一種碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及復(fù)合材料領(lǐng)域，特別涉及一種碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料及其制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料是一類以環(huán)氧樹脂為基體、以碳纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合 材料，具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)越性能，廣泛應(yīng)用于航天、汽 車、電子、體育用品以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域。然而，由于環(huán)氧樹脂固化后質(zhì)脆，沖擊韌性、抗彎 強(qiáng)度差，當(dāng)其負(fù)載或者因缺陷產(chǎn)生微裂紋時(shí)容易迅速擴(kuò)散而使該碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材 料失效。所以，需要對(duì)其進(jìn)行增韌處理以提高其沖擊韌性。因此，有必要提供一種碳纖維/ 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料及制備方法。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)通常采用人造橡膠，對(duì)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行增韌處理，包括： 將人造橡膠配制成溶液，與環(huán)氧樹脂、固化劑、促進(jìn)劑混合均勻后除去溶劑，制備得環(huán)氧樹 脂膜，再與碳纖維進(jìn)行熔融浸漬，最后固化得碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。
[0004] 發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問(wèn)題：
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)提供的人造橡膠與環(huán)氧樹脂相容性差，易造成碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材 料的力學(xué)性能下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明實(shí)施例所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供了一種韌性好、各組分間相容性好 的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料及制備方法。具體技術(shù)方案如下：
[0007] -方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，通過(guò)將環(huán)氧樹脂 基體材料浸潤(rùn)至碳纖維織物中，并進(jìn)行固化后制備得到，其中，所述環(huán)氧樹脂基體材料包括 以下重量份的組分：環(huán)氧樹脂1〇〇份、液態(tài)硅橡膠10-30份、環(huán)氧樹脂稀釋劑10-35份，環(huán)氧 樹脂固化劑20-35份。
[0008] 具體地，作為優(yōu)選，所述環(huán)氧樹脂選自雙酚A型環(huán)氧樹脂、雙酚F型環(huán)氧樹脂、雙酚 S型環(huán)氧樹脂中的任意一種。
[0009] 具體地，作為優(yōu)選，所述環(huán)氧樹脂的黏度為2200_5500mPa?s;所述液態(tài)硅橡膠的 黏度為 1500_3500mPa?s。
[0010] 具體地，作為優(yōu)選，所述環(huán)氧樹脂稀釋劑選自丁基縮水甘油醚、1，4- 丁二醇二縮水 甘油醚、苯基縮水甘油醚、聚丙二醇二縮水甘油醚中的任意一種。
[0011] 具體地，作為優(yōu)選，所述液態(tài)硅橡膠選自端羥基液態(tài)丁腈橡膠、端羧基液態(tài)丁腈橡 膠、端羧基液態(tài)聚丁二烯、端羥基液態(tài)聚丁二烯中的任意一種。
[0012] 具體地，作為優(yōu)選，所述環(huán)氧樹脂固化劑選自二乙烯三胺、三乙烯四胺、間苯二甲 胺中的任意一種。
[0013] 具體地，作為優(yōu)選，所述碳纖維織物為斜紋碳纖維布。
[0014]另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種上述碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備方 法，包括：將環(huán)氧樹脂、液態(tài)硅橡膠、環(huán)氧樹脂稀釋劑混合并攪拌均勻，然后加入環(huán)氧樹脂固 化劑繼續(xù)攪拌均勻，得到環(huán)氧樹脂基體材料；
[0015]通過(guò)真空袋壓法將所述環(huán)氧樹脂基體材料浸潤(rùn)至碳纖維織物中，然后進(jìn)行固化， 得到碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。
[0016]具體地，作為優(yōu)選，控制所述環(huán)氧樹脂、所述液態(tài)硅橡膠、所述環(huán)氧樹脂稀釋劑混 合后的黏度為720-760mPa?s。
[0017]具體地，作為優(yōu)選，所述固化包括：依次控制固化溫度為75-85°C、115_125°C、 145-155°C，對(duì)應(yīng)地，依次控制固化時(shí)間為 0. 8-1. 2h、l. 8-2. 2h、l. 8-2. 2h。
[0018]本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果是：
