改性碳纖維增強環氧樹脂基複合棒材的製作方法
2023-08-05 20:57:36
專利名稱：改性碳纖維增強環氧樹脂基複合棒材的製作方法
技術領域：
本發明涉 及一種碳纖維複合材料，尤其涉及一種改性碳纖維增強環氧樹脂基複合 棒材。
背景技術：
我國在高壓輸電線路中一直使用鋼芯鋁導線，鋼芯作為高壓電纜的支撐材料，既 能增加導線的強度，又不影響導電性。然而導線在交流電壓作用下，鋼芯鋁導線的能量損耗 除了由直流電阻引起的功率損耗外，還應加上鋼芯引起的磁滯損耗和渦流損耗，從而增加 了線路輸電過程中的能耗。隨著用電需求的迅速增長以及資源能源的日益緊張和環境保護 的限制不斷加大，需要新建線路或改造已有線路，進一步提高電網的輸電能力，尤其在經濟 發達地區，這個問題就更加突出。低損耗、環保型、節約型的碳纖維增強樹脂基複合材料代 替金屬材料製作導線的芯材，開發出了新型複合材料合成芯導線，具有很好的應用前景。這種碳纖維增強樹脂基複合材料合成芯導線，與目前鋼芯鋁導線相比，具有能耗 低、重量輕、抗拉強度大、弧垂性能好、熱穩定性好、耐磨耐壓、耐腐蝕、施工壓接簡單易行等 優點；線路敷設時可降低鐵塔高度，加大架設間距，節省和降低工程投資，同時也降低了線 路的雷擊跳間率。因此，從節能、節地、節材、環保、提高輸電能力等方面看，輸電線路中採用 碳纖維增強樹脂基複合棒材作為高壓線纜的支撐芯棒，有利於電網安全、可靠、經濟運行， 值得在城鄉電網改造中大力推廣應用。中國專利號200710110870. 4公開了一種碳纖維複合加強芯線纜，該線纜的線芯 由環氧樹脂為基體材料，其上均勻分布著碳纖維，據稱，該芯棒具有強度高、重量輕等優點， 但是，該產品所用的碳纖維未經過表面處理，而未經表面處理的碳纖維具有表面光滑，表 面活性低、表面張力低，比表面積小，缺乏有化學活性的官能團，反應活性低，與樹脂基體 的浸潤性能差，高溫抗氧化性較差等缺點，平滑的表面與基體樹脂的錨定效應也較差，導 致複合材料的層間剪切強度降低，從而直接影響複合材料的力學性能，其強度利用率僅為 55% _60%。因此，表面處理是碳纖維應用工藝的一個重要工序，經過表面處理的碳纖維，可 以增加表面能，增強弱邊界層，從而提高表面的溼潤性和黏結等性能。目前使用較多的碳纖維表面處理方法主要有氧化處理，塗覆處理，射線、雷射、等 離子處理等，其中氧化處理可分為氣相氧化、液相氧化、電化學氧化處理。碳纖維的液相氧 化處理對改善碳纖維/樹脂複合材料的層間強度很有效，硝酸、高錳酸鉀、酸性重鉻酸鉀、 次氯酸鈉、過氧化氫和過硫酸鉀等都可以用於表面處理；液相氧化比氣相氧化溫和，一般 不會對碳纖維產生過度的凹坑和裂解；液相氧化主要使去掉碳纖維表面的弱界面層，引入 如-C00H、-0H、= 0等官能團，使其呈現親液性，從而提高複合材料界面粘接性能。通過液 相氧化處理對碳纖維進行表面改性，顯著改善了增強纖維與基體樹脂之間的界面粘接，其 層間剪切強度大大提高，界面層可有效地傳遞載荷，充分發揮增強纖維的高強度和高模量 的特徵，使其強度的利用率達到80% -90%。
發明內容
