化180min，再在150℃条件下后固化20min，固化完成后脱模即制得复合材料。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于：在复合材料的制备过程中，不再用蚕丝包覆碳纤维束，直接将20束3k碳纤维铺放在模具中制备复合材料。
对各实施例以及对比例制得的复合材料冲击强度、复合材料中碳纤维和蚕丝的体积分数列于表1。
表1
从表1数据可以看出，与对比例1相比，经过生丝包缠后的碳纤维复合材料的冲击强度有了很大的提高，并且生丝的包缠度越大，冲击强度提高的越明显，这是由于当材料受到冲击载荷时，一部分能量被蚕丝吸收并阻碍了基体裂纹的扩展，因此冲击强度大大增加，使得碳纤维复合材料的应用更加广泛。
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种抗冲击碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A、通过空心锭子纺丝法将内层为丝素蛋白，外层为丝胶蛋白的生丝包缠在碳纤维束表面，得到蚕丝/碳纤维包覆纱；所述碳纤维束表面包覆1~2层生丝；所述碳纤维束表面的生丝单层包缠度为1750~2300圈/米；
B、将双酚A型环氧树脂和胺类固化剂混合，真空脱泡后制得预制液；
C、将蚕丝/碳纤维包覆纱放入模具中，并在蚕丝/碳纤维包覆纱两端施加5-15N的张力；将预制液倒入模具中加热固化，制得抗冲击碳纤维复合材料；
所述抗冲击碳纤维复合材料中碳纤维体积分数为5.6%，蚕丝的体积分数为1.4~5.2%。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述生丝规格为8.75dTex~23.3dTex。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述碳纤维束包含3000根碳纤维单丝。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤B中，所述双酚A型环氧树脂与胺类固化剂的重量比为8-12:3。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤C中，所述模具中放置15-25束蚕丝/碳纤维包覆纱。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤C中，所述模具的长度为100mm，宽度为10mm，厚度为4mm。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤C中，所述加热固化的条件为：固化温度为100~150℃，固化时间为180~200min。
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