[0019]本發(fā)明實(shí)施例提供的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，通過(guò)向環(huán)氧樹脂基體材料中添 加液態(tài)硅橡膠作為增韌劑，其黏度低，與環(huán)氧樹脂相容性好，利于形成均一的混合體系。在 上述各組分的復(fù)配作用下，所制備的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能得到顯著提 高，尤其是其沖擊韌性可達(dá)205kJ/m2,比普通碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料提高了至少43%。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn) 一步地詳細(xì)描述。
[0021] -方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，通過(guò)將環(huán)氧樹脂 基體材料浸潤(rùn)至碳纖維織物中，并進(jìn)行固化后制備得到，其中，環(huán)氧樹脂基體材料包括以下 重量份的組分：環(huán)氧樹脂100份、液態(tài)硅橡膠10-30份、環(huán)氧樹脂稀釋劑10-35份，環(huán)氧樹脂 固化劑20-35份。
[0022] 本發(fā)明實(shí)施例提供的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，通過(guò)向環(huán)氧樹脂基體材料中添 加液態(tài)硅橡膠作為增韌劑，其黏度低，與環(huán)氧樹脂相容性好，利于形成均一的混合體系。在 上述各組分的復(fù)配作用下，所制備的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能得到顯著提 高，尤其是其沖擊韌性可達(dá)205kJ/m2,比普通碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料提高了至少43%。
[0023]其中，環(huán)氧樹脂選自雙酚A型環(huán)氧樹脂、雙酚F型環(huán)氧樹脂、雙酚S型環(huán)氧樹脂中 的任意一種。優(yōu)選雙酚A型環(huán)氧樹脂（即雙酚A二縮水甘油醚），以提高所制備的碳纖維/ 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的透明度及力學(xué)性能。
[0024]本發(fā)明實(shí)施例所述的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，指的是以環(huán)氧樹脂為基體、碳 纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料。環(huán)氧樹脂交聯(lián)固化后所形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有質(zhì)脆的特點(diǎn)， 當(dāng)其負(fù)載或者因缺陷產(chǎn)生微裂紋時(shí)容易迅速擴(kuò)散而使該碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料失效。 而碳纖維具有密度低、模量高、強(qiáng)度高、耐高溫等優(yōu)異性能，將環(huán)氧樹脂基體材料浸潤(rùn)至碳 纖維織物中，得到的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料兼具環(huán)氧樹脂和碳纖維的優(yōu)點(diǎn)，但是其韌 性并沒有得到改善。因此，在不影響碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料其他力學(xué)性能的情況下，為 了降低其脆性，增加其韌性，從而提高其承載強(qiáng)度，本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)向其中加入液態(tài)硅橡 膠作為增韌劑來(lái)對(duì)其進(jìn)行增韌處理。
[0025]本發(fā)明實(shí)施例采用液態(tài)硅橡膠作為增韌劑，其黏度低，與環(huán)氧樹脂具有良好的相 容性，從而能形成均一的混合體系，而不會(huì)降低碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的其他力學(xué)性 能。具體地，環(huán)氧樹脂的黏度為2200-5500mPa?s，液態(tài)硅橡膠的黏度為1500-3500mPa?s。 舉例來(lái)說(shuō)，液態(tài)硅橡膠選自端羥基液態(tài)丁腈橡膠、端羧基液態(tài)丁腈橡膠、端羧基液態(tài)聚丁二 烯、端羥基液態(tài)聚丁二烯中的任意一種。通過(guò)采用上述類型的液態(tài)硅橡膠對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行 改性，能夠有效提尚所制備的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的初性。
[0026] 在制備碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的過(guò)程中，本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)添加環(huán)氧樹脂稀 釋劑，使環(huán)氧樹脂基體材料的黏度降低至720-760mPa?s，從而增加環(huán)氧樹脂與液態(tài)硅橡膠 的流動(dòng)性，使兩者之間的反應(yīng)更加充分。作為優(yōu)選，環(huán)氧樹脂稀釋劑選自丁基縮水甘油醚、 1，4-丁二醇二縮水甘油醚、苯基縮水甘油醚、聚丙二醇二縮水甘油醚中的任意一種。其均為 反應(yīng)型環(huán)氧樹脂稀釋劑，即活性環(huán)氧樹脂稀釋劑，由于其分子鏈中含有環(huán)氧基團(tuán)，可以與各 種環(huán)氧樹脂固化劑進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。其中，丁基縮水甘油醚分子的一端含有環(huán) 氧基團(tuán)，其稀釋效果最好；1，4- 丁二醇二縮水甘油醚分子的兩端均含有環(huán)氧基團(tuán)，其柔韌 性較好；苯基縮水甘油醚分子的一端含有環(huán)氧基團(tuán)，其耐溫較好；聚丙二醇二縮水甘油醚 分子的兩端含有環(huán)氧基團(tuán)，其柔韌性較好。
