CN114891320A - 环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料及其制备方法,所述环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料的制备方法包括以下步骤:将环氧树脂单体、酸类固化剂和短切玻璃纤维混合,得到原料混合物;所述酸类固化剂为带有二硫键的二元羧酸;将所述原料混合物通过动态硫化反应,制备得到环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料。本发明提供的制备方法无需对玻纤进行额外的化学处理,可简便、环保地制得力学性能良好的环氧树脂玻璃纤维复合材料,利于工业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及环氧树脂材料技术领域,尤其涉及一种环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
热固性塑料(如环氧树脂)由于其永久交联结构,赋予了它们良好的尺寸稳定性、化学稳定性和机械性能。环氧树脂在很多方面有着良好的应用,是涂料、粘合剂、密封剂和高性能复合材料的首选材料。短切玻璃纤维具有力学性能优异、耐高温、绝缘性好,价格低廉等优点,是理想的环氧树脂增强材料。它与环氧树脂复合形成的玻璃纤维复合材料,具有优异的力学性能和热稳定性,被广泛应用到各个行业。短切玻璃纤维增强环氧树脂不仅能够结合玻璃纤维和环氧树脂各自优异的力学性能,还能大幅降低环氧树脂的原料成本。因此,开发力学性能良好的环氧树脂/玻璃纤维复合材料具有重要的意义。
现阶段的环氧树脂(包括环氧类玻璃高分子)/短切玻璃纤维复合材料的制备方法是传统的静态固化方法,是把环氧树脂单体、短切玻璃纤维和固化剂混合均匀后,在一定温度条件下静态固化成型。这种方法不仅制备效率低下,短切玻璃纤维作为无机材料,与有机聚合物环氧树脂具有较差的界面相容性,这导致玻璃纤维需要进行改性以防止在环氧树脂中的团聚。此外,采用静态固化方法,短切玻璃纤维和环氧树脂之间容易浸润不充分,形成空隙,造成力学性能的下降。因此,环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料的制备需要一种绿色、环保、简单的制备方法,特别是无需对玻璃纤维进行额外的化学处理。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料及其制备方法,本发明提供的制备方法无需对玻纤进行额外的化学处理,可简便、环保地制得力学性能良好的环氧树脂玻璃纤维复合材料。
如果要实现短切玻璃纤维对环氧树脂较好的增强效果,需要把玻璃纤维均匀的分散到环氧树脂基体中,从而让玻璃纤维与环氧树脂之间形成良好的界面相互作用。短切玻璃纤维作为无机材料,与有机聚合物环氧树脂之间的界面相容性较差,短切玻璃纤维在环氧树脂固化过程中,容易形成自发性的团聚。相比之下,非交联的热塑性塑料加热后可轻松加工和改性,也能便捷的对玻璃纤维进行分散。
Leibler在2011年报道了第一个基于羟基-酯交换反应的可热加工成型的环氧树脂(Damien Montarnal M C,Tournilhac,Ludwik Leibler.Silica-LikeMalleable Matedals from Permanent Organic Networks[J].SCIENCE,2011,334:965-967.),用酸酐固化含有酯交换催化剂的双酚A二缩水甘油醚(DGEBA)制备可加工环氧树脂。在高温条件下,环氧树脂网络结构中的羟基和酯基进行酯交换反应,实现环氧树脂网络结构的重排,赋予环氧树脂高温流动性。在此基础上,二硫键之间的交换反应也被应用到环氧树脂的制备,从而赋予了环氧树脂高温条件下的流动性(Ruiz De Luzudaga,A.;Martin,R.;Markaide,N.;Rekondo,A.;Cabanero,G.;Roddguez,J.;Odriozola,I.Epoxy Resinwith Exchangeable Disulfide Crosslinks to Obtain Reprocessable,Repairable andRecyclable Fiber-Reinforced Thermoset Composites.Mater.Horiz.2016,3,241-247.)。
