專利名稱：一種具有高透光率的納米纖維增強復合樹脂的制備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及納米復合材料領域，具體涉及具有高透光率的納米纖維增強復 合樹脂材料。該材料可用于高速運動飛行器或火車的采光結構材料。
背景技術：
高透光率的纖維增強復合材料為一種兼具透明或透光率高和優(yōu)異抗張強 度、高彈性模量、低熱導率、輕質(zhì)高強等特點的材料。該種材料除可用作一般 的采光材料外，它更適合用于普通透明玻璃不能勝任的高速運動交通工具如火 車、飛機的窗戶材料，尤其是戰(zhàn)斗機座艙罩。纖維增強樹脂材料的力學和透光 性能除受到樹脂本身的透光性影響外，還受到增強纖維的直徑大小與纖維用量 的影響。例如，高纖維含量可以顯著提高復合材料的力學性能，但不可避免地
會增加纖維與樹脂的界面，從而增加光在界面反射和散射次數(shù)，降低透光量； 保持纖維用量不變，使用直徑小的纖維會增加纖維/樹脂界面數(shù)，減小透光量。 另一個影響復合樹脂透光性的重要因素是纖維與樹脂的折光指數(shù)。纖維與樹脂 的折光指數(shù)只有在非常接近到小數(shù)點后第三位吋才能保證纖維增強復合材料具 有良好的透光性能。但是，由于材料的折光指數(shù)，尤其是樹脂的折光指數(shù)隨著 使用溫度的變化而變化，因而當溫度升高或降低吋，在常溫下透明的纖維增強 復合材料會變成不透明復合材料。而且，纖維與樹脂折光指數(shù)的差異隨著纖維 用量的增加而加劇。因此，制備纖維含量高，力學強度優(yōu)異，而透光性不受折 光指數(shù)和溫度影響的透光復合材料就成為普通增強纖維難以克服的挑戰(zhàn)。
由于光是一種電磁波，該波在直徑為可見光波長的十分之一的顆粒表面不 會產(chǎn)生光散射和反射(Novak BM等，Adv. Mater. 1993, 5， 422)。因而，直徑
小于50nm的自然界產(chǎn)生的細菌纖維素納米纖維成功地用于透明復合材料的制 備。該復合材^1中的纖維含量高達70%，透光率仍能保持在80%以上，而且透光 率不隨溫度變化。它的力學強度可達到325 MPa,楊氏模量高達20-21GPa，為 通用工程塑料的5倍(Yano H等，Optically transparent composites reinforced with networks of bacterial nanofibers, Adv. Mater. 2005， 17, 153)?！兜┨烊焕w維素納米纖 維包括細菌和植物纖維的制備過程復雜，耗吋、耗能。據(jù)報道，近幾年新發(fā)展 起來的靜電紡絲是一種簡單方便且能大量制備納米纖維的技術。在靜電紡絲過 程中，聚合物溶液或熔融體在靜電場力作用下在千分之一秒內(nèi)被拉伸高達10萬 倍。這種高度拉伸率有助于聚合物鏈在纖維軸方向高度有序排列，因而納米纖 維具有非常高的強度。福建師范大學劉海清等(申請?zhí)?00710008495.2，公開 號CN101011656)已經(jīng)建立了一種以醋酸鋅為前驅(qū)體，醋酸纖維素為載體，有 機溶劑體系二甲基甲酰胺/丙酮為共溶劑，采用靜電紡絲技術首先制備出醋酸鋅/ 醋酸纖維素復合納米纖維膜，再于0.1N的NaOH水溶液中水解，經(jīng)洗滌、干燥， 煅燒，最后制備出直徑小于lOOnm的ZnO納米纖維膜的技術。適當調(diào)整紡絲吋 紡絲液濃度、供料速度、Taylor錐與收集板的距離、電源電壓后，可制備出直 徑小于100nm的納米纖維，為進一步制備納米纖維增強復合樹脂奠定了基礎。