[0027] 具體地，環(huán)氧樹脂固化劑選自二乙烯三胺、三乙烯四胺、間苯二甲胺中的任意一 種。其均為胺類固化劑，在固化條件下，通過(guò)其氮原子上的活潑氫打開環(huán)氧基團(tuán)，而使之與 環(huán)氧樹脂發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成網(wǎng)狀立體聚合物，使線型的環(huán)氧樹脂變?yōu)閳?jiān)韌的體型固體。
[0028] 作為優(yōu)選，本發(fā)明實(shí)施例提供的碳纖維織物可以為平紋、斜紋、緞紋、單向碳纖維 布，優(yōu)選斜紋碳纖維布，其具有較強(qiáng)的剪切力，從而抗拉能力更強(qiáng)。碳纖維布是一種單向碳 纖維加固產(chǎn)品，自身具有良好的抗拉強(qiáng)度，通過(guò)環(huán)氧樹脂基體材料對(duì)其浸漬可以達(dá)到使環(huán) 氧樹脂抗拉、抗剪、抗震加固的效果。進(jìn)一步地，本發(fā)明實(shí)施例提供的碳纖維織物可以采用 11(、31(、61(、121(、241(及以上的規(guī)格，可以理解的是，11(代表一束碳纖維中有1000根單絲碳纖 維，依次類推。本發(fā)明實(shí)施例采用的碳纖維織物優(yōu)選為3K斜紋碳纖維布，其具有強(qiáng)度高、環(huán) 氧樹脂基體材料浸潤(rùn)效果好的優(yōu)點(diǎn)。
[0029] 另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種上述碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備方 法，包括：將環(huán)氧樹脂、液態(tài)硅橡膠、環(huán)氧樹脂稀釋劑混合并攪拌均勻，然后加入環(huán)氧樹脂固 化劑繼續(xù)攪拌均勻后，得到環(huán)氧樹脂基體材料；通過(guò)真空袋壓法將環(huán)氧樹脂基體材料浸潤(rùn) 至碳纖維織物中，然后進(jìn)行固化，得到碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。
[0030] 作為優(yōu)選，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種更為具體的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制 備方法，包括：
[0031] 1)、將環(huán)氧樹脂、液態(tài)硅橡膠、環(huán)氧樹脂稀釋劑混合并攪拌l_3h，優(yōu)選2h，待其形 成均一的混合體系后，加入環(huán)氧樹脂固化劑繼續(xù)攪拌均勻l_3h，優(yōu)選2h，形成環(huán)氧樹脂基 體材料。
[0032] 2)、對(duì)碳纖維織物進(jìn)行修剪、鋪層和定型，依次在其表面覆蓋脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)、輔助 導(dǎo)流管、真空袋，用密封膠進(jìn)行密封，對(duì)真空袋進(jìn)行抽真空操作，至內(nèi)部壓強(qiáng)接近-〇.IMpa。
[0033] 3)、通過(guò)輔助導(dǎo)流管注入環(huán)氧樹脂基體材料，其用量為IL環(huán)氧樹脂基體材料/每 平方米碳纖維織物，以實(shí)現(xiàn)其對(duì)碳纖維織物的完全浸潤(rùn)，浸潤(rùn)4_8h后，得到未固化的碳纖 維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。
[0034] 4)、將未固化的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行固化，依次控制固化溫度為 75-85 °C、115-125 °C、145-155 °C，優(yōu)選為 80 °C、120 °C、150 °C，對(duì)應(yīng)地，依次控制固化時(shí)間為 0.8-1.211、1.8-2.211、1.8-2.21 1，優(yōu)選為111、211、211，進(jìn)行脫模處理，得到碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù) 合材料。
[0035] 本發(fā)明實(shí)施例采用的真空袋壓法為本領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)，其具有節(jié)省模具及設(shè)備的投 資的優(yōu)點(diǎn)。其中，脫模布用于輔助碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的分離，使得到的產(chǎn)品質(zhì)量更 好。導(dǎo)流網(wǎng)由于其立體結(jié)構(gòu)，便于環(huán)氧樹脂基體材料的通過(guò)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維織物更好的浸 潤(rùn)。密封膠用于模具和真空袋之間，使真空袋達(dá)到完全密封的效果。
[0036] 進(jìn)一步地，本發(fā)明實(shí)施例提供的方法還包括：對(duì)制備得到的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù) 合材料進(jìn)行修剪、打磨以及切割成型，以便于得到期望形狀的復(fù)合材料。
[0037] 以下將通過(guò)具體實(shí)施例進(jìn)一步地描述本發(fā)明。
[0038] 在以下具體實(shí)施例中，所涉及的操作未注明條件者，均按照常規(guī)條件或者制造商 建議的條件進(jìn)行。所用原料未注明生產(chǎn)廠商及規(guī)格者均為可以通過(guò)市購(gòu)獲得的常規(guī)產(chǎn)品。 以下實(shí)施例所涉及的部分原料信息如下：
[0039] 雙酚A型環(huán)氧樹脂，型號(hào)SM609(E-03)