本發明的目的是提供一種應用特殊表面處理過的改性碳纖維增強環氧樹脂基復 合棒材，克服現有技術中表面活性低、表面張力低，與樹脂基體的浸潤性能差，並可作為高 壓線纜的支撐芯棒。為達到上述目的，本發明採用的技術方案是所述改性碳纖維增強環氧樹脂基復 合棒材有內外兩層，內層由表面改性碳纖維和固化環氧樹脂構成，外層由表面改性玻璃纖 維和固化環氧樹脂構成，碳纖維和玻璃纖維沿軸向平行排列，均勻分布於固化環氧樹脂中。 製備方法將長束碳纖維用復配的酸性溶液進行表面處理，取出烘乾；將長束玻璃纖維先 用微波處理，再用KH-550進行表面處理，取出烘乾；然後將處理好的碳纖維束 和玻璃纖維 束固定在線軸上，通過一個牽引裝置拉動各線軸上的多個纖維束，穿過一個有預定孔的引 導件依次進行各個工藝步驟；首先通過一個預熱裝置進行預熱，烘乾去除水汽，然後通過一 個浸漬槽，浸漬槽內裝有一種或兩種環氧樹脂以及抗氧劑、阻燃劑等助劑，使環氧樹脂組合 物均勻分布於纖維表面和纖維之間，最後纖維束被引入到圓柱型模具中，在90-150°C進行 預固化，然後在150-250°C的高溫加熱固化，最後脫去模具，即得到碳纖維複合樹脂棒材。和現有技術相比，本發明具有如下優點1、具有能耗低、重量輕、密度小；2、抗拉強度大、弧垂性能好、熱穩定性好；3、各項性能穩定，工藝重複性好。
圖1所示為本發明的結構示意圖；圖2所示為本發明的截面示意圖。圖中1內層 2外層
具體實施例方式以下結合附圖，具體說明本發明。一種改性碳纖維增強環氧樹脂基複合棒材，分為內層1和外層2，內層1由表面改 性碳纖維和固化環氧樹脂構成，外層2由表面改性玻璃纖維和固化環氧樹脂構成，碳纖維 和玻璃纖維沿軸向平行排列，均勻分布於固化環氧樹脂中。改性碳纖維複合棒材的截面圖為圓形，其總直徑一般在2_25mm之間，優選在 5-15mm之間，內層1的直徑與外徑2的寬度之比一般在1:5-5:1之間。根據應用場合的不同，改性碳纖維增強環氧樹脂基複合棒材的總長度可以是幾十 米到幾十千米。所述改性碳纖維增強環氧樹脂基複合棒材，以重量百分比計，由以下組分組成表面改性的碳纖維5_20%表面改性的玻璃纖維5_15%熱固性環氧樹脂基體40-60 %固化劑5_10% 加工助劑1_5%
所述的表面改性的碳纖維是採用液相氧化處理法處理的碳纖維，將碳纖維浸漬在裝有復配酸性溶液的浸漬槽中，40-80°C的反應溫度下，處理30-120min後，80-150°C烘乾 製成。所述的碳纖維最優選用纖維束1000以上，拉伸模量200Gpa以上的碳纖維，可以進
一步增強複合材料的性能。所述的復配酸性溶液由以下重量百分比的組分組成10-50%的雙氧水或無機酸、 50-70%的無機酸鹽和0-20%的有機酸鹽。所述的無機酸包括硫酸、硝酸、高氯酸、鹽酸、磷酸中的一種或幾種；所述的無機酸 鹽包括過硫酸、硝酸鈉、氯化鐵、高錳酸鉀、酸性重鉻酸鉀、次氯酸鈉中的一種或幾種；所述 的有機酸鹽為甲酸鈉、乙酸鈉、己二酸鈉，己二酸鉀、丙烯酸銨、丙烯酸銨中的一種或幾種。本發明採用特殊復配的酸性溶液對碳纖維進行表面處理，所得的碳纖維表面引入 含氧極性官能團，如_C00H、-0H、= 0等，增強碳纖維的表面活性，碳纖維表面的凹坑細密而 均勻，官能團以共價鍵的形式接入，大大提高了碳纖維與基體樹脂的相容性。所述的表面改性的玻璃纖維是採用矽烷偶聯劑KH-570處理的玻璃纖維，將玻璃 纖維經微波處理後，置入含有5-20% KH-570的二甲苯溶液中，40-80°C的反應溫度下，處理 30-120min 後，80-150°C烘乾製成。本發明採用5-20%的KH-570甲苯溶液對玻璃纖維進行表面處理，所得的玻璃纖 維表面引入極性環氧官能團，增強玻璃纖維的表面活性，大大提高了玻璃纖維與基體環氧 樹脂的相容性。