CN117341316A - 一种碳纤维复合板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纤维复合板，包括碳纤维树脂板，碳纤维树脂板包括吸能层、增强层，吸能层的表面具有丝状凸起，吸能层的丝状凸起与增强层缠结，吸能层、增强层包含树脂、碳纤维。一种制备碳纤维树脂板的方法，包括成型吸能层，加热吸能层表面使该表面熔融，将金属板覆合于该熔融表面上，再向上提起金属板并剥离使吸能层表面形成丝状凸起，将碳纤维贴合在该具有丝状凸起的吸能层表面并进行旋压，将预聚物浸没碳纤维并进行固化成型增强层。本发明制备的碳纤维复合板力学性能优异，尤其是具有较强的层间抗剪切强度，可广泛应用于机械、交通工具、化工装置等领域。

Description

一种碳纤维复合板及其制备方法

技术领域

本发明涉及高分子材料领域，具体涉及一种碳纤维复合板及其制备方法。

背景技术

随着时代的发展，化工、机械、交通等领域对于材料的要求越来越高，而碳纤维材料是一种高强度、低密度的材料，基于碳纤维改性的复合材料也越来越多。碳纤维它不仅具有碳材料的固有本性特征，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维，碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理得到的微晶石墨材料。碳纤维的应用方式主要是用于制作复合材料，被用作以热固性树脂或热塑性树脂为基质的树脂的复合材料制品的增强材料。

但是碳纤维树脂材料也有一些缺陷，比如由于树脂与碳纤维的弹性模量差异性导致层间剪切强度低，在受到横向冲击时易分层，同时在反复受到震动后，层间也容易发生分层，因此为了提高碳纤维树脂材料的使用领域与使用寿命，需要提高碳纤维树脂材料的层间剪切强度。

参见公开号为CN211279424U的专利，其通过负压浇注的方式降低树脂与碳纤维覆合时的气泡，进而提高树脂与碳纤维的界面粘结力，这种方法可提高碳纤维树脂材料的层间剪切强度，但效果不是很显著。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种碳纤维复合板，特别是一种强度高且层间剪切强度高的碳纤维复合板。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种碳纤维复合板，包括碳纤维树脂板，所述的碳纤维树脂板包括吸能层、增强层，所述的吸能层的表面具有丝状凸起，所述的吸能层的丝状凸起与所述的增强层缠结，所述的吸能层、增强层包含树脂、碳纤维。

所述吸能层是可以吸收冲击能量的结构，通过弹性形变来吸收能量，减少冲击带来的震动。

所述的增强层是含有碳纤维的高强度层，能承受冲击力而不变形，并传递冲击力至吸能层，可以有效的提高碳纤维复合板的抗冲击性能，减少损坏破裂。

所述的丝状凸起是吸能层表面的树脂形成了类似毛发的结构，通过旋压的方式产生丝状凸起，所述的丝状凸起与所述的增强层的碳纤维缠结，起到提高碳纤维树脂板层间剪切强度的作用。

上述技术方案优选地，所述的丝状凸起的长度为2-10mm。所述的丝状凸起过短会导致缠结效果不明显，无法有效提高碳纤维树脂板的层间剪切强度，所述的丝状凸起过长会导致这部分丝状凸起过细进而更容易被破坏导致层间剪切强度反而会下降。

进一步优选地，所述的丝状凸起的长度为3～6mm。

上述技术方案优选地，所述的吸能层的厚度为4-20mm。考虑到碳纤维树脂板的应用范围、加工成本、力学性能，所述的吸能层过薄，难以有效起到缓冲的作用，所述的吸能层过厚则成本增加且体积增大难以应用。

上述技术方案优选地，所述的增强层的后附为1-4mm。考虑到碳纤维树脂板的应用范围、加工成本、力学性能，所述的增强层过薄则抗冲击强度低容易被破坏，所述的增强层过厚则成本高且难以加工。

上述技术方案优选地，所述的碳纤维复合板包括多层所述的碳纤维树脂板。

本发明的另一个目的是提供一种碳纤维复合板的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种制备碳纤维树脂板的方法，包括：

S1：采用树脂、碳纤维成型吸能层，

S2：加热吸能层一个表面使该表面熔融，将金属板覆合于该熔融表面上，再向上提起金属板并剥离使吸能层表面形成丝状凸起，由于树脂具有一定的粘性会粘附在金属板上，进而剥离后会产生丝状凸起，

S3：将碳纤维贴合在该具有丝状凸起的吸能层表面并进行旋压，将预聚物浸没碳纤维并进行固化成型增强层，

S4：对吸能层另一个表面重复S2、S3获得碳纤维树脂板。

上述技术方案优选地，所述的树脂选自聚烯烃、聚苯乙烯、聚酯、聚丙乙烯、聚氨酯中的一种或多种。

进一步优选地，所述的树脂为聚氨酯。所述的聚氨酯是一种由多异氰酸酯和多元醇反应并具有多个氨基甲酸酯链段的有机高分子材料，可以提高抗冲击性与耐磨性。

更进一步优选地，所述的聚氨酯为生物质聚氨酯，所述的生物质聚氨酯是合成原料中含有生物质的聚氨酯，生物质聚氨酯具有很好的抗拉强度、抗撕裂强度、耐冲击性、耐磨性、耐候性、耐水解性、耐油性等优点，作为所述的吸能层的组成成分能有效的缓和冲击力并转移至增强层。

