一種非均相增韌樹脂、碳纖維預浸料及碳纖維復合材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明采用熱固性樹脂和熱塑性樹脂復合得到一種非均相的增韌樹脂，其中熱塑性樹脂采用超音速氣流對撞粉碎，使得其粒徑達到10～60μm，在采用該樹脂基體與碳纖維復合得到碳纖維預浸料，單層預浸料厚度在30～60μm，實現了預浸料的薄層化，用該預浸料得到碳纖維復合材料。本發(fā)明使得單層預浸料薄層化，達到減重的目的，實現了多層多角度鋪覆；在不減輕自身重量的情況下，增強了材料本身的強度，同時增強材料的多方向受力。
【專利說明】
一種非均相増韌樹脂、碳纖維預浸料及碳纖維復合材料
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于纖維復合材料技術領域，尤其涉及一種非均相增韌樹脂、碳纖維預浸 料及碳纖維復合材料。
【背景技術】
[0002] 預浸料是樹脂基體浸漬連續(xù)纖維或織物后制成的樹脂基體與增強纖維的組合物， 是生產復合材料的中間材料。與直接成型工藝相比，采用預浸料生產的復合材料的樹脂含 量更精確，因而制品質量更穩(wěn)定，是目前國內外復合材料制造企業(yè)優(yōu)先選用的成型工藝。
[0003] 在實際應用中，碳纖維常常用作增強纖維，碳纖維增強復合材料用途廣泛，具有高 強度、高剛性與質量輕的特性，提供高的比強度、比剛性，以增加相對產品的結構強度，減輕 重量提升其實用性，與其它增強材料相比，楊氏模量是玻璃纖維的3倍以上、是芳綸的2倍左 右；目前碳纖維的實際使用過程中，70%以上是通過碳纖維預浸料的方式實現，為了充分發(fā) 揮碳纖維的超高強度性能，基本上都需要將碳纖維做成只有徑向分布、沒有煒向分布的單 向纖維的預浸料，然后將單向纖維預浸料多角度多層鋪設，經過固化得到碳纖維復合材料， 具備高硬度、高強度、低克重的性能。
[0004] 碳纖維預浸料常用的樹脂基體為熱固性的樹脂，如環(huán)氧樹脂或改性的環(huán)氧樹脂， 在碳纖維品質和克重相同的情況下，樹脂基體的性質直接影響碳纖維復合材料的性能，常 用的熱固性樹脂得到的預浸料固化得到碳纖維復合材料在單位面積等同克重的條件下，強 度不能滿足航空需求，為了提高強度就必須增加單位面積的重量，這樣有不符合航空材料 要求自身負載盡量低的要求，為了滿足航空需求，需要不斷改進樹脂基體。現有技術中單層 的預浸料厚度約為〇.125mm，鋪覆成標準2mm后的板材只能鋪八層，復合材料的受力方向是 沿纖維方向受力最多的，因此現有的碳纖維復合材的受力點存在一定區(qū)域的漏洞，如果需 要多角度多方向受力，必須以增加厚度和克重為犧牲。本發(fā)明在熱固性樹脂基體內加入熱 塑型樹脂粉末，增加樹脂的韌性，為了配合碳纖維預浸料的超薄性能，對熱塑型樹脂的顆粒 度有一定的要求，得到的超薄碳纖維預浸料能多角度鋪覆，具備良好的性能。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對上述問題，本發(fā)明的目的提供一種超薄的、非均相的增韌樹脂組合物，以及采 用該樹脂組合物和碳纖維復合得到的預浸料及復合材料，具備超薄、低克重的優(yōu)點。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案是:一種非均相增韌樹脂，其特征在 于:包括復合環(huán)氧樹脂、固化劑和增韌樹脂;各組分的質量比為復合環(huán)氧樹脂：固化劑:增韌 樹脂= 10:1 ~1.5:1 ~1.5;
[0007] 所述復合環(huán)氧樹脂包括酚醛環(huán)氧樹脂、改性雙酸A環(huán)氧樹脂、固體環(huán)氧樹脂；
[0008] 所述固化劑包括雙氫氨粉末、改性雙氫氨粉末、促進劑、氣相二氧化硅；
[0009] 所述增韌樹脂包括聚醚砜和聚醚酮。
[0010] 進一步，所述復合環(huán)氧樹脂中各組分的質量比為酚醛環(huán)氧樹脂:改性雙酚A環(huán)氧樹 月旨:固體環(huán)氧樹脂=3~8:1~3:1~3。
[0011] 進一步，所述固化劑中各組分的質量比為雙氫氨粉末:改性雙氫氨粉末:促進劑： 氣相二氧化硅=6~10:0.8~1.2:1.2~1.8:2~5。
