CN114031894A - 一种碳纤维缠绕环氧树脂基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维缠绕环氧树脂基复合材料及其制备方法，碳纤维缠绕环氧树脂基复合材料，包括以下原料：碳纤维丝、树脂液和固化剂；所述树脂液原料包括：四缩水甘油胺、脂环族环氧树脂和增韧剂，本发明克服了现有技术的不足，有效的提高了固化物的玻璃化温度，同时降低了浸胶槽内的液体的粘度，使浸胶槽内的液体对碳纤维丝的浸润性能得到了提高，提高了复合材料的结合强度，且通过逐步升温固化，进而提高了复合材料的强度。

Description

一种碳纤维缠绕环氧树脂基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及碳纤维/环氧树脂基复合材料技术领域，具体属于一种碳纤维缠绕环氧树脂基复合材料及其制备方法。
背景技术
复合材料是指由两种或两种以上的物质以不同方式组合而成的材料，复合材料能发挥材料各自的优点，克服单一材料的缺陷，其具有比重小、比强度和比模量大的特点，还具有良好的化学稳定性、耐磨性、耐热性等性能，在航天、汽车、建筑、健身器材等领域均有广泛的用途。复合材料按照机体不同，可以分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。
环氧树脂作为应用最为广泛的一种复合材料的树脂基体，因其与固化剂结合后具有较高的强度和模量，而被广泛与固化剂结合达到材料的多种功能，然而，目前采用的碳纤维缠绕工艺用环氧树脂均是采用双酚A环氧和酸酐体系，固化物的玻璃化温度(TG)最多只能达到180℃，且混合物粘度高，对碳纤维浸润性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纤维缠绕环氧树脂基复合材料及其制备方法，克服了现有技术的不足，提高了复合材料中环氧树脂基的玻璃化温度。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：
一种碳纤维缠绕环氧树脂基复合材料，包括以下原料：碳纤维丝、树脂液和固化剂；所述树脂液原料包括：四缩水甘油胺、脂环族环氧树脂和增韧剂。
进一步，所述增韧剂为橡胶FC100。
进一步，所述四缩水甘油胺、脂环族环氧树脂和增韧剂的质量比为：40-70:20-80:5-30。
进一步，所述固化剂由以下重量份的原料制成：甲基四氢苯酐90-100份、咪唑促进剂0.5-2份。
进一步，所述树脂液与固化剂的质量比为1:0.8-1.2。
进一步，玻璃化温度为220-240℃。
制备上述的碳纤维缠绕环氧树脂基复合材料的方法包括以下步骤：
S1，将树脂液各原料按配比混合均匀，形成树脂液，然后将固化剂与树脂液按配比混合均匀，倒入浸胶槽内；
S2，将碳纤维丝通过浸胶槽浸润后通过刮料板、张紧辊控制浸胶量，通过缠绕工艺缠绕成型；
S3，将S2中缠绕成型的碳纤维丝依次在75-85℃下固化3-6h、在175-185℃下固化5-8h、在210-230℃下固化8-12h，然后冷却至室温，得到碳纤维缠绕环氧树脂基复合材料。
本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：本发明通过采用多官能团缩水甘油胺和脂环族环氧配合酸酐固化体系，有效的提高了固化物的玻璃化温度，同时降低了浸胶槽内的液体的粘度，使浸胶槽内的液体对碳纤维丝的浸润性能得到了提高，提高了复合材料的结合强度，且通过逐步升温固化，进而提高了复合材料的强度。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)将树脂组分放于高速分散机中以1000r/min搅拌分散1h；
树脂组分包括：四缩水甘油胺49份，脂环族环氧树脂41份、10份橡胶FC100；
(2)制备固化剂：将甲基四氢苯酐99份和1份咪唑促进剂2E4MZ混合均匀，得到固化剂；
(3)将树脂组分和改性固化剂按照100:100质量比混合均匀倒入浸胶槽，浸胶槽温度控制在40℃，此时浸胶槽内胶液粘度为3584mPa.s；增强材料碳纤维丝通过浸胶槽浸润后通过刮料板、张紧辊控制浸胶量为15wt％，通过缠绕工艺把浸润后的碳纤维缠绕在基材上成型；
(4)固化工艺：在步骤(3)后，依次在80℃下固化4h，180℃下固化6h，220℃下固化10h，冷却至室温，得到环氧树脂基复合材料，拉伸强度为1436MPa，弯曲强度为1405MPa。然后，使用梅特勒DSC-1中点法测试复合材料的TG为229℃。
实施例2
(1)将树脂组分放于高速分散机中以1000r/min搅拌分散1h；
树脂组分包括：四缩水甘油胺50份，脂环族环氧树脂40份、10份橡胶FC100；
(2)制备固化剂：甲基四氢苯酐99份和1份咪唑促进剂2E4MZ，得到固化剂；
(3)将树脂组分和改性固化剂按照100:100质量比混合均匀倒入浸胶槽，浸胶槽温度控制在40℃，此时浸胶槽内胶液粘度为3326mPa.s；增强材料碳纤维丝通过浸胶槽浸润后通过刮料板、张紧辊控制浸胶量22wt％，通过缠绕工艺把浸润后的碳纤维缠绕在基材上成型；
(4)固化工艺：在步骤(3)后，依次在80℃下固化4h，180℃下固化6h，220℃下固化10h，冷却至室温，得到环氧树脂基复合材料，拉伸强度为1413MPa，弯曲强度为1395MPa。使用梅特勒DSC-1中点法测试复合材料的TG为231℃。