對碳纖維和玻璃纖維進行表面處理後，將處理好的碳纖維束和玻璃纖維束固定在 線軸上，通過一個牽引裝置拉動各線軸上的多個纖維束，穿過一個有預定孔的引導件依次 進行各個工藝步驟，首先通過一個預熱裝置進行預熱，烘乾去除水汽，然後纖維束被牽引通 過一個浸漬槽，浸漬槽內裝有一種或兩種環氧樹脂以及抗氧劑、阻燃劑等助劑，將環氧樹脂 組合物均勻分布於纖維表面和纖維之間，最後纖維束被引入到圓柱型模具中，在90-150°C 下進行預固化，然後在150-250°C的高溫下加熱固化，最後脫去模具，即得到碳纖維複合樹 脂棒材。所述的環氧樹脂為多功能環氧樹脂Araldite CY179，Araldite MY0500， Araldite MY 721，Araldite XB 9721，Araldite LY5210 中的一種，或是其中的混
合環氧樹脂。所述的固化劑包括各種常見的環氧樹脂固化劑，例如乙二胺、三乙胺、順丁烯二酸 酐、鄰苯二甲酸酐等。具體的固化劑選擇依賴於應用環境的要求和碳纖維、玻璃纖維的選 擇。所述的加工助劑包括複合材料製備中通用的抗氧化劑、潤滑劑和相容劑等。根據本發明的改性碳纖維增強環氧樹脂基複合棒材拉伸強度大約在 2000-4000Mpa之間，彈性模量在大約100_300Gpa之間，工作溫度在大約-40-250°C之間，且 熱膨脹係數在大約0-6X10-6m/m/°C之間。製備的改性碳纖維增強環氧樹脂基複合棒材具 有抗拉強度大、弧垂性能好、熱穩定性好、耐磨耐壓、耐腐蝕等特點。下面結合具體實施例對本發明進行更詳細的描述，但本發明並不僅限於此。實施例一
碳纖維是購自日本東麗公司的T700碳纖維，連續玻璃纖維是購自南京玻璃纖維 研究所，環氧樹脂採用Araldi te CY179，固化劑採用鄰苯二甲酸酐，相對於樹脂組合物總 量約10%。採用前文所述工藝先對碳纖維和玻璃纖維進行改性，玻璃纖維採用微波處理，處 理時間固定為lh，處理後的玻璃纖維用濃度為5.0%的KH-570偶聯劑的甲苯溶液中浸漬活 化Ih後在120°C下烘乾。將碳纖維進行450°C /lh空氣氧化處理，然後浸漬在復配酸溶液 中活化40min後，在150°C下進行烘乾預熱，處理後的碳纖維絲束浸漬乙醇調成的環氧樹脂 漿，常溫烘乾。將烘乾後的連續碳纖維絲束均勻放入、平行地分布開於直徑25mm的圓柱型 模具中，利用牽引機的拉力作用對其預拉緊。然後將玻璃纖維環氧樹脂混合物倒入含有預 緊CF的模具中，在120°C下不斷加壓到樣品密實為止，預固化40min，後升溫至180°C固化 保溫lh。脫去模具，即得到碳纖維複合樹脂棒材。所得到的碳纖維複合樹脂棒材的總直徑 為25mm，碳纖維內層直徑為15mm，拉伸強度為3850Mpa，彈性模量為134Gpa，線膨脹係數為 1. IXlCTVm/"C。實施例二碳纖維是購自日本東麗公司的T700碳纖維，連續玻璃纖維是購自南京玻璃纖維 研究所，環氧樹脂採用Araldite XB 9721與Araldi te LY52lO的混合樹脂，固化劑採用 鄰苯二甲酸酐，相對於樹脂組合物總量約10%。採用前文所述工藝先對碳纖維和玻璃纖維進行改性。玻璃纖維採用微波處理，處 理時間固定為lh，處理後的玻璃纖維用濃度為5.0%的KH-570偶聯劑的甲苯溶液中浸漬活 化Ih後在120°C下烘乾。將碳纖維進行450°C /lh空氣氧化處理，然後浸漬在復配酸溶液 中活化40min後，在150°C下進行烘乾預熱，處理後的碳纖維絲束浸漬乙醇調成的環氧樹脂 漿，常溫烘乾。將烘乾後的連續碳纖維絲束均勻放入、平行地分布開於直徑25mm的圓柱型 模具中，利用牽引機的拉力作用對其預拉緊。然後將玻璃纖維環氧樹脂混合物倒入含有預 緊CF的模具中，在120°C下不斷加壓到樣品密實為止，預固化40min，後升溫至180°C固化 保溫lh。脫去模具，即得到碳纖維複合樹脂棒材。所得到的碳纖維複合樹脂棒材的總直徑 為25mm，碳纖維內層直徑為15mm，拉伸強度為4050Mpa，彈性模量為108Gpa，線膨脹係數為 1. 3xioW"C。對比實例取直徑為25mm的鋼芯鋁導線中作為支撐材料的鋼芯，參照國標測試其彎曲強度、 彎曲模量、抗拉強度、密度，具體參數如下