[0012] 進一步，所述增韌樹脂中聚醚砜和聚醚酮的質量比為1:2。
[0013] 進一步，所述增韌樹脂的粒徑為300~1000目。
[0014] 本發(fā)明采用的是熱固性樹脂和熱塑性樹脂復合得到的樹脂基體，作為碳纖維預浸 料的涂膠樹脂，熱固性樹脂的優(yōu)點是耐熱性高，受壓不易變形，其缺點是機械性能較差，熱 塑性樹脂的優(yōu)點是具有較高的機械性能，缺點是耐熱性和剛性較差。本發(fā)明的樹脂基體兼 具了熱固性樹脂的性能，又增強了固化后的韌性。但是熱固性樹脂與熱塑型樹脂混合存在 一定的困難，因為熱固性樹脂通常為粘稠狀液體，而熱塑型樹脂為顆?；蚍蹱罟腆w，機械混 合分散后也是非均相的，用于超薄的碳纖維預浸料的樹脂，要求光滑度和平整度，而普通的 熱塑型樹脂粉末的粒徑通常在都在200目以下，顆粒直徑約為大于75μπι，而超薄的碳纖維預 浸料的厚度約為30~60μπι，甚至可以做到20μπι，如此超薄的碳纖維預浸料用的樹脂如果含 有熱塑性樹脂粉末，將會在預浸料表面形成一次顆粒狀，造成不光滑，影響預浸料的品質； 而本發(fā)明為了克服這一缺陷，采用超音速氣流對撞粉碎機對熱塑性樹脂粉末進行多級粉碎 分篩，得到300~1000目的樹脂，粒徑在10~60μπι，保證了涂膠在碳纖維束上時，顆粒可以鑲 嵌在熱固性樹脂交聯固化后的網狀結構內，不會影響表面的平整度和光滑度。
[0015] 熱固性樹脂加熱到固化溫度后開始固化，樹脂的固化會釋放大量的熱量，使得樹 脂體系的溫度進一步的升高，此時樹脂體系內的熱塑性樹脂經過高溫會開始軟化甚至熔 融，此時熱固性樹脂與熱塑性樹脂融為一體，并將熱塑性樹脂分散交叉在熱固性樹脂交聯 固化后的網狀結構內。
[0016] -種制備非均相增韌樹脂的方法，其特征在于:包括以下步驟：（1)將醛環(huán)氧樹脂、 改性雙酸Α環(huán)氧樹脂、固體環(huán)氧樹脂按上述比例加入反應爸中，混合加熱至110°C，40r/min, 分散30min;自然冷卻至40°C ;
[0017] (2)按順序加入雙氫氨粉末、改性雙氫氨粉末、促進劑、氣相二氧化硅，質量分數按 上述，采用雙行星動力混合機混合，公轉40r/min，自傳1500r/min;分散均勾；
[0018] (3)-次性加入300~1000目的增韌劑，持續(xù)攪拌，一次性加入熱塑性樹脂后，攪拌 的過程中逐漸升溫，當樹脂溫度達到70~75°C，停止攪拌，放入速冷箱速冷至5°C左右，得到 非均相增韌樹脂。
[0019] 得到的非均相增韌樹脂放入流變儀進行測試，得到的最低粘度低于5Pa · s，溫度 為100 °C，固化溫度為120 °C ;采用示差掃描量熱儀DSC測定玻璃化溫度(TG)為140 °C，固化溫 度高于玻璃化溫度，使得本發(fā)明得到的非均相增韌樹脂符合低溫固化高溫使用的特點。
[0020] -種碳纖維預浸料，包括碳纖維和預浸料樹脂，其特征在于:所述碳纖維是將12K 原絲經過氣流擴展后得到，所述預浸料樹脂為上述的非均相增韌樹脂，經過涂膠機雙面涂 布、加熱、冷卻、去離型紙得到。12K的原絲通過氣流擴展打散，氣流擴展不會影響原絲表面 的上漿劑;擴展后克重為30~60g/m 2,上述的非均相增韌樹脂通過涂膠機在70~80°C的條 件下將樹脂涂覆在離型紙上，上膠量根據預浸料的樹脂含量確定，上膠后的離型紙鋪覆離 型膜得到含膠的離型紙，兩層含膠的離型紙上下鋪覆在擴展后的碳纖維原絲上，經過加熱 輥加熱，溫度70~80°C，冷卻后出去單層離型紙，鋪覆一層離型膜后得到預浸料，厚度約在 30 ~60μπι〇
[0021] 一種碳纖維復合材料，其特征在于：由上述得到的碳纖維預浸料30~60層多角度 均勻疊加，加熱固化得到。得到的碳纖維復合材料進行性能測試，層間剪切強度大于90MPa， 彎曲強度大于1400MPa，沖擊后壓縮強度大于210MPa。
[0022] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：1、本發(fā)明采用熱固性樹脂和熱塑性樹脂得到非均相的預浸料 樹脂，檢具剛性和韌性，同時具備固化溫度高于玻璃化溫度的特性；
[0023] 2、本發(fā)明采用的熱塑性樹脂是經過超聲氣流粉碎得到的超細粉末，粉末粒徑在 300~1000目，粒徑在10~60μπι，保證了涂膠在碳纖維束上時，顆?？梢澡偳对跓峁绦詷渲?的網狀結構內，不會影響表面的平整度和光滑度；