報道表明，Nylon-4，6超細纖維增強樹脂為透明材料，其硬度和力學強度均 強于純樹脂。但復合樹脂中纖維的含量僅為3%，復合材料的強度得不到大幅度 地提高'(Bergshoef MM等,Transparent nanocomposites with ultrathin， electrospun nylon-4，6 fiber reinforcement. Adv. Mater. 1999,11, 1362)。另外，為了制備透明復 合樹脂材料，美國Koch WJ等發(fā)明了采用透明納米纖維來增強復合樹脂。該方 法的局限性在于所用纖維必須是光學透明的(Koch WJ等，Transparent composite panel. International Application No: PCT/US2005/02650)。如果利用劉海清等建立 的靜電紡絲技術，并將制備出的納米纖維膜與樹脂進行復合，完全可以制備出
高強度強透光的納米纖維增強復合樹脂。

發(fā)明內(nèi)容
為進一步開發(fā)可用于高速運動飛行器或火車的采光結構材料，本發(fā)明的目 的就是要制備出一種具有高透光率的增強型復合樹脂材料。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的采用的技術方案是釆用靜電紡絲技術，通過調(diào)節(jié)紡 絲濃度來控制納米纖維結構、直徑大小，調(diào)節(jié)紡絲吋間來控制單位面積納米纖 維的質(zhì)量，制備出納米纖維膜；將納米纖維膜浸泡于樹脂的稀溶液中，干燥后， 即得到強透光的納米纖維増強復合樹脂材料。
具體方法為
將高分子納米纖維膜置于透明樹脂稀溶液中，充分浸潤，干燥即得到強透 光納米纖維增強復合樹脂。纖維膜的厚度為15-160 ^m，其質(zhì)量百分含量為2 —60% ，樹脂稀溶液的濃度為3 — 15%，浸潤吋間為8—18小吋。
本發(fā)明所述的高分子納米纖維為纖維素納米纖維、尼龍納米纖維、聚碳酸 酯納米纖維、玻璃納米纖維或碳納米纖維。
本發(fā)明所述的透明樹脂為聚乙烯醇、大豆分離蛋白、丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹 脂或聚碳酸酯。
本發(fā)明制備的纖維素納米纖維增強透光復合材料的優(yōu)點是
1、 本發(fā)明采用的浸潤法，設備、工藝簡單，易于成型，適合于大量制備。
2、 復合材料中纖維含量高?？梢愿哌_40%。
3、 復合材料的透光率良好。當纖維含量為40%吋，復合材料的透光率仍能 維持在75%以上。
4、 復合材米斗的力學性能尤其是拉伸強度、抗張強度、模量優(yōu)異。
附圖和


圖1光通過纖維增強復合樹脂的簡化模型
圖2是復合材料在可見光范圍內(nèi)(400-800nm)的光透過率。
圖3是復合材料拉伸強度、伸長率與復合膜中纖維含量的矢系圖。 圖4是復合材料的模量與纖維含量的矢系圖。
圖1示出了光通過納米纖維增強復合樹脂的一個簡單模型。在兩種具有不 同折光指數(shù)的介質(zhì)的界面上，光會產(chǎn)生反射和折射。因此，光在纖維增強復合 材料內(nèi)的空氣/樹脂、微纖維/樹脂界面上會產(chǎn)生反射/折射。復合材料內(nèi)的纖維 含量越高，纖維/樹脂的界面數(shù)就越多，光產(chǎn)生的反射/折射次數(shù)就會增加。由 此引起的光損失量就越多。光是一種電磁波，當它遇到比光的波長小的物質(zhì)吋， 光可以衍射過去，而不會產(chǎn)生光的反射和折射。正如光與納米纖維接觸吋，它 在納米纖維/樹脂界面不產(chǎn)生反射/折射，因而有更多的光能透過復合材料。而 且，由于納米纖維的直徑小于可見光波長，纖維與樹脂兩者折光指數(shù)的差異對 光的透過沒有影響，透光量也不隨使用溫度的變化而降低。
圖2示出了纖維素納米纖維增強聚乙烯醇透光復合膜在可見光范圍內(nèi)透光 率。納米纖維含量為2%的復合膜的透光率與聚乙烯醇薄膜的透光率相似，約為 90%;納米纖維含量為40%的復合膜的透光率仍能維持在75%以上。
圖3與圖4示出了復合材料的力學性能。與聚乙烯醇比較，含有40%納米 纖維的增強復合材料的拉伸強度提高了 50%，伸長率從200%減小到30%，而楊 氏模量增加了6倍。
