CN1243047C - 稀土改性碳纤维/环氧树脂复合材料制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种稀土改性碳纤维/环氧树脂复合材料制备方法，先对碳纤维进行预处理以去除表面残留的有机物，再在室温下采用稀土改性剂对碳纤维进行表面改性处理，然后将处理后的碳纤维同环氧树脂基体进行复合，制成预浸料，控制预浸料的含胶量体积百分比为35～45%，然后将预浸料按照一定的方式和层数铺层，热压固化成型，制成复合材料。其中，稀土改性剂的组分包括稀土化合物、乙醇、乙二胺四乙酸、氯化铵、硝酸和尿素。本发明方法简单，成本低，对环境无污染，采用本发明的方法制成的复合材料具有优良力学性能。

Description

稀土改性碳纤维/环氧树脂复合材料制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料制备方法，尤其涉及一种稀土改性碳纤维/环氧树脂复合材料制备方法，将经过稀土改性剂处理的碳纤维填充环氧树脂制备复合材料，以提高碳纤维/环氧树脂复合材料的界面的结合力，进而提高复合材料的实际工程应用价值。
背景技术
碳纤维具有比强度大、弹性模量高、耐热性高、化学稳定性好等特点，是制备高性能树脂基复合材料常用的增强纤维。碳纤维增强复合材料具有优异的力学性能，并且质量轻，广泛应用于航空、航天、造船、汽车和建筑等领域，尤其是在航空航天领域，碳纤维作为复合材料的增强材料，具有明显的优势。碳纤维/环氧复合材料被大量用作制造飞机的材料，如发动机仓、中央发动机整流罩、机翼与机身整流罩、挂架整流罩、方向舵和升降舵后缘、应急出口的门和窗等。
但是，碳纤维中的碳分子平面是沿纤维轴平行取向，表面呈化学惰性，与环氧树脂基体之间的亲和性较差，难以形成化学键连接并且界面层存在不相溶组分，界面粘结强度低，复合时容易在界面上形成空隙和缺陷，增强体与基体树脂难以形成有效粘结，影响复合材料综合性能的发挥。随着现代科学技术的进步，对材料的性能要求越来越高。为了提高碳纤维增强环氧树脂复合材料的摩擦学性能和力学性能，进一步拓宽其应用范围，必须对其制作工艺和表面界面处理方法进行深入研究。界面是复合材料极为重要的微观结构，它是外加载荷从基体向增强材料传递的纽带，直接影响材料的性能，为此，必须根据纤维和树脂基体的种类及特点，选用适当的方法，对碳纤维的表面进行改性处理，来改善纤维与基体之间的浸润性，在纤维与基体之间形成化学结合，以提高短切碳纤维与环氧树脂基体之间的界面结合强度，获得具有优良力学性能的碳纤维/环氧复合材料。
目前，主要应用氧化法、沉积法、电聚合与电沉积法、等离子体处理等来改善碳纤维与聚合物基体的界面结合力，以提高碳纤维增强聚合物复合材料的综合性能。这些方法在一定程度上改善了界面相的结合力，提高了复合材料的使用价值，但达不到理想的效果，存在着效果不稳定、容易退化、对纤维损伤较大、加工性能差等缺点，致使复合材料的界面结合力较差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种稀土改性碳纤维/环氧树脂复合材料制备方法，具有工艺简单，低成本高效率的特点，能很好的改善短切碳纤维和环氧树脂基体的界面结合力，从而提高复合材料的综合性能。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中，先对碳纤维进行预处理以去除表面残留的有机物，再在室温下采用稀土改性剂对碳纤维进行表面改性处理，然后在环氧树脂中加入重量百分比为5～25％的固化剂配成环氧胶液，将处理后的碳纤维浸入环氧树脂胶液制成预浸料，预浸料的含胶量体积百分比为35～45％，然后将预浸料叠层(10～300层，根据构件厚度需要)后热压固化成型，制成碳纤维/环氧复合材料。其中，稀土改性剂的组分包括稀土化合物、乙醇、乙二胺四乙酸、氯化铵、硝酸和尿素。
由于稀土元素特殊的4f层结构以及电负性较小，稀土元素本身具有突出的化学活性，在碳纤维表面处理过程中，吸附在碳纤维表面的一部分稀土元素以活性稀土原子的形式出现，它们有可能通过碳纤维表面缺陷进入表层并留存于缺陷处，且稀土原子由于电负性极低，与H、O有极强的化学亲和力，可作为一个负电中心吸引周围的原子，成为活性中心。一些稀土原子在活性中心处进行物理吸附形成活化体，并在靠近碳纤维表面产生畸变区，从而更加有利于稀土原子的吸附，使表面吸附浓度大为提高，促进了碳纤维表面处理过程。活性稀土原子和稀土活性中心的形成对碳纤维表面起到了洁净活化的作用，可进一步提高碳纤维与环氧树脂之间的界面结合力。碳纤维表面的活性稀土原子是稀土元素发挥作用的真正源泉。可通过与碳纤维及基体树脂发生的化学作用来改进碳纤维/环氧树脂复合材料的界面结合性能。
本发明的复合材料制备方法具体如下：
首先，对碳纤维进行预处理，在450～600℃马福炉中烧蚀0.5～1小时，使其表面有机物残留量在1％以下。然后采用稀土改性剂处理，将碳纤维在室温下浸入改性剂中，浸泡2～4小时，过滤后，烘干。