而本发明提供了一种环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料的制备方法,其包括以下步骤:
将环氧树脂单体、酸类固化剂和短切玻璃纤维混合,得到原料混合物;所述酸类固化剂为带有二硫键的二元羧酸;
将所述原料混合物通过动态硫化反应,制备得到环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料。
本发明重点改进环氧树脂玻纤复合材料的制备工艺,创新性地引入动态交联技术,基于二硫键交换机理制备玻纤增强环氧树脂复合材料,简化制备方法的同时,有利于玻纤在环氧树脂基体中的分散,使复合材料具有良好的力学性能。
本发明优选在室温条件下,分别称取环氧树脂单体、固化剂和短切玻璃纤维,并把各原料混合,可搅拌均匀,得到均匀的原料混合物。所述的室温即本领域人员熟知的常温条件,如10-30℃之间。
在本发明的实施例中,所述的环氧树脂单体原料具有多官能团,即包括分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机化合物,优选双酚A型环氧树脂单体,更优选双酚A二缩水甘油醚(DGEBA),应用广泛。双酚A二缩水甘油醚(DGEBA)的结构式如下所示:
并且,本发明采用酸类固化剂为固化剂原料,具体选用一类带有二硫键(-S-S-)的二元羧酸固化剂。所述的酸类固化剂优选为4,4′-二硫代短链二元羧酸,进一步优选为4,4′-二硫代二丁酸;所述的4,4′-二硫代短链二元羧酸还可为4,4′-二硫代二丙酸、4,4′-二硫代二戊酸中的一种或多种。在本发明的实施例中,所述酸类固化剂羧基与环氧树脂环氧基的摩尔比优选为1∶1。
本发明优选实施例可采用市售的4,4′-二硫代二丁酸,其结构式如下所示,其中羧基与环氧基的摩尔比保持在1∶1;
在本发明中,含所述环氧树脂单体、酸类固化剂和短切玻纤的混合物通过动态硫化方式制备复合材料。其中,所述的短切玻璃纤维的直径0.04-19μm,长度可以为2-5000μm之间。所述短切玻璃纤维的质量百分比在0-50wt%之间。所述的得到原料混合物可在常温和搅拌条件下进行,其中的短切玻璃纤维无需额外的化学处理。动态硫化过程在传统的热塑性塑料加工设备上进行,比如密炼机、单螺杆挤出机和双螺杆挤出机,即采用密炼机、单螺杆挤出机或双螺杆挤出机实现动态硫化反应。
本发明实施例将上述的混合物倒入聚合物加工设备中,进行动态交联反应,优选在转速为50-80转/分钟,温度140-200℃的条件下进行,时间为15-40分钟,得到环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料。在本发明的实施例中,所述的反应温度可为140℃-180℃,设备转速为70转/分钟、80转/分钟等。
动态交联是反应物的固化反应在转子强剪切作用下进行,在反应形成交联聚合物的同时,由于交联形成的网络聚合物之间存在动态共价键的交换反应,虽然具有的网络结构仍然存在,但网络拓扑结构能够重排,表现出跟热塑线性高分子一样的熔体流动性,当交联程度越来越高,网络重排就会变得很慢,静态固化熔体变成固体物质,动态交联就结束了(而静态固化是把所有反应物混合均匀后,在静止状态下进行固化反应,得到交联聚合物,通常一次成型得到所需形状的产品)。
即,本发明提供了一种环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料,由前文所述的制备方法得到;也就是说,所述环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料由环氧树脂单体、酸类固化剂和玻璃纤维的混合物通过动态硫化方式制得。其中,所述的玻璃纤维填充量优选为1-50wt%,玻璃纤维在树脂基体中分散良好。所述环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料的拉伸强度可为6-50MPa,凝胶率在80-85%之间。
针对环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料制备过程中,玻璃纤维在环氧树脂基体中的分散步骤繁琐,成本较高,短切玻璃纤维和环氧树脂之间浸润不充分,容易在复合材料中形成空隙,导致力学性能下降等缺点,本发明选用含有二硫键的二元羧酸作为固化剂,短切玻璃纤维作为增强填料,与环氧树脂单体混合后,在热塑性加工设备中进行动态硫化反应。在本发明制备过程中,由于固化剂中的二硫键能够进行交换反应,从而实现环氧树脂网络结构的重排,赋予环氧树脂/玻璃纤维复合材料一定的高温流动性。
