一種碳纖維增強環氧樹脂複合材料及其製備方法與流程
2024-02-29 14:45:15 1
本發明涉及複合材料領域，特別涉及一種碳纖維增強環氧樹脂複合材料及其製備方法。
背景技術：
：聚丙烯腈纖維複合板材由於施工靈活方便，工效高，耐腐蝕性好等原因，在建築結構及建築物履行加固維護領域中應用得越來越廣泛。但目前碳纖維板材料由於質量不穩定，強度還不足夠達到建築用強度，板材的抗老化性能也不存在缺陷，制約了聚丙烯腈纖維複合材料在建築領域中的應用。技術實現要素：綜上所述，本發明有必要提供一種碳纖維增強環氧樹脂複合材料的製備方法。此外，還有必要提供一種上述製備方法製得的碳纖維增強環氧樹脂複合材料。一種碳纖維增強環氧樹脂複合材料及其製備方法，包括以下步驟：1)將紡絲液通過幹噴溼紡法製備得到1-1.5旦的聚丙烯腈纖維，所述紡絲液是丙烯腈的單聚物，所述丙烯腈聚合物數均分子量為2.6×105-4.0×105，重均分子量為5×105-8×105；2)將步驟1)所述的聚丙烯腈纖維在1000-1200℃的條件下進行熱處理20min，得到聚丙烯腈碳纖維；3)待步驟2)的聚丙烯腈碳纖維冷卻後進行強酸電解改性：將聚丙烯腈碳纖維在盛有強酸性電解液的電解槽中進行電化學改性；4)將步驟3)得到的聚丙烯腈碳纖維切斷成長度為8-12mm的短切纖維；5)將步驟4)得到的聚丙烯腈碳纖維浸泡在表面改性劑中24小時；6)將以下材料按其重量份用模塑法製備得到複合材料：雙酚A環氧樹脂：30-40份；苯乙烯：3-5份；步驟5)表面改性的聚丙烯腈碳纖維：50-60份；加工助劑：3-5份。其中，所述雙酚A環氧樹指的數均分子量60000-80000，重均分子量100000-150000。其中，所述步驟3)的具體方法是：將碳纖維在盛有強酸性電解液的電解槽中進行電化學改性，所述的強酸性電解液的pH值為3-4，電流密度為1-2A/m2，電解時間為2-3min，電解的溫度為40-45℃。其中，所述表面改性劑是由以下成按其重量份組成的：二甲基亞碸10-25份、脂肪醇聚氧乙烯醚5-10份、雙酚A二縮水甘油醚5-10份，表面活性劑10-15份，水40-50份。其中，所述表面活性劑是兩性表面活性劑。其中，所述加工助劑是阻燃劑、光穩定劑、抗靜電劑、抗氧化劑中的一種或多種。其中，所述抗氧化劑是阻酚類抗氧劑、亞磷酸酯抗氧劑和有機硫抗氧劑中的一種或多種。上述的方法製備得到的碳纖維增強環氧樹脂複合材料，所述複合材料的抗衝擊強度為12.8KJ/m2以上。其中，所述複合材料的抗彎曲強度為230MPa以上。上述複合材料在建築材料領域中的應用。所述加工助劑包括但不限於阻燃劑、光穩定劑、抗靜電劑和抗氧化劑。所述抗氧化劑可以是阻酚類抗氧劑、亞磷酸酯抗氧劑和有機硫抗氧劑。相較現有技術，本發明所述的方法通過對碳纖維表面的改性，通過兩次改性，並在一定的比例條件與環氧樹脂在模塑法的條件製備得的碳纖維增強環氧樹脂複合材料，硬度大且其綜合的力學性能比較好，可以應用於建築領域。另外，本發明所述的複合材料使用的原料可以在一些廢料中取得，利於廢料循環利用，是一種環境友好的複合材料。具體實施方式下面結合一些具體實施方式對本發明做進一步描述。具體實施例為進一步詳細說明本發明，非限定本發明的保護範圍。對本發明所用的材料的說明：本發明所述物質均來源於市售。表面活性劑為烷基二甲基甜菜鹼性兩性表面活性劑。測試方法複合材料的抗拉伸強度測試：按國標GB/T1040-2006進行，試樣形狀為啞鈴形。複合材料的抗層間剪切強度測試：按JC/T773-82(96)進行，試樣形狀為啞鈴形。複合材料的抗彎曲強度測試：按國標GB/T9341-2008進行，試樣形狀為啞鈴形。