CN114316519B - 碳-玻混拉板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于混合拉挤板制备技术领域，具体涉及一种碳‑玻混拉板及其制备方法。包括碳纤维、玻璃纤维和改性树脂，碳纤维被玻璃纤维所包裹，改性树脂均匀分散在碳纤维和玻璃纤维中；所述的改性树脂为碳纤维粉或玻璃纤维粉改性的树脂。本发明通过碳纤维粉或玻璃纤维粉对树脂进行改性，将碳纤维粉或玻璃纤维粉均匀分散在碳纤维和玻璃纤维中，改善了碳‑玻混拉板中碳纤维与玻璃纤维结合面的界面性能，使得碳‑玻混拉板的90度拉伸性能较改性前提高10‑20％，层间剪切强度提高5‑15％，V型剪切性能提高5‑10％，弯曲强度提高5‑10％，90度压缩强度提高10‑15％。
Description
技术领域
本发明属于混合拉挤板制备技术领域，具体涉及一种碳-玻混拉板及其制备方法。
背景技术
纯碳纤维拉挤材料或制品力学性能优异，特别是模量和抗疲劳性能方面表现出色，拉伸模量和疲劳M值是普通玻璃纤维2倍以上。碳元素具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维的密度小，因此比强度和比模量高。碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进复合材料。但碳纤维价格昂贵，是普通玻纤的十几倍以上，拉挤而成的制品价格也相对很高；而相对于普通纯玻纤拉挤材料或制品，在拉伸和疲劳上改进和提升都相当困难。碳纤维的力学性能总体上要优于玻璃纤维，但是生产成本高，不利于广泛使用。玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差；通常用作复合材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等国民经济各个领域。
随着复合材料行业的发展，玻璃纤维-碳纤维混杂纤维复合材料成为新兴的强韧性结构材料，目前应用在风电叶片、桥梁加固、压缩天然气瓶(航天航空)及固体火箭发动机壳体等宇航结构件，使产品实现了高模量、高韧性、低造价、低重量的优点。碳纤维-玻璃纤维混杂纤维拉挤板(碳-玻混拉板)是一种由玻璃纤维、碳纤维和树脂采用拉挤工艺制作而成的三元复合材料。碳-玻混拉板在保证力学性能优异的同时，兼顾了经济性，但在不同纤维连接界面是其力学性能薄弱的地方。随着碳-玻混拉板的使用越来越广泛，对其力学性能的要求也越来越高。
中国专利CN111976072公开一种碳纤维和玻璃纤维混合拉挤材料、生产方法及制品。其中公开了碳纤维和玻璃纤维混合拉挤材料的生产方法包括以下步骤：S1牵引按照预定规则排列的碳纤维和玻璃纤维进入浸胶槽，将碳纤维与玻璃纤维浸润在浸胶槽的树脂中；S2牵引碳纤维和玻璃纤维穿过沥胶格栅的栅格沥去碳纤维和玻璃纤维表面多余的树脂；S3牵引碳纤维和玻璃纤维穿过第一预成型板，第一预成型板上开设有具有预定形状的第一预成型孔，第一预成型孔将碳纤维和玻璃纤维挤压成第一预定形状的碳纤维-玻璃纤维结构；S4牵引第一预定形状的碳纤维-玻璃纤维结构进入拉挤模具中，第一预定形状的碳纤维-玻璃纤维结构经过拉挤模具的温度依次升高的第一加热区、第二加热区、第三加热区固化成型，从拉挤模具中拉出得到碳纤维和玻璃纤维混合的拉挤材料。该专利没有涉及对树脂的改性。
因此，亟需提供一种能够改善碳-玻混拉板中两种纤维结合面的力学性能的碳-玻混拉板及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳-玻混拉板及其制备方法，先采用碳纤维粉或玻璃纤维粉对树脂进行改性，再将碳纤维、玻璃纤维置于改性树脂中浸胶，使碳纤维粉或玻璃纤维粉均匀分散在碳纤维和玻璃纤维中，从而提高了碳-玻混拉板的90度拉伸性能、层间剪切强度、V型剪切性能、弯曲强度和90度压缩强度。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
