一種新型碳纖維增強環氧樹脂複合材料及其製備方法與流程

2023-06-01 15:00:46 1

技術領域：
：本發明涉及複合材料領域，具體的涉及一種碳纖維增強環氧樹脂複合材料。
背景技術：
：：環氧樹脂是一類重要的熱固性塑料，廣泛用於黏合劑，塗料等用途。又稱作人工樹脂、人造樹脂、樹脂膠等。人造樹脂是熱固性環氧化物聚合物。大多數人造樹脂由氯環氧丙烷和雙酚a(酚甲烷)產生化學反應而成。凡分子結構中含有環氧基團的高分子化合物統稱為環氧樹脂。固化後的環氧樹脂具有良好的物理、化學性能，它對金屬和非金屬材料的表面具有優異的粘接強度，介電性能良好，變定收縮率小，製品尺寸穩定性好，硬度高，柔韌性較好，對鹼及大部分溶劑穩定，因而廣泛應用於國防、國民經濟各部門，作澆注、浸漬、層壓料、粘接劑、塗料等用途。但是其不增韌時，抗剝離、抗開裂、抗衝擊性能差，且對極性小的材料粘結力小。碳纖維是一種含碳量在95％以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維"外柔內剛"，質量比金屬鋁輕，但強度卻高於鋼鐵，並且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本徵特性，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。但是由於其自身存在浸潤性差等原因，在製備複合材料時應進行表面處理。技術實現要素：：本發明的目的是提供一種碳纖維增強環氧樹脂複合材料，其尺寸穩定性好，硬度高，柔韌性好，抗衝擊性能、抗開裂性能優異。本發明的另一個目的是提供該複合材料的製備方法。為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：一種碳纖維增強環氧樹脂複合材料，以重量份計，包括以下組分：碳纖維5-10份，環氧樹脂30-50份，聚碳酸丁二酯3-8份，聚乙烯醇10-20份，聚醋酸乙烯2-5份，羥丙基纖維素5-10份，羥乙基纖維素8-12份，魔芋膠2-5份，殼寡糖3-10份，矽烷偶聯劑2-3份，固化劑3-6份，加工助劑1-3份。作為上述技術方案的優選，一種碳纖維增強環氧樹脂複合材料，以重量份計，包括以下組分：碳纖維5-10份，環氧樹脂30-50份，聚碳酸丁二酯3-8份，聚乙烯醇10-20份，聚醋酸乙烯2-5份，羥丙基纖維素5-10份，羥乙基纖維素8-12份，魔芋膠2-5份，殼寡糖3-10份，矽烷偶聯劑2-3份，固化劑3-6份，加工助劑1-3份。作為上述技術方案的優選，所述碳纖維的長度為1-2μm，其含碳量≥95％，孔隙率為＜0.9％。碳纖維的長度對環氧樹脂複合材料的力學性能有一定的影響，碳纖維長度過短，碳纖維的有效增強效果區域較小，可能在環氧樹脂基體中形成增強盲區，則起不到增強的作用；碳纖維長度過長，碳纖維的均勻分散比較困難，較長的碳纖維在混合時容易團聚，則對加工工藝產生不利的影響，容易引起碳纖維間的纏繞。作為上述技術方案的優選，所述環氧樹脂對的環氧值為0.5-0.52eq/100g，無機氯值＜1×10-3eq/100g。作為上述技術方案的優選，所述矽烷偶聯劑為kh550、kh560、kh570的混合物，三者體積比為1:1:2。偶聯劑為雙官能團分子，偶聯劑分子水解後，分子的一端可以與碳纖維表面的活性基團，如-oh、cooh等發生反應形成化學鍵，分子另一端的官能團可以與樹脂基體發生反應形成化學鍵，從而將碳纖維與環氧樹脂基體間有機的結合起來，達到提高界面強度的目的。作為上述技術方案的優選，所述固化劑為聚醯胺樹脂，其固含量＞95％，40℃粘度為5000-8000mpa·s。作為上述技術方案的優選，所述加工助劑為硬脂酸鋅、環氧大豆油、硬脂酸、硬脂酸鈣、二亞乙基三胺、甘油中的一種或多種混合。