複合材料的抗衝擊強度測試：按國標GB/T1043.1-2008進行，在擺錘式懸臂梁衝擊試驗機上進行測試，缺口類型為A。複合材料的硬度測試：用邵氏D型硬度計進行硬度測試。電解改性的條件複合材料力學性的影響實施例11)將紡絲液通過幹噴溼紡法製備得到1旦的聚丙烯腈纖維，所述紡絲液是丙烯腈的單聚物，所述丙烯腈聚合物數均分子量為2.6×105，重均分子量為5×105；2)將步驟1)所述的聚丙烯腈纖維在1000℃的條件下進行熱處理20min，得到聚丙烯腈碳纖維；3)待步驟2)的聚丙烯腈碳纖維冷卻後進行強酸電解改性：將聚丙烯腈碳纖維在盛有強酸性電解液的電解槽中進行電化學改性，將碳纖維在盛有強酸性電解液的電解槽中進行電化學改性，所述的強酸性電解液的pH值為3，電流密度為1A/m2，電解時間為2min，電解的溫度為40℃；4)將步驟3)得到的聚丙烯腈碳纖維切斷成長度為10mm的短切纖維；5)將步驟4)得到的聚丙烯腈碳纖維浸泡在表面改性劑中24小時；6)將以下材料按其重量份用模塑法製備得到複合材料：雙酚A環氧樹脂：30份；苯乙烯：3份；步驟5)表面改性的聚丙烯腈碳纖維：50份；加工助劑：3份。其中雙酚A環氧樹指的數均分子量60000，重均分子量100000。其中，所述表面改性劑是由以下成按其重量份組成的：二甲基亞碸10份、脂肪醇聚氧乙烯醚5份、雙酚A二縮水甘油醚5份，表面活性劑10份，水40份。測試複合材料的各項力學性能，將數據列於表1中。實施例21)將紡絲液通過幹噴溼紡法製備得到1.5旦的聚丙烯腈纖維，所述紡絲液是丙烯腈的單聚物，所述丙烯腈聚合物數均分子量為4×105，重均分子量為6×105；2)將步驟1)所述的聚丙烯腈纖維在1200℃的條件下進行熱處理20min，得到聚丙烯腈碳纖維；3)待步驟2)的聚丙烯腈碳纖維冷卻後進行強酸電解改性：將聚丙烯腈碳纖維在盛有強酸性電解液的電解槽中進行電化學改性，將碳纖維在盛有強酸性電解液的電解槽中進行電化學改性，所述的強酸性電解液的pH值為4，電流密度為2A/m2，電解時間為3min，電解的溫度為45℃；4)將步驟3)得到的聚丙烯腈碳纖維切斷成長度為10mm的短切纖維；5)將步驟4)得到的聚丙烯腈碳纖維浸泡在表面改性劑中24小時；6)將以下材料按其重量份用模塑法製備得到複合材料：雙酚A環氧樹脂：30份；苯乙烯：3份；步驟5)表面改性的聚丙烯腈碳纖維：50份；加工助劑：3份。其中雙酚A環氧樹指的數均分子量70000，重均分子量120000。其中，所述表面改性劑是由以下成按其重量份組成的：二甲基亞碸10份、脂肪醇聚氧乙烯醚5份、雙酚A二縮水甘油醚5份，表面活性劑10份，水40份。測試複合材料的各項力學性能，將數據列於表1中。實施例31)將紡絲液通過幹噴溼紡法製備得到1.5旦的聚丙烯腈纖維，所述紡絲液是丙烯腈的單聚物，所述丙烯腈聚合物數均分子量為3×105，重均分子量為8×105；2)將步驟1)所述的聚丙烯腈纖維在1000℃的條件下進行熱處理20min，得到聚丙烯腈碳纖維；3)待步驟2)的聚丙烯腈碳纖維冷卻後進行強酸電解改性：將聚丙烯腈碳纖維在盛有強酸性電解液的電解槽中進行電化學改性，將碳纖維在盛有強酸性電解液的電解槽中進行電化學改性，所述的強酸性電解液的pH值為3，電流密度為1A/m2，電解時間為2min，電解的溫度為45℃；4)將步驟3)得到的聚丙烯腈碳纖維切斷成長度為10mm的短切纖維；5)將步驟4)得到的聚丙烯腈碳纖維浸泡在表面改性劑中24小時；6)將以下材料按其重量份用模塑法製備得到複合材料：雙酚A環氧樹脂：30份；苯乙烯：3份；步驟5)表面改性的聚丙烯腈碳纖維：50份；加工助劑：3份。其中雙酚A環氧樹指的數均分子量80000，重均分子量150000。