[0024] 3、以本發(fā)明的非均相增韌樹脂加工得到的預浸料單層可以達到0.04~0.06mm，相 當于現有單層預浸料〇. 125mm的約1/3;
[0025] 4、采用本發(fā)明得到的預浸料鋪覆得到的2mm的碳纖維板材，層間剪切強度大于 90MPa，彎曲強度大于1400MPa，沖擊后壓縮強度大于210MPa。
[0026] 5、本發(fā)明使得單層預浸料薄層化，達到減重的目的，實現了多層多角度鋪覆；
[0027] 6、本發(fā)明在不減輕自身重量的情況下，增強了材料本身的強度，同時增強材料的 多方向受力。
【具體實施方式】
[0028] 所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的 實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都 屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0029] 實施例1
[0030] 將酚醛環(huán)氧樹脂EPN1138 6Kg、改性雙酚A環(huán)氧樹脂XU3508 2Kg、固體環(huán)氧樹脂 7071 2Kg加入反應釜中，混合加熱至110°C，40r/min，分散30min;自然冷卻至40°C ;
[0031] 依次加入雙氫氨粉末100SF 0.8Kg、改性雙氫氨粉末2844 O.lKg、促進劑100C-U0.15Kg、氣相二氧化娃0.3Kg，采用雙行星動力混合機混合，公轉40r/min，自傳 1500r/min; 分散均勻30min;
[0032] 將增韌樹脂聚醚砜和聚醚酮經過超聲氣流對撞粉碎機進行粉碎，氣流噴氣速度為 3~5音速，噴氣溫度為10°C，粉碎腔的溫度控制在0°C，經過粉碎后得到300~1000目的超細 粉末。
[0033]將粉碎后的增韌樹脂1.5Kg，按照聚醚砜:聚醚酮=1:2的質量比一次性加入1.5Kg 至反應釜中，攪拌的過程中逐漸升溫，當樹脂溫度達到70~75°C，停止攪拌，放入速冷箱速 冷至5°C左右，得到非均相增韌樹脂。
[0034] 實施例2
[0035] 將酚醛環(huán)氧樹脂EPN1138 8Kg、改性雙酚A環(huán)氧樹脂XU3508 3Kg、固體環(huán)氧樹脂 7071 3Kg加入反應釜中，混合加熱至110°C，40r/min，分散30min;自然冷卻至40°C ;
[0036] 依次加入雙氫氨粉末100SF lKg、改性雙氫氨粉末2844 0.12Kg、促進劑100C-U0.18Kg、氣相二氧化娃0.5Kg，采用雙行星動力混合機混合，公轉40r/min，自傳 1500r/min; 分散均勻30min;
[0037] 將增韌樹脂聚醚砜和聚醚酮經過超聲氣流對撞粉碎機進行粉碎，氣流噴氣速度為 3~5倍音速，噴氣溫度為10°C，粉碎腔的溫度控制在0°C，經過粉碎后得到300~1000目的超 細粉末。
[0038] 將粉碎后的增韌樹脂lKg，一次性加入至反應釜中，攪拌的過程中逐漸升溫，當樹 脂溫度達到70~75°C，停止攪拌，放入速冷箱速冷至5°C左右，得到非均相增韌樹脂。
[0039] 實施例3
[0040] 將酚醛環(huán)氧樹脂EPN1138 3Kg、改性雙酚A環(huán)氧樹脂XU3508 lKg、固體環(huán)氧樹脂 7071 lKg加入反應釜中，混合加熱至110°C，40r/min，分散30min;自然冷卻至40°C ;
[00411 依次加入雙氫氨粉末100SF 0.6Kg、改性雙氫氨粉末2844 0.08Kg、促進劑100C- U0.12Kg、氣相二氧化娃0.2Kg，采用雙行星動力混合機混合，公轉40r/min，自傳1500r/min; 分散均勻30min;
[0042]將增韌樹脂聚醚砜和聚醚酮經過超聲氣流對撞粉碎機進行粉碎，氣流噴氣速度為 3~5倍音速，噴氣溫度為10°C，粉碎腔的溫度控制在0°C，經過粉碎后得到300~1000目的超 細粉末。
[0043]將粉碎后的增韌樹脂1.2Kg，一次性加入至反應釜中，攪拌的過程中逐漸升溫，當 樹脂溫度達到70~75°C，停止攪拌，放入速冷箱速冷至5°C左右，得到非均相增韌樹脂。
[0044] 實施例4
[0045] 針對實施例1~3進行性能測試