一種碳纖維增強環氧樹脂複合材料的製備方法，包括以下步驟：(1)將碳纖維和無水乙醇混合攪拌均勻，加入矽烷偶聯劑，在500-1000w的功率下，超聲2-5h，過濾，80-100℃下，真空乾燥，得到改性碳纖維；(2)將改性碳纖維、聚碳酸丁二酯、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯和乙酸乙酯，混合，超聲分散，得到懸浮液；(3)向步驟(2)得到的懸浮液中加入環氧樹脂、魔芋膠、殼寡糖，繼續攪拌，超聲2-3h，後由旋轉蒸發儀在60-70℃下，攪拌蒸發溶劑，在溶劑蒸髮結束前5-10min，加入固化劑和加工助劑，攪拌混合均勻，在真空乾燥箱中抽真空除氣，然後轉入不鏽鋼模具中，放入平板硫化機中150-180℃熱固化2-5h，得到碳纖維增強環氧樹脂複合材料。作為上述技術方案的優選，步驟(1)中，所述超聲的功率為800w，所述超聲的時間為3h。作為上述技術方案的優選，步驟(1)中，碳纖維和無水乙醇的質量比為1:5-10。本發明具有以下有益效果：本發明採用碳纖維對環氧樹脂進行增強，添加魔芋膠、殼寡糖作為輔助增韌劑，得到的環氧樹脂複合材料尺寸穩定性好，硬度高，柔韌性好，抗衝擊性能、抗開裂性能優異；碳纖維增強環氧樹脂複合材料無毒，生物可降解性好，製備方法簡單，工藝易於控制，成本低。具體實施方式：為了更好的理解本發明，下面通過實施例對本發明進一步說明，實施例只用於解釋本發明，不會對本發明構成任何的限定。實施例1一種碳纖維增強環氧樹脂複合材料，以重量份計，包括以下組分：碳纖維5份，環氧樹脂30份，聚碳酸丁二酯3份，聚乙烯醇10份，聚醋酸乙烯2份，羥丙基纖維素5份，羥乙基纖維素8份，魔芋膠2份，殼寡糖3份，矽烷偶聯劑2份，固化劑3份，加工助劑1份。其製備方法包括以下步驟：(1)將碳纖維和無水乙醇混合攪拌均勻，加入矽烷偶聯劑，在500w的功率下，超聲2h，過濾，80℃下，真空乾燥，得到改性碳纖維；(2)將改性碳纖維、聚碳酸丁二酯、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯和乙酸乙酯，混合，超聲分散，得到懸浮液；(3)向步驟(2)得到的懸浮液中加入環氧樹脂、魔芋膠、殼寡糖，繼續攪拌，超聲2h，後由旋轉蒸發儀在60℃下，攪拌蒸發溶劑，在溶劑蒸髮結束前5min，加入固化劑和加工助劑，攪拌混合均勻，在真空乾燥箱中抽真空除氣，然後轉入不鏽鋼模具中，放入平板硫化機中150℃熱固化2h，得到碳纖維增強環氧樹脂複合材料。實施例2一種碳纖維增強環氧樹脂複合材料，以重量份計，包括以下組分：碳纖維10份，環氧樹脂50份，聚碳酸丁二酯8份，聚乙烯醇20份，聚醋酸乙烯5份，羥丙基纖維素10份，羥乙基纖維素12份，魔芋膠5份，殼寡糖10份，矽烷偶聯劑3份，固化劑6份，加工助劑3份。其製備方法包括以下步驟：(1)將碳纖維和無水乙醇混合攪拌均勻，加入矽烷偶聯劑，在1000w的功率下，超聲5h，過濾，100℃下，真空乾燥，得到改性碳纖維；(2)將改性碳纖維、聚碳酸丁二酯、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯和乙酸乙酯，混合，超聲分散，得到懸浮液；(3)向步驟(2)得到的懸浮液中加入環氧樹脂、魔芋膠、殼寡糖，繼續攪拌，超聲3h，後由旋轉蒸發儀在70℃下，攪拌蒸發溶劑，在溶劑蒸髮結束前10min，加入固化劑和加工助劑，攪拌混合均勻，在真空乾燥箱中抽真空除氣，然後轉入不鏽鋼模具中，放入平板硫化機中180℃熱固化5h，得到碳纖維增強環氧樹脂複合材料。實施例3一種碳纖維增強環氧樹脂複合材料，以重量份計，包括以下組分：碳纖維6份，環氧樹脂35份，聚碳酸丁二酯4份，聚乙烯醇12份，聚醋酸乙烯3份，羥丙基纖維素6份，羥乙基纖維素9份，魔芋膠3份，殼寡糖4份，矽烷偶聯劑2.2份，固化劑4份，加工助劑1.5份。其製備方法包括以下步驟：(1)將碳纖維和無水乙醇混合攪拌均勻，加入矽烷偶聯劑，在600w的功率下，超聲3h，過濾，85℃下，真空乾燥，得到改性碳纖維；(2)將改性碳纖維、聚碳酸丁二酯、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯和乙酸乙酯，混合，超聲分散，得到懸浮液；(3)向步驟(2)得到的懸浮液中加入環氧樹脂、魔芋膠、殼寡糖，繼續攪拌，超聲2.2h，後由旋轉蒸發儀在62℃下，攪拌蒸發溶劑，在溶劑蒸髮結束前6min，加入固化劑和加工助劑，攪拌混合均勻，在真空乾燥箱中抽真空除氣，然後轉入不鏽鋼模具中，放入平板硫化機中160℃熱固化3h，得到碳纖維增強環氧樹脂複合材料。