其中，所述表面改性劑是由以下成按其重量份組成的：二甲基亞碸10份、脂肪醇聚氧乙烯醚5份、雙酚A二縮水甘油醚5份，表面活性劑10份，水40份。測試複合材料的各項力學性能，將數據列於表1中。對比例1其餘條件與實施例1相同，減少電解改性的步驟，測試得到的複合材料的各項力學性能，將數據列於表1中。對比例2和對比例3其餘條件與實施例1相同，丙聚烯聚合物和雙酚A環氧樹脂的數均分子量與數均分子量以及電解改性的條件不同，按表1所示，分別製備得到的複合材料，分別測試複合材料的各項力學性能，將數據列於表1中。表1對實施例1-3和對比例1-3對比可以看出，當電解條件為強酸性電解液的pH值為3，電流密度為1A/m2，電解時間為2min，電解的溫度為40℃時，所述複合材料的力學性能更好，由對比例3與實施例1-3的比對發現，當聚丙烯腈和雙酚A環氧樹指的重均分子量和數均分子量過高時，對複合材料的力學性能有負面的影響。碳纖維長度對複合材料力學性能的影響實施例41)將紡絲液通過幹噴溼紡法製備得到1旦的聚丙烯腈纖維，所述紡絲液是丙烯腈的單聚物，所述丙烯腈聚合物數均分子量為2.6×105，重均分子量為5×105；2)將步驟1)所述的聚丙烯腈纖維在1000℃的條件下進行熱處理20min，得到聚丙烯腈碳纖維；3)待步驟2)的聚丙烯腈碳纖維冷卻後進行強酸電解改性：將聚丙烯腈碳纖維在盛有強酸性電解液的電解槽中進行電化學改性，將碳纖維在盛有強酸性電解液的電解槽中進行電化學改性，所述的強酸性電解液的pH值為3，電流密度為1A/m2，電解時間為2min，電解的溫度為40℃；4)將步驟3)得到的聚丙烯腈碳纖維切斷成長度為8mm的短切纖維；5)將步驟4)得到的聚丙烯腈碳纖維浸泡在表面改性劑中24小時；6)將以下材料按其重量份用模塑法製備得到複合材料：雙酚A環氧樹脂：30份；苯乙烯：3份；步驟5)表面改性的聚丙烯腈碳纖維：50份；加工助劑：3份。其中雙酚A環氧樹指的數均分子量60000，重均分子量100000。其中，所述表面改性劑是由以下成按其重量份組成的：二甲基亞碸10份、脂肪醇聚氧乙烯醚5份、雙酚A二縮水甘油醚5份，表面活性劑10份，水40份。測試複合材料的各項力學性能，將數據列於表2中。實施例5其餘條件與實施例4相同，在步驟4)中：將步驟3)得到的聚丙烯腈碳纖維切斷成長度為12mm的短切纖維；測試複合材料的各項力學性能，將數據列於表2中。對比例4其餘條件與實施例4相同，在步驟4)中：將步驟3)得到的聚丙烯腈碳纖維切斷成長度為6mm的短切纖維；測試複合材料的各項力學性能，將數據列於表2中。對比例5其餘條件與實施例4相同，在步驟4)中：將步驟3)得到的聚丙烯腈碳纖維切斷成長度為15mm的短切纖維；測試複合材料的各項力學性能，將數據列於表2中。表2實施例1實施例4實施例5對比例4對比例5纖維長度/mm10812615抗拉伸強度/MPa180184182178176抗層間剪切強度測試/MPa9596938988抗彎曲強度/MPa230230228225222抗衝擊強度/(KJ/m2)13.012.813.212.412.2硬度/邵氏硬度D8885848180由實施例1、4、5和對比例4和對比例5對比發現，當聚丙烯腈碳纖維長度在8-12mm時，複合材料和綜合力學性能更好。