[0046] 采用界面流變儀對實施例1~3中得到的樹脂樣品進行測試，逐漸升溫，從25~140 °C，得到不同溫度下的粘度值，得出最低粘度溫度和固化溫度，如下表：
[0048]采用示差掃描量熱儀DSC對實施例1~3的樣品進行測試，得到玻璃化溫度(TG)為 140 ~142。。。
[0049] 實施例5
[0050] 將實施例1得到的樹脂通過薄膜涂布機涂布在離型紙上，得到樹脂含量為10g/m2 的樹脂膜。
[0051] 將碳纖維原絲束經過氣流擴展后，沿纖維束單向平鋪，按照單位面積克重30~ 60g/m2均勻排列，然后將樹脂膜位于碳纖維束上下經過加熱輥壓合，加熱輥溫度90~100 °C，然后進入冷卻箱冷卻后出去單層離型紙，并鋪覆離型膜后收卷，得到碳纖維預浸料。預 浸料的單層厚度為30~60μπι。
[0052] 實施例6
[0053]將實施例5中得到的厚度為60μπι的預浸料進行多角度鋪覆，鋪33層，并在熱壓罐中 125°C固化得到厚度為2mm的碳纖維復合材料，對比例采用環(huán)氧樹脂得到預浸料固化得到 2mm的碳纖維復合材料，按照《GB/T 28461-2012碳纖維預浸料標準》測試了碳纖維復合材 料的平面剪切強度、彎曲強度、沖擊后壓縮強度，結果如下表
[0055]最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制;盡 管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依 然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進 行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術 方案的范圍。
【主權項】
1. 一種非均相增韌樹脂，其特征在于:包括復合環(huán)氧樹脂、固化劑和增韌樹脂；各組分 的質量比為復合環(huán)氧樹脂:固化劑:增韌樹脂= 10:1~1.5:1~1.5; 所述復合環(huán)氧樹脂包括酚醛環(huán)氧樹脂、改性雙酸A環(huán)氧樹脂、固體環(huán)氧樹脂； 所述固化劑包括雙氫氨粉末、改性雙氫氨粉末、促進劑、氣相二氧化硅； 所述增韌樹脂包括聚醚砜和聚醚酮。2. 根據權利要求1所述的一種非均相增韌樹脂，其特征在于:所述復合環(huán)氧樹脂中各組 分的質量比為酚醛環(huán)氧樹脂:改性雙酸A環(huán)氧樹脂:固體環(huán)氧樹脂=3~8:1~3:1~3。3. 根據權利要求1所述的一種非均相增韌樹脂，其特征在于:所述固化劑中各組分的質 量比為雙氫氨粉末:改性雙氫氨粉末:促進劑:氣相二氧化硅=6~10:0.8~1.2:1.2~1.8: 2~5〇4. 根據權利要求1所述的一種非均相增韌樹脂，其特征在于:所述增韌樹脂中聚醚砜和 聚醚酮的質量比為1:2。5. 根據權利要求1所述的一種非均相增韌樹脂，其特征在于：所述增韌樹脂的粒徑為 300~1000 目。6. -種制備如權利要求1~4所述的非均相增韌樹脂的方法，其特征在于:包括以下步 驟：（1)將醛環(huán)氧樹脂、改性雙酚A環(huán)氧樹脂、固體環(huán)氧樹脂按上述比例加入反應釜中，混合 加熱至110°c，40r/min,分散30min;自然冷卻至40°C ; (2) 按順序加入雙氫氨粉末、改性雙氫氨粉末、促進劑、氣相二氧化硅，質量分數按上 述，采用雙行星動力混合機混合，公轉40r/min，自傳1500r/min;分散均勾； (3) -次性加入300~1000目的增韌劑，持續(xù)攪拌，當樹脂溫度達到70~75°C，停止攪 拌，得到非均相增韌樹脂。7. -種碳纖維預浸料，包括碳纖維和預浸料樹脂，其特征在于:所述碳纖維是將12K原 絲經過氣流擴展后得到，所述預浸料樹脂為權利要求1~4所述的非均相增韌樹脂，經過涂 膠機雙面涂布、加熱、冷卻、去離型紙得到。8. -種碳纖維復合材料，其特征在于：由權利要求6得到的碳纖維預浸料30~60層多角 度疊加，加熱固化得到。
【文檔編號】C08L71/10GK105885357SQ201610495920
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】周易
【申請人】周易