本发明所述的碳-玻混拉板，包括碳纤维、玻璃纤维和改性树脂，碳纤维被玻璃纤维所包裹，改性树脂均匀分散在碳纤维和玻璃纤维中；所述的改性树脂为碳纤维粉或玻璃纤维粉改性的树脂。
其中：
所述的改性树脂中树脂与碳纤维粉或玻璃纤维粉的质量比为1:0.01-0.3，所述的树脂为环氧树脂。
所述的碳纤维粉和玻璃纤维粉的长径比均为5-300:1。
本发明所述的碳-玻混拉板的制备方法：将碳纤维纱和玻璃纤维纱加入至改性树脂中浸胶，浸胶后的碳纤维纱和玻璃纤维通过入口分成预定截面的预成型模具进行预成型，再与脱模布进入成型模具进行成型，之后经加热固化、牵引得到碳-玻混拉板。
其中：
所述的玻璃纤维纱与碳纤维纱的质量比为(10-50):(5-20)；所述的玻璃纤维纱与碳纤维粉或玻璃纤维粉的质量比为(10-50):(0.2-0.5)。
所述的浸胶温度为25-50℃，浸胶时间为20-60s。
所述的预成型为常温下预成型30-60s。
所述的成型温度为150-180℃，成型时间为65-125s。
所述的加热固化温度为160-180℃，加热固化时间为25-50s。
所述的碳-玻混拉板的90度拉伸性能较改性前提高10-20％，层间剪切强度提高5-15％，V型剪切性能提高5-10％，弯曲强度提高5-10％，90度压缩强度提高10-15％。
本发明的有益效果如下：
本发明先采用一定长径比的碳纤维粉或玻璃纤维粉对环氧树脂进行改性，得到改性树脂，再将碳纤维、玻璃纤维置于改性树脂中浸胶，经预成型、成型、加热固化、牵引得到碳-玻混拉板。本发明通过碳纤维粉或玻璃纤维粉对环氧树脂进行改性，将碳纤维粉或玻璃纤维粉均匀分散在碳纤维和玻璃纤维中，碳纤维粉或玻璃纤维粉的加入增加了其与基体树脂的结合面积，改善了碳-玻混拉板中碳纤维与玻璃纤维结合面的界面性能，使得碳-玻混拉板的90度拉伸性能提高10-20％，层间剪切强度提高5-15％，V型剪切性能提高5-10％，弯曲强度提高5-10％，90度压缩强度提高10-15％。本发明方法简单，成本低。
附图说明
图1是本发明玻璃纤维纱包裹着碳纤维纱的碳-玻混拉板的截面示意图；
其中(1)、碳纤维；(2)、玻璃纤维，(3)、碳纤维粉或玻璃纤维粉。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
将长径比为20:1的碳纤维粉加入拉挤专用环氧树脂中并搅拌混合均匀，形成碳纤维粉改性的树脂基体；其中环氧树脂与碳纤维粉的质量比为1:0.05。
将质量比为1:0.3的玻璃纤维纱和碳纤维纱共50kg浸入至碳纤维粉改性的树脂基体中(玻璃纤维纱与碳纤维粉的质量比为1:0.02)，于30℃下浸胶30s，浸胶后的碳纤维纱和玻璃纤维通过入口分成预定截面的预成型模具中于常温下预成型30s；再与脱模布进入成型模具，成型温度为150℃，成型时间为70s；之后于170℃下加热固化30s，经牵引得到玻璃纤维纱包裹着碳纤维纱的碳-玻混拉板。
经检测该碳-玻混拉板的90度拉伸强度为56.2MPa，层间剪切强度为63MPa，V型剪切性能为66.4MPa，弯曲强度为1276MPa，90度压缩强度为156MPa。
实施例2
将长径比为10:1的玻璃纤维粉加入拉挤专用环氧树脂中并搅拌混合均匀，形成玻璃纤维粉改性的树脂基体；其中环氧树脂与玻璃纤维粉的质量比为1:0.1。
将质量比为1:0.3的玻璃纤维纱和碳纤维纱共50kg浸入至玻璃纤维粉改性的树脂基体中(玻璃纤维纱与玻璃纤维粉的质量比为1:0.03)，于25℃下浸胶55s，浸胶后的碳纤维纱和玻璃纤维通过入口分成预定截面的预成型模具中于常温下预成型50s；再与脱模布进入成型模具，成型温度为170℃，成型时间为100s；之后于165℃下加热固化40s，经牵引得到玻璃纤维纱包裹着碳纤维纱的碳-玻混拉板。
经检测该碳-玻混拉板的90度拉伸强度为57MPa，层间剪切强度为65.5MPa，V型剪切性能为67.4MPa，弯曲强度为1310MPa，90度压缩强度为159.5MPa。
实施例3
将长径比为100:1的碳纤维粉加入拉挤专用环氧树脂中并搅拌混合均匀，形成碳纤维粉改性的树脂基体；其中环氧树脂与碳纤维粉的质量比为1:0.1。