所述的生物质聚氨酯含有生物基多元醇链段，所述的生物基多元醇链段是生物质作为全部或部分原料的含有两个或两个以上羟基的化合物。所述的生物基多元醇选自生物基聚三亚甲基醚二醇、生物基聚乙二醇、生物基聚乳酸多元醇中的一种或多种。

上述技术方案优选地，成型所述的吸能层的碳纤维采用碳纤维粉末。所述的碳纤维粉末是平均粒径小于1000μm的碳纤维集合体，能够将受到的冲击分散，避免局部受到的冲击过大引起吸能层破碎。

进一步优选地，所述的碳纤维粉末的平均粒径为10-100μm，可以更有效的分散冲击，所述的碳纤维粉末平均粒径过大，分散效果差，所述的碳纤维粉末平均粒径过小，聚氨酯组合物粘度过大难以加工。

进一步优选地，成型所述的增强层的碳纤维采用碳纤维织物，作为承受冲击力的主体，具有高强度的特点，可以提高所述的增强层的强度与韧性的作用。

上述技术方案优选地，所述的预聚物包含未固化的环氧树脂、固化剂。

所述的环氧树脂是一类分子结构中含有两个以上环氧基团的有机高分子聚合物及其固化物，具有高强度、收缩率低、高电绝缘、保持性能、耐腐蚀性能、在很宽的温度范围内固化、耐疲劳等优点。例如双酚A型环氧树脂、卤代双酚A型环氧树脂、双酚S环氧树脂、双酚F环氧树脂、脂环族环氧树脂、脂肪-脂环族环氧树脂、芳香-脂环族环氧树脂、甘油环氧树脂、乙二醇环氧树脂、酚醛环氧树脂、胺基环氧树脂、不饱和环氧树脂、丙烯酸环氧树脂、三聚磷睛环氧树脂、双环戊二烯环氧树脂、聚丁二烯环氧树脂、有机钛环氧树脂、有机硅环氧树脂和含氟环氧树脂等。

所述的固化剂可以是环氧树脂发生交联行成网状结构进而固化，如多元伯胺、多元羧酸、多元硫醇、叔胺、咪唑等。

进一步优选地，所述的环氧树脂选自双酚A型环氧树脂、脂环族环氧树脂、甘油环氧树脂中的一种或多种，提高碳纤维与聚氨酯间粘结力并保护碳纤维。

进一步优选地，所述的固化剂选自多元伯胺、多元羧酸、叔胺、咪唑中的一种或多种。

上述技术方案优选地，在S1中，先将所述的树脂、碳纤维在温度100-160℃，时间1～2h下混合获得混合物，再将混合物在温度100～160℃、压强2～5MPa、时间30～60min下完成固化。

上述技术方案优选地，在S1中，成型所述的吸能层的方式包括模压成型、真空袋压成型、浇注成型等。

上述技术方案优选地，在S2中：熔融条件为在温度180～220℃加热1～3min，温度过高或时间过久会导致与金属板剥离过程中有过多树脂被剥离进而使碳纤维处形成孔洞，温度过低或时间过短则无法有效形成丝状凸起进而粘结效果提升较小。

上述技术方案优选地，在S2中：熔融包括鼓风、热压、炙烤等。

上述技术方案优选地，在S3中：旋压条件为压强0.3～1MPa下对吸能层旋转90～180°所述的旋压是指施加一定压强使碳纤维与吸能层紧密贴合的同时，旋转吸能层，使吸能层表面的丝状凸起与碳纤维发生缠结，压强过小丝状凸起无法挤入碳纤维的缝隙并发生缠结，压强过大则难以操作并；旋转角度过小丝状凸起与碳纤维摩擦少，缠结发生少，旋转角度过大则会导致已缠结的丝状凸起被扯断。

上述技术方案优选地，在S3中，成型所述的增强层包括模压成型、真空灌注成型，，固化温度为50-80℃。所述的模压成型是先将粉状、粒状或纤维状的原料放入成型温度下的模具型腔中，然后闭模加压而使其成型并固化的成型工艺；所述的真空灌注成型是指将未固化的原料放入真空袋中，通过抽真空排除多余空气使原料复合并固化的一种成型工艺。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明制备的碳纤维复合板力学性能优异，尤其是具有较强的层间抗剪切强度，可广泛应用于机械、交通工具、化工装置等领域。