此外,动态交联或动态硫化过程在强剪切作用下进行,玻璃纤维能够依靠强剪切力作用均匀的分散到环氧树脂基体中,并且随着交联反应的进行,玻璃纤维被锁定到聚合物基体中,实现了玻璃纤维在环氧树脂中的均匀分布,使得复合材料的力学性能明显提高。该制备方法简单,无需对玻璃纤维进行额外处理,固化反应时间短,玻璃纤维在环氧树脂基体中分散良好,对环氧树脂增强效果明显,具有大规模、工业化生产的潜力。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的环氧树脂玻璃纤维复合材料的扫描电镜图。
具体实施方式
下面对本申请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申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,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,都属于本申请保护的范围。
为了更好理解本发明技术内容,下面提供具体实施例,对本发明做进一步的说明。以下实施例中,所用原料为市售产品。
原料:双酚A二缩水甘油醚(陶氏化学有限公司),4,4′-二硫代二丁酸(麦克林试剂有限公司),乙酰丙酮锌(上海迈瑞尔试剂有限公司),戊二酸酐(阿拉丁试剂有限公司),短切玻璃纤维(重庆国际复合材料有限公司,牌号:3014B)。其中,羧基与环氧基的摩尔比保持在1∶1。
材料性能测试方法:
1.凝胶含量测试
样品的凝胶分数通过溶剂浸渍法测量。将产物在室温下浸入氯仿中3天,以溶解产物中未固化部分,通过过滤收集固化的部分,然后在80℃下真空干燥24小时。凝胶分数(Gf)通过以下公式计算:
Gf(%)=W2/W1×100%
其中W2和W1分别是产物不溶部分的干重和浸入氯仿之前的原始产物的初始重量。
2.力学性能测试
把制备的复合材料样品在180℃、20MPa条件下模压10分钟,冷却后切出哑铃形样品(宽度:4mm、厚度:0.5mm)。使用MTS E44万能力学测试机在拉伸模式下以10mm/min的十字头速度进行拉伸实验。对于所有测试,针对每种聚合物测试五个样品,并收集平均结果,测试在室温(25℃)条件下进行。
3.扫描电镜
扫描电子显微镜:扫描电子显微镜测试(Scanning Electron Microscope,SEM),采用日本Hitachi公司S-4800型扫描电子显微镜对玻璃纤维在复合材料基体中的分布进行观察,具体先将样品用液氮进行淬断,然后对样品断面进行喷金处理,加速电压为20kV。
实施例1:
在室温条件下,分别称取17.40g双酚A二缩水甘油醚(DGEBA,分子量:348)、11.92g4,4’-二硫代二丁酸和1.47g短切玻璃纤维,混合均匀后倒入密炼机中,在180℃、80转/分钟的条件下进行动态硫化,15分钟后,结束反应,得到玻璃纤维填充量为5wt%的环氧树脂复合材料。
实施例2:
在室温条件下,分别称取1740g双酚A二缩水甘油醚(DGEBA,分子量:348)、1192g4,4’-二硫代二丁酸和147g短切玻璃纤维,混合均匀后倒入双螺杆挤出机中,在180℃、80转/分钟的条件下进行动态硫化,20分钟后,结束反应,得到玻璃纤维填充量为5wt%的环氧树脂复合材料。
实施例3:
在室温条件下,分别称取17.40g双酚A二缩水甘油醚(DGEBA,分子量:348)、11.92g4,4’-二硫代二丁酸和1.47g短切玻璃纤维,混合均匀后倒入密炼机中,在140℃、50转/分钟的条件下进行动态硫化,40分钟后,结束反应,得到玻璃纤维填充量为5wt%的环氧树脂复合材料。
实施例4:
在室温条件下,分别称取17.40g双酚A二缩水甘油醚(DGEBA,分子量:348)、11.92g4,4’-二硫代二丁酸和14.7g短切玻璃纤维,混合均匀后倒入密炼机中,在180℃、80转/分钟的条件下进行动态硫化,30分钟后,结束反应,得到玻璃纤维填充量为50wt%的环氧树脂复合材料。
实施例5:
在室温条件下,分别称取17.40g双酚A二缩水甘油醚(DGEBA,分子量:348)、11.92g4,4’-二硫代二丁酸和1.47g短切玻璃纤维,混合均匀后倒入密炼机中,在200℃、60转/分钟的条件下进行动态硫化,20分钟后,结束反应,得到玻璃纤维填充量为5wt%的环氧树脂复合材料。
实施例6:
在室温条件下,分别称取17.40g双酚A二缩水甘油醚(DGEBA,分子量:348)、11.92g4,4’-二硫代二丁酸、和0.294g短切玻璃纤维,混合均匀后倒入密炼机中,在180℃、70转/分钟的条件下进行动态硫化,20分钟后,结束反应,得到玻璃纤维填充量为1wt%的环氧树脂复合材料。
对比例1:
在室温条件下,分别称取17.40g双酚A二缩水甘油醚(DGEBA,分子量:348)、11.92g4,4’-二硫代二丁酸和1.47g短切玻璃纤维,混合均匀后转移至密炼机中,常温下以80转/分钟混合5分钟,得到均匀的混合物,然后将其放入180℃烘箱中静态固化60分钟,得到玻璃纤维含量为5wt%的环氧树脂复合材料。
对比例2:
在室温条件下,分别称取17.40g DGEBA和11.92g 4,4’-二硫代二丁酸,混合均匀后转移至密炼机中,在180℃、80转/分钟的条件下进行动态硫化,15分钟后,结束反应,得到纯环氧树脂材料。
按照上述的测试方法对实施例的环氧树脂复合材料进行测试,结果如下。图1是实施例1、对比例1制备的复合材料的扫描电镜图,实施例1和对比例1的扫描电镜图清晰的表明,玻璃纤维在实施例1材料基体中分散良好,而在对比例1中团聚明显,这表明了该发明的技术有利于短切玻璃纤维在环氧树脂基体中的分散,而现阶段采用的静态固化技术,不可避免的出现了短切玻璃纤维在环氧树脂基体中的团聚。
根据表1,本发明提供的制备方法制得力学性能良好的环氧树脂玻璃纤维复合材料。并且,本发明无需对玻纤进行额外的化学处理,简便、环保。
表1实施例制备的材料性能结果
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将环氧树脂单体、酸类固化剂和短切玻璃纤维混合,得到原料混合物;所述酸类固化剂为带有二硫键的二元羧酸;
将所述原料混合物通过动态硫化反应,制备得到环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料。
2.根据权利要求1所述的环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料的制备方法,其特征在于,所述酸类固化剂为4,4′-二硫代短链二元羧酸,优选为4,4′-二硫代二丁酸。
3.根据权利要求2所述的环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料的制备方法,其特征在于,所述酸类固化剂羧基与环氧树脂单体环氧基的摩尔比保持为1∶1。
4.根据权利要求1所述的环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料的制备方法,其特征在于,所述环氧树脂单体为分子中含有两个以上环氧基团的有机化合物,优选为双酚A型环氧树脂单体。
5.根据权利要求1所述的环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料的制备方法,其特征在于,所述短切玻璃纤维的直径0.04-19μm,长度可以为2-5000μm之间。
6.根据权利要求5所述的环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料的制备方法,其特征在于,所述短切玻璃纤维的质量百分比在0-50wt%之间。
7.根据权利要求1-6任一项所述的环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料的制备方法,其特征在于,所述动态硫化反应采用密炼机、单螺杆挤出机或双螺杆挤出机实现。
8.根据权利要求7所述的环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料的制备方法,其特征在于,所述混合得到原料混合物在常温和搅拌条件下进行,其中的短切玻璃纤维无需额外的化学处理。
9.根据权利要求7所述的环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料的制备方法,其特征在于,所述动态交联反应在转速为50-80转/分钟,温度140-200℃条件下进行,时间为15-40分钟。
10.一种环氧树脂/短切玻璃纤维复合材料,由权利要求1-9任一项所述的制备方法得到。
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GR01 | Patent grant | ||
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