将质量比为1:0.3的玻璃纤维纱和碳纤维纱共50kg浸入至碳纤维粉改性的树脂基体中(玻璃纤维纱与碳纤维粉的质量比为1:0.05)，于50℃下浸胶20s，浸胶后的碳纤维纱和玻璃纤维通过入口分成预定截面的预成型模具中于常温下预成型30s；再与脱模布进入成型模具，型温度为155℃，成型时间为120s；之后于180℃下加热固化25s，经牵引得到玻璃纤维纱包裹着碳纤维纱的碳-玻混拉板。
经检测该碳-玻混拉板的90度拉伸强度为58MPa，层间剪切强度为65.5MPa，V型剪切性能为67.5MPa，弯曲强度为1315MPa，90度压缩强度为159MPa。
对比例1
不对树脂进行改性，其余步骤同实施例1，得到碳-玻混拉板。经检测该碳-玻混拉板的90度拉伸强度为50MPa，层间剪切强度为58MPa，V型剪切性能为62MPa，弯曲强度为1200MPa，90度压缩强度为141MPa。
对比例2
不对树脂进行改性，其余步骤同实施例2，得到碳-玻混拉板。经检测该碳-玻混拉板的90度拉伸性能为50MPa，层间剪切强度为57.0MPa，V型剪切性能为61.4MPa，弯曲强度为1199.6MPa，90度压缩强度为138.7MPa。
对比例3
不对树脂进行改性，其余步骤同实施例3，得到碳-玻混拉板。经检测该碳-玻混拉板的90度拉伸性能为48.3MPa，层间剪切强度为58.0MPa，V型剪切性能为62.0MPa，弯曲强度为1196.5MPa，90度压缩强度为141.0MPa。
实施例1中碳-玻混拉板的性能数据与对比例1相比，90度拉伸性能提高12.4％，层间剪切强度提高8.6％，V型剪切性能提高7.1％，弯曲强度提高6.3％，90度压缩强度提高10.6％；实施例2中碳-玻混拉板的性能数据与对比例2相比，90度拉伸性能提高14％，层间剪切强度提高14.9％，V型剪切性能提高9.8％，弯曲强度提高9.2％，90度压缩强度提高15％；实施例3中碳-玻混拉板的性能数据与对比例3相比，90度拉伸性能提高20％，层间剪切强度提高12.9％，V型剪切性能提高8.9％，弯曲强度提高9.9％，90度压缩强度提高12.8％。
通过对比实施例1-3及对比例1-3的数据可知，本发明通过碳纤维粉或玻璃纤维粉对树脂进行改性，将碳纤维粉或玻璃纤维粉均匀分散在碳纤维和玻璃纤维中，改善了碳-玻混拉板中碳纤维与玻璃纤维结合面的界面性能。
Claims (9)
1.一种碳-玻混拉板，其特征在于：包括碳纤维、玻璃纤维和改性树脂，碳纤维被玻璃纤维所包裹，改性树脂均匀分散在碳纤维和玻璃纤维中；所述的改性树脂为碳纤维粉或玻璃纤维粉改性的树脂，所述的树脂为环氧树脂；
所述的碳-玻混拉板的制备方法：将碳纤维纱和玻璃纤维纱加入至改性树脂中浸胶，浸胶后的碳纤维纱和玻璃纤维纱通过入口分成预定截面的预成型模具进行预成型，再与脱模布进入成型模具进行成型，之后经加热固化、牵引得到碳-玻混拉板。
2.根据权利要求1所述的碳-玻混拉板，其特征在于：改性树脂中树脂与碳纤维粉或玻璃纤维粉的质量比为1:0.01-0.3。
3.根据权利要求1所述的碳-玻混拉板，其特征在于：碳纤维粉和玻璃纤维粉的长径比均为5-300:1。
4.根据权利要求1所述的碳-玻混拉板，其特征在于：玻璃纤维纱与碳纤维纱的质量比为(10-50):(5-20)；所述的玻璃纤维纱与碳纤维粉或玻璃纤维粉的质量比为(10-50):(0.2-0.5)。
5.根据权利要求1所述的碳-玻混拉板，其特征在于：浸胶温度为25-50℃，浸胶时间为20-60s。
6.根据权利要求1所述的碳-玻混拉板，其特征在于：预成型为常温下预成型30-60s。
7.根据权利要求1所述的碳-玻混拉板，其特征在于：成型温度为150-180℃，成型时间为65-125s。
8.根据权利要求1所述的碳-玻混拉板，其特征在于：加热固化温度为160-180℃，加热固化时间为25-50s。
9.根据权利要求1所述的碳-玻混拉板，其特征在于：层间剪切强度提高5-15%，弯曲强度提高5-10%，90度压缩强度提高10-15%。
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