具體實施例方式
下面根據(jù)實例對本發(fā)明進一步說明
實施例1
將大小為5 x lcm2,單位面積質(zhì)量為0.54 g/cm2，厚度為13拜，纖維直徑 為100-300nm的尼龍納米纖維膜浸泡于裝有10 g濃度為3 %的聚乙烯醇溶液的 玻璃槽中，浸泡8小吋，然后在5(TC下真空干燥24小吋。得到纖維含量為2% 的復合膜，復合膜厚度為196pm。該膜的透光率約為90%，與純聚乙烯醇膜相 當。
實施例2
將大小為5 x lcm2，單位面積質(zhì)量為9.2 g/cm2，厚度為152pm，纖維直徑 為100-300nm的碳納米纖維膜浸泡于裝有10 g濃度為8 %的丙烯酸樹脂溶液的 玻璃槽中，浸泡1 4小吋，然后在5(TC下真空干燥24小吋。得到纖維含量為40% 的復合膜，復合膜厚度為210pm。該膜的透光率約為85%。拉伸強度比丙烯酸 樹脂膜增加了 100%，楊氏模量增加了 8倍。
實施例3
將大小為5xlcm2，單位面積質(zhì)量為4.5 g/cm2，厚度為86pm，纖維直徑為 100-350nm的聚碳酸酯納米纖維膜浸泡于裝有10 g濃度為15 %的大豆分離蛋白 溶液的玻璃槽中，浸泡18小吋，然后在5(TC下真空干燥24小吋。得到纖維含 量為20%的復合膜，復合膜厚度為130pm。該膜的透光率約為75%。拉伸強度 比純大豆分離蛋白膜增加了 50倍，楊氏模量增加了 20倍。
實施例4
將大小為5xlcm2，單位面積質(zhì)量為5.5 g/cm2，厚度為92pm,纖維直徑為 100-300nm的纖維素納米纖維膜浸泡于裝有10 g濃度為15 %的環(huán)氧樹脂溶液的 玻璃槽中，浸泡12小吋，然后在5(TC下真空干燥24小吋。得到纖維含量為25 %的復合膜，復合膜厚度為135pm。該膜的透光率約為85%。拉伸強度比純環(huán) 氧樹脂膜增加了 1倍，楊氏模量增加了 5倍。
權利要求
1、一種具有高透光率的納米纖維膜增強復合樹脂的制備，其特征是將高分子納米纖維膜置于濃度為3-15％的透明樹脂稀溶液中，經(jīng)8-18小時充分浸潤，干燥即得到強透光納米纖維增強復合樹脂。
2、 根據(jù)權利要求1所述的具有高透光率的納米纖維增強復合樹脂的制備，其特 征是所述的高分子納米纖維膜指纖維素納米纖維、尼龍納米纖維、聚碳酸酯納 米纖維、玻璃納米纖維或碳納米纖維，其厚度為15-160 "m,質(zhì)量百分含量為2 一60% .
3、 根據(jù)權利要求1所述的具有高透光率的納米纖維增強復合樹脂的制備，其特 征是透明樹脂是指聚乙烯醇、大豆分離蛋白、丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂或聚碳酸 酯。
全文摘要
本發(fā)明涉及納米復合材料領域，具體涉及具有高透光率的納米纖維增強復合樹脂材料。本發(fā)明采用的技術方案是將高分子納米纖維膜置于透明樹脂稀溶液中，充分浸潤，干燥即得到強透光納米纖維增強復合樹脂。纖維膜的厚度為15-160μm，其質(zhì)量百分含量為2-60％，樹脂稀溶液的濃度為3-15％，浸潤時間為8-18小時。所述的高分子納米纖維為纖維素納米纖維、尼龍納米纖維、聚碳酸酯納米纖維、玻璃納米纖維或碳納米纖維。所述的透明樹脂為聚乙烯醇、大豆分離蛋白、丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂或聚碳酸酯。本發(fā)明采用的浸潤法，設備、工藝簡單，易于成型，適合于大量制備。復合材料中纖維含量高，可以高達40％，透光率良好且力學性能尤其是拉伸強度、抗張強度、模量優(yōu)異。
文檔編號B29C70/04GK101186109SQ200710009789
公開日2008年5月28日 申請日期2007年11月13日 優(yōu)先權日2007年11月13日
發(fā)明者劉海清, 唐春怡, 陳觀福壽 申請人:福建師范大學