在环氧树脂中加入重量百分比为5～25％的固化剂配成环氧胶液，将处理后的碳纤维浸胶后，制成单向预浸料，控制预浸料中含胶量体积百分比为35～45％，然后将预浸料叠层后(10～300层，根据构件厚度需要)放在压力机中热压固化成型，再通过机械加工成碳纤维/环氧树脂复合材料试样或构件。
本发明采用的稀土改性剂的组分重量百分比为：
稀土化合物：2～10％
乙醇：75～95％
乙二胺四乙酸(EDTA)：1～10％
氯化铵：1～5％
硝酸：0.5～1％
尿素：0.5～2％
本发明的稀土化合物可以为氯化镧、氯化铈、氧化镧或氧化铈。
本发明适用于各种碳纤维增强环氧树脂复合材料，其中碳纤维包括各种型号的聚丙烯腈基和沥青基短切碳纤维，如T-300等。环氧树脂包括各种牌号的双酚A型环氧树脂，如618、E-44、F-51、F-44、F-46等。固化剂包括各种牌号的芳香胺类或者咪唑类固化剂。
本发明具有显著的效果。采用了稀土改性剂处理碳纤维表面，能够更好地提高复合材料的界面结合力，从而更为明显地提高复合材料的力学性能，并且稀土改性剂处理工艺方法简单，成本低，对环境无污染，处理后碳纤维不会粘结在一起，工艺性好。采用本发明的方法制备的复合材料力学性能好，拉伸强度、弯曲强度和冲击韧性得到显著提高。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1：
所用的原材料包括：环氧树脂，上海树脂厂生产的E-51双酚A型环氧树脂；固化剂为593改性芳香胺类固化剂(常温固化)：碳纤维，无涂层聚丙稀腈基高强型，吉林碳素厂生产；稀土改性剂按照下列重量百分比配制：
氯化镧：2％，乙醇：93％，乙二胺四乙酸(EDTA)：2％，氯化铵：1％，硝酸：0.5％，尿素：1.5％。
先对碳纤维进行预处理，在450℃马福炉中烧蚀1小时，使其表面有机物残留量在1％以下。然后采用上述稀土改性剂处理，将碳纤维在室温下浸入改性剂中，浸泡2小时，过滤后，烘干。
在环氧树脂中加入重量百分比为20％的固化剂，配成环氧胶液，将处理后的碳纤维和环氧树脂复合，制成单向预浸料，控制预浸料中环氧树脂的体积百分比含量为35％，按照单向铺层方式把预浸料铺25层，在压力机上压制固化成型，热压条件为30℃，50MPa，时间为15小时。
按照GB3354-82标准测试复合材料拉伸强度为1570MPa。
实施例2：
所用的原材料为：环氧树脂为上海树脂厂生产牌号为E-51的环氧树脂(618树脂)；碳纤维：T-300，涂层表面处理碳纤维，日本东丽公司生产；固化剂天津市化学试剂厂生产的2-乙基-4甲基咪唑；稀土改性剂按下列质量百分比配制：
氯化铈7％；乙醇76％；乙二胺四乙酸(EDTA)9％；氯化铵5％；硝酸1％；尿素2％。
先对碳纤维进行预处理，在550℃马福炉中烧蚀0.5小时，使其表面有机物残留量在1％以下。然后采用上述稀土改性剂处理，将碳纤维在室温下浸入改性剂中，浸泡3小时，过滤后，烘干。
在环氧树脂中加入重量百分比为7％的固化剂配制环氧胶液，取经过改性处理的碳纤维浸入环氧胶液，制成单向预浸料，预浸料中环氧树脂体积百分比含量为40％，然后将16层预浸布按照单向铺层方式叠合，放入平板模具中热压成型，热压条件如下：在室温下匀速升温至50℃，保温0.5小时，此时不加压力。充分浸润后，升温至75℃，保温5分钟后，加压80MPa，继续升温至100℃，保温3小时，然后冷却至室温。
按照GB3356-82标准测试复合材料弯曲强度为1220MPa。
实施例3
材料同实施例1，只改变稀土改性剂的配比：氧化镧10％；乙醇82％；乙二胺四乙酸(EDTA)5％；氯化铵2％；硝酸0.5％；尿素0.5％。
先对碳纤维进行预处理，在600℃马福炉中烧蚀0.5小时，使其表面有机物残留量在1％以下。然后采用上述稀土改性剂处理，将碳纤维在室温下浸入改性剂中，浸泡4小时，过滤后，烘干。
复合材料制作工艺同实施例1，测试复合材料弯曲强度为54.0MPa。

Claims (3)

1、一种稀土改性碳纤维/环氧树脂复合材料制备方法，其特征在于先将碳纤维放在450～600℃马福炉中烧蚀0.5～1小时，使其表面有机物残留量在1％以下，然后将碳纤维在室温下浸入稀土改性剂中浸泡2～4小时，过滤后烘干；在环氧树脂中加入重量百分比为5～25％的固化剂配成环氧胶液，将处理后的碳纤维浸胶制成单向预浸料，控制预浸料的含胶量体积百分比为35～45％，然后将预浸料叠层后热压固化成型，其中，稀土改性剂的组分重量百分比为：稀土化合物2～10％，乙醇75～95％，乙二胺四乙酸1～10％，氯化铵1～5％，硝酸0.5～1％，尿素0.5～2％。
2、如权利要求1的稀土改性碳纤维/环氧树脂复合材料制备方法，其特征在于所述的稀土化合物为氯化镧、氯化铈、氧化镧或氧化铈。
3、如权利要求1的稀土改性碳纤维/环氧树脂复合材料制备方法，其特征在于所述的碳纤维为聚丙烯腈基和沥青基碳纤维，环氧树脂包括双酚A型环氧树脂，固化剂包括芳香胺类或者咪唑类固化剂。
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