複合材料配方對複合材料力學性能的影響實施例61)將紡絲液通過幹噴溼紡法製備得到1旦的聚丙烯腈纖維，所述紡絲液是丙烯腈的單聚物，所述丙烯腈聚合物數均分子量為2.6×105，重均分子量為5×105；2)將步驟1)所述的聚丙烯腈纖維在1000℃的條件下進行熱處理20min，得到聚丙烯腈碳纖維；3)待步驟2)的聚丙烯腈碳纖維冷卻後進行強酸電解改性：將聚丙烯腈碳纖維在盛有強酸性電解液的電解槽中進行電化學改性，將碳纖維在盛有強酸性電解液的電解槽中進行電化學改性，所述的強酸性電解液的pH值為3，電流密度為1A/m2，電解時間為2min，電解的溫度為40℃；4)將步驟3)得到的聚丙烯腈碳纖維切斷成長度為10mm的短切纖維；5)將步驟4)得到的聚丙烯腈碳纖維浸泡在表面改性劑中24小時；6)將以下材料按其重量份用模塑法製備得到複合材料：雙酚A環氧樹脂：40份；苯乙烯：5份；步驟5)表面改性的聚丙烯腈碳纖維：60份；加工助劑：3份。其中雙酚A環氧樹指的數均分子量60000，重均分子量100000。其中，所述表面改性劑是由以下成按其重量份組成的：二甲基亞碸10份、脂肪醇聚氧乙烯醚5份、雙酚A二縮水甘油醚5份，表面活性劑10份，水40份。測試複合材料的各項力學性能，將數據列於表3中。實施例7和對比例6、7與實施例6相比，其餘條件均相同，在製備複合材料時，將雙酚A環氧樹脂、苯乙烯、步驟5)表面改性的聚丙烯腈碳纖維和加工助劑按表3所示的重量份用模塑法製得。分別測試複合材料的各項力學性能，將數據列於表3中。表3由上表也可以看出，當雙酚A環氧樹脂與聚丙烯腈碳纖維的比例以及苯乙烯的添加比例對複合材料的力學性能的影響也比較大。改性劑配方對複合材料的影響實施例81)將紡絲液通過幹噴溼紡法製備得到1旦的聚丙烯腈纖維，所述紡絲液是丙烯腈的單聚物，所述丙烯腈聚合物數均分子量為2.6×105，重均分子量為5×105；2)將步驟1)所述的聚丙烯腈纖維在1000℃的條件下進行熱處理20min，得到聚丙烯腈碳纖維；3)待步驟2)的聚丙烯腈碳纖維冷卻後進行強酸電解改性：將聚丙烯腈碳纖維在盛有強酸性電解液的電解槽中進行電化學改性，將碳纖維在盛有強酸性電解液的電解槽中進行電化學改性，所述的強酸性電解液的pH值為3，電流密度為1A/m2，電解時間為2min，電解的溫度為40℃；4)將步驟3)得到的聚丙烯腈碳纖維切斷成長度為10mm的短切纖維；5)將步驟4)得到的聚丙烯腈碳纖維浸泡在表面改性劑中24小時；6)將以下材料按其重量份用模塑法製備得到複合材料：雙酚A環氧樹脂：30份；苯乙烯：3份；步驟5)表面改性的聚丙烯腈碳纖維：50份；加工助劑：3份。其中雙酚A環氧樹指的數均分子量60000，重均分子量100000。其中，所述表面改性劑是由以下成按其重量份組成的：二甲基亞碸25份、脂肪醇聚氧乙烯醚10份、雙酚A二縮水甘油醚10份，表面活性劑15份，水50份。測試複合材料的各項力學性能，將數據列於表4中。實施例9和對比例8、9其餘條件與實施例8相同，除了表面改性劑的配方不同，根據表4所示的配方製備表面改性劑，製備得到複合材料，分別測試複合材料的各項力學性能，將數據列於表4中。表4實施例1實施例8實施例9對比例8對比例9二甲基亞碸102520520脂肪醇聚氧乙烯醚51071010雙酚A二縮水甘油醚5108015表面活性劑1015121212水4050454040抗拉伸強度/MPa180182178170174抗層間剪切強度測試/MPa9596928989抗彎曲強度/MPa230232235222220抗衝擊強度/(KJ/m2)13.013.213.512.412.2硬度/邵氏硬度D8886858081由表4可以看出，表面改性劑的配方對複合材料的力學性能也有影響。綜合以上，由本案所公開的技術方案可以製備得到一種力學性能優良的聚丙烯腈碳纖維增強環氧樹脂複合材料。以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的
技術領域：
，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。當前第1頁1 2 3