实施例3
(1)将树脂组分放于高速分散机中以1000r/min搅拌分散1h；
树脂组分包括：四缩水甘油胺51份，脂环族环氧树脂39份、10份橡胶FC100；
(2)制备固化剂：甲基四氢苯酐99份和1份咪唑促进剂2E4MZ，得到固化剂；
(3)将树脂组分和改性固化剂按照100:100质量比混合均匀倒入浸胶槽，浸胶槽温度控制在40℃，此时浸胶槽内胶液粘度为3218mPa.s；增强材料碳纤维丝通过浸胶槽浸润后通过刮料板、张紧辊控制浸胶量20wt％，通过缠绕工艺把浸润后的碳纤维缠绕在基材上成型；
(4)固化工艺：在步骤(3)后，依次在80℃下固化4h，180℃下固化6h，220℃下固化10h，冷却至室温，得到环氧树脂基复合材料，拉伸强度为1421MPa，弯曲强度为1409MPa。使用梅特勒DSC-1中点法测试复合材料的TG为233℃。
实施例4
(1)将树脂组分放于高速分散机中以1000r/min搅拌分散1h；
树脂组分包括：四缩水甘油胺70份，脂环族环氧树脂80份、30份橡胶FC100；
(2)制备固化剂：甲基四氢苯酐100份和2份咪唑促进剂2E4MZ，得到固化剂；
(3)将树脂组分和改性固化剂按照100:80质量比混合均匀倒入浸胶槽，浸胶槽温度控制在40℃，此时浸胶槽内胶液粘度为3005mPa.s；增强材料碳纤维丝通过浸胶槽浸润后通过刮料板、张紧辊控制浸胶量18wt％，通过缠绕工艺把浸润后的碳纤维缠绕在基材上成型；
(4)固化工艺：在步骤(3)后，依次在75℃下固化3h，175℃下固化5h，210℃下固化8h，冷却至室温，得到环氧树脂基复合材料，拉伸强度为1438MPa，弯曲强度为1426MPa。使用梅特勒DSC-1中点法测试复合材料的TG为240℃。
实施例5
(1)将树脂组分放于高速分散机中以1000r/min搅拌分散1h；
树脂组分包括：四缩水甘油胺40份，脂环族环氧树脂20份、50份橡胶FC100；
(2)制备固化剂：甲基四氢苯酐90份和0.5份咪唑促进剂2E4MZ，得到固化剂；
(3)将树脂组分和改性固化剂按照100:120质量比混合均匀倒入浸胶槽，浸胶槽温度控制在40℃，此时浸胶槽内胶液粘度为3150mPa.s；增强材料碳纤维丝通过浸胶槽浸润后通过刮料板、张紧辊控制浸胶量20wt％，通过缠绕工艺把浸润后的碳纤维缠绕在基材上成型；
(4)固化工艺：在步骤(3)后，依次在85℃下固化6h，185℃下固化8h，230℃下固化12h，冷却至室温，得到环氧树脂基复合材料，拉伸强度为1454MPa，弯曲强度为1430MPa。使用梅特勒DSC-1中点法测试复合材料的TG为220℃。
对比例1
与实施例5的区别在于，四缩水甘油胺的加入量为0。40℃时浸胶槽内胶液粘度为9366mPa.s；得到的环氧树脂基复合材料拉伸强度为964MPa，弯曲强度为953Mpa，使用梅特勒DSC-1中点法测试复合材料的TG为172℃。
对比例2
与实施例5的区别在于，甲基四氢苯酐的加入量为0。40℃时浸胶槽内胶液粘度为3263mPa.s；得到的环氧树脂基复合材料拉伸强度为793MPa，弯曲强度为822Mpa，使用梅特勒DSC-1中点法测试复合材料的TG为154℃。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种碳纤维缠绕环氧树脂基复合材料，其特征在于，包括以下原料：碳纤维丝、树脂液和固化剂；所述树脂液原料包括：四缩水甘油胺、脂环族环氧树脂和增韧剂。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维缠绕环氧树脂基复合材料，其特征在于，所述增韧剂为橡胶FC100。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维缠绕环氧树脂基复合材料，其特征在于，所述四缩水甘油胺、脂环族环氧树脂和增韧剂的质量比为：40-70:20-80:5-30。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维缠绕环氧树脂基复合材料，其特征在于，所述固化剂由以下重量份的原料制成：甲基四氢苯酐90-100份、咪唑促进剂0.5-2份。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维缠绕环氧树脂基复合材料，其特征在于，所述树脂液与固化剂的质量比为1:0.8-1.2。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维缠绕环氧树脂基复合材料，其特征在于，玻璃化温度为220-240℃。
7.制备权利要求1-6任意一项所述的碳纤维缠绕环氧树脂基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将树脂液各原料按配比混合均匀，形成树脂液，然后将固化剂与树脂液按配比混合均匀，倒入浸胶槽内；
S2，将碳纤维丝通过浸胶槽浸润后通过刮料板、张紧辊控制浸胶量，通过缠绕工艺缠绕成型；
S3，将S2中缠绕成型的碳纤维丝依次在75-85℃下固化3-6h、在175-185℃下固化5-8h、在210-230℃下固化8-12h，然后冷却至室温，得到碳纤维缠绕环氧树脂基复合材料。
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