具体实施方式

下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

【吸能层树脂】

原料：

聚三亚甲基醚二醇，ECOPROL H1000，韩国SK CHEMICAL产。

聚乙二醇，PEG-6000，中国国药产。

聚乳酸多元醇，丰原生物产。

异氰酸酯，Aquolin161，万华化学集团股份有限公司产。

A1：将聚三亚甲基醚二醇升温至30℃后与异氰酸酯按重量比100:2混合并以100r/min的速度搅拌10min得到A1。

A2：将聚乙二醇升温至60℃后与异氰酸酯按重量比100:2混合并以100r/min的速度搅拌10min得到A2。

A3：将聚乳酸多元醇升温至200℃后与异氰酸酯按重量比100:2混合并以100r/min的速度搅拌10min得到A3。

【碳纤维】

B1：MLD-30，纤维长度为30μm，东丽株式会社产。

B2：碳纤维织物，TB01，洛菲斯(上海)实业有限公司产。

【增强层树脂】

C1：双酚A型环氧树脂，EPICLON3050，大日本油墨公司产。

C2：双酚A型环氧树脂，EPICLON4050，大日本油墨公司产。

C3：双酚A型环氧树脂，EPICLON7050，大日本油墨公司产。

实施例1～13的制备方法如下，参数见表1：

S1：先将生物质聚氨酯、碳纤维粉末加入到密炼机中，在温度140℃，30r/min的条件下，混合2h获得混合物，再将混合物加入到热压机中，在温度140℃、压强3MPa的条件进行热压60min，冷却后得到厚度为10mm的吸能层。

S2：加热吸能层一个表面使该表面熔融，将金属板覆合于该熔融表面上，再向上提起金属板并剥离使吸能层表面形成丝状凸起，

S3：将碳纤维织物与该具有丝状凸起的吸能层表面贴合，对碳纤维织物施加压强并旋转吸能层，然后放入真空袋灌入预聚物并抽真空再加热至60℃进行固化，预聚物的配比为环氧树脂100重量份，固化剂5重量份，得到的增强层厚度为2mm；

S4：对吸能层另一个表面重复S2、S3获得碳纤维树脂板。

测试性能及方法如下：

1、丝状凸起长度：将处理后吸能层置于桌面，用刻刀沿着丝状凸起根部取下，一共取五次，测量长度取平均值。

2、破坏冲击强度：参照ASTM D7136-2007进行。采用Instron9350全自动落锤冲击试验机进行测试，落锤总质量1±0.05kg，冲击头直径为3±0.1mm。每组试样以100J的动能开始测试，以10J为一个梯度，直到试样破坏得到试样的破坏冲击强度。

破坏冲击强度＝W/S，为样品破坏时，落锤的动能，S为冲击头的面积。

3、层间剪切性能检测标准：按GB/T28889-2012的测试方法测试层间剪切破坏应力。

如表1所示，实施例和对比例1相比，层间剪切破坏强度显著提升且力学强度并未下降，本实施例的碳纤维树脂板可有效提高层间剪切破坏强度。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合板，其特征在于：包括碳纤维树脂板，所述的碳纤维树脂板包括吸能层、增强层，所述的吸能层的表面具有丝状凸起，所述的吸能层的丝状凸起与所述的增强层缠结，所述的吸能层、增强层包含树脂、碳纤维。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合板，其特征在于：所述的丝状凸起的长度为2-10mm。

3.根据权利要求1所述的碳纤维复合板，其特征在于：所述的吸能层的厚度为4-20mm；和/或，所述的增强层的后附为1-4mm。

4.根据权利要求1所述的碳纤维复合板，其特征在于：所述的碳纤维复合板包括多层所述的碳纤维树脂板。

5.一种制备权利要求1至4中任意一项权利要求所述的碳纤维树脂板的方法，其特征在于：包括：

S1：采用树脂、碳纤维成型吸能层，

S2：加热吸能层一个表面使该表面熔融，将金属板覆合于该熔融表面上，再向上提起金属板并剥离使吸能层表面形成丝状凸起，

S3：将碳纤维贴合在该具有丝状凸起的吸能层表面并进行旋压，将预聚物浸没碳纤维并进行固化成型增强层，

S4：对吸能层另一个表面重复S2、S3获得碳纤维树脂板。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的树脂为选择聚烯烃、聚苯乙烯、聚酯、聚丙乙烯、聚氨酯中的一种或多种。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：成型所述的吸能层的碳纤维采用碳纤维粉末，其平均粒径为10-100μm；和/或，成型所述的增强层的碳纤维采用碳纤维织物。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的预聚物包含未固化的环氧树脂、固化剂，所述的环氧树脂选自双酚A型环氧树脂、脂环族环氧树脂、甘油环氧树脂中的一种或多种；和/或，所述的固化剂选自多元伯胺、多元羧酸、叔胺、咪唑中的一种或多种。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在S1中，先将所述的树脂、碳纤维在温度100-160℃，时间1～2h下混合获得混合物，再将混合物在温度100～160℃、压强2～5MPa、时间30～60min下完成固化。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在S2中：熔融条件为在温度180～220℃加热1～3min；和/或，在S3中：旋压条件为压强0.3～1MPa下对吸能层旋转90～180°，固化温度为50-80℃。