權利要求
1.一種改性碳纖維增強環氧樹脂基複合棒材，有內外兩層，其特徵在於內層(1)由表 面改性碳纖維和固化環氧樹脂構成，外層O)由表面改性玻璃纖維和固化環氧樹脂構成， 碳纖維和玻璃纖維沿軸向平行排列，均勻分布於固化環氧樹脂中。
2.如權利要求1所述的改性碳纖維增強環氧樹脂基複合棒材，其特徵在於拉伸強度 在 2000-4000Mpa 之間。
3.如權利要求1所述的改性碳纖維增強環氧樹脂基複合棒材，其特徵在於以重量百 分比計，由以下組分組成表面改性的碳纖維5-20%表面改性的玻璃纖維 5-15%熱固性環氧樹脂基體 40-60 %固化劑5-10%加工助劑1-5%
4.如權利要求1或3所述的改性碳纖維增強環氧樹脂基複合棒材，其特徵在於所述 的表面改性的碳纖維採用液相氧化處理法處理，將碳纖維浸漬在裝有復配酸性溶液的浸漬 槽中，40-800C的反應溫度下，處理30-120min後，80_150°C烘乾製成。
5.如權利要求1、3、4任一項所述的改性碳纖維增強環氧樹脂基複合棒材，其特徵在 於所述的碳纖維優選纖維束1000以上，拉伸模量200GPa以上的碳纖維。
6.如權利要求4所述的改性碳纖維增強環氧樹脂基複合棒材，其特徵在於所述的復 配酸性溶液由以下重量百分比的組分組成10-50 %的雙氧水或無機酸、50-70 %的無機酸 鹽和0-20%的有機酸鹽。
7.如權利要求1或3所述的改性碳纖維增強環氧樹脂基複合棒材，其特徵在於所述 的表面改性的玻璃纖維採用矽烷偶聯劑KH-570處理，將玻璃纖維經微波處理後，置入含有 5-20% KH-570的二甲苯溶液中，40-80°C的反應溫度下，處理30-120min後，80_150°C烘乾 製成。
8.如權利要求1所述的一種改性碳纖維增強環氧樹脂基複合棒材，其特徵在於所述 的改性碳纖維增強環氧樹脂基複合棒材的製備方法，包括先對碳纖維和玻璃纖維進行表面 處理，然後通過一個裝有環氧樹脂和加工助劑的浸漬槽，將環氧樹脂組合物均勻分布於纖 維表面和纖維之間，最後纖維束被引入到圓柱型模具中，在90-150°C下進行預固化，然後在 150-250°C的高溫下加熱固化，最後得到產品。
全文摘要
本發明公開了一種改性碳纖維增強環氧樹脂基複合棒材，有內外兩層，內層由表面改性碳纖維和固化環氧樹脂構成，外層由表面改性玻璃纖維和固化環氧樹脂構成，碳纖維和玻璃纖維沿軸向平行排列，均勻分布於固化環氧樹脂中。製備方法先對碳纖維和玻璃纖維進行表面處理，然後通過一個裝有環氧樹脂和加工助劑的浸漬槽，使環氧樹脂組合物均勻分布於纖維表面和纖維之間，最後纖維束被引入到圓柱型模具中，在90-150℃下進行預固化，然後在150-250℃的高溫下加熱固化，得到產品。本發明具有具有能耗低、重量輕、密度小、抗拉強度大、弧垂性能好、熱穩定性好等優點。
文檔編號C08K7/14GK102146195SQ201019026060
公開日2011年8月10日 申請日期2010年2月4日 優先權日2010年2月4日
發明者吳國棟, 吳法男 申請人:蘇州國宇碳纖維科技有限公司