實施例4一種碳纖維增強環氧樹脂複合材料，以重量份計，包括以下組分：碳纖維7份，環氧樹脂40份，聚碳酸丁二酯5份，聚乙烯醇14份，聚醋酸乙烯3.5份，羥丙基纖維素7份，羥乙基纖維素10份，魔芋膠3.5份，殼寡糖5份，矽烷偶聯劑2.4份，固化劑4.5份，加工助劑2份。其製備方法包括以下步驟：(1)將碳纖維和無水乙醇混合攪拌均勻，加入矽烷偶聯劑，在700w的功率下，超聲3.5h，過濾，90℃下，真空乾燥，得到改性碳纖維；(2)將改性碳纖維、聚碳酸丁二酯、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯和乙酸乙酯，混合，超聲分散，得到懸浮液；(3)向步驟(2)得到的懸浮液中加入環氧樹脂、魔芋膠、殼寡糖，繼續攪拌，超聲2.4h，後由旋轉蒸發儀在64℃下，攪拌蒸發溶劑，在溶劑蒸髮結束前7min，加入固化劑和加工助劑，攪拌混合均勻，在真空乾燥箱中抽真空除氣，然後轉入不鏽鋼模具中，放入平板硫化機中165℃熱固化4h，得到碳纖維增強環氧樹脂複合材料。實施例5一種碳纖維增強環氧樹脂複合材料，以重量份計，包括以下組分：碳纖維8份，環氧樹脂45份，聚碳酸丁二酯6份，聚乙烯醇16份，聚醋酸乙烯4份，羥丙基纖維素8份，羥乙基纖維素10份，魔芋膠4份，殼寡糖8份，矽烷偶聯劑2.6份，固化劑5份，加工助劑2.5份。其製備方法包括以下步驟：(1)將碳纖維和無水乙醇混合攪拌均勻，加入矽烷偶聯劑，在800w的功率下，超聲4h，過濾，95℃下，真空乾燥，得到改性碳纖維；(2)將改性碳纖維、聚碳酸丁二酯、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯和乙酸乙酯，混合，超聲分散，得到懸浮液；(3)向步驟(2)得到的懸浮液中加入環氧樹脂、魔芋膠、殼寡糖，繼續攪拌，超聲2.6h，後由旋轉蒸發儀在66℃下，攪拌蒸發溶劑，在溶劑蒸髮結束前8min，加入固化劑和加工助劑，攪拌混合均勻，在真空乾燥箱中抽真空除氣，然後轉入不鏽鋼模具中，放入平板硫化機中170℃熱固化4.5h，得到碳纖維增強環氧樹脂複合材料。實施例6一種碳纖維增強環氧樹脂複合材料，以重量份計，包括以下組分：碳纖維9份，環氧樹脂48份，聚碳酸丁二酯7份，聚乙烯醇18份，聚醋酸乙烯4.5份，羥丙基纖維素9份，羥乙基纖維素11份，魔芋膠4.5份，殼寡糖9份，矽烷偶聯劑2.8份，固化劑5.5份，加工助劑2.5份。其製備方法包括以下步驟：(1)將碳纖維和無水乙醇混合攪拌均勻，加入矽烷偶聯劑，在900w的功率下，超聲4.5h，過濾，98℃下，真空乾燥，得到改性碳纖維；(2)將改性碳纖維、聚碳酸丁二酯、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯和乙酸乙酯，混合，超聲分散，得到懸浮液；(3)向步驟(2)得到的懸浮液中加入環氧樹脂、魔芋膠、殼寡糖，繼續攪拌，超聲2.8h，後由旋轉蒸發儀在68℃下，攪拌蒸發溶劑，在溶劑蒸髮結束前9min，加入固化劑和加工助劑，攪拌混合均勻，在真空乾燥箱中抽真空除氣，然後轉入不鏽鋼模具中，放入平板硫化機中177℃熱固化5h，得到碳纖維增強環氧樹脂複合材料。下面對本發明提供的碳纖維增強環氧樹脂複合材料進行性能測試。(1)拉伸強度用萬能試驗機wsn-5k測定，常規試驗速度為2-10mm/min，按照gb/t1040.2-2006標準進行測試。(2)抗衝擊強度用記憶式衝擊試驗機jj-20測定，按照gb/t1843-1996標準進行測試。測試結果如表1所示：表1實施例1實施例2實施例3實施例4實施例5實施例6拉伸強度，mpa31.632.131.530.932.231.8抗衝擊強度，kj/m26.16.26.15.86.06.3從表1來看，本發明提供的碳纖維增強環氧樹脂複合材料，力學性能優異。當前第1頁12