CN107903627A - 一种热塑性轻量化复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热塑性轻量化复合材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。该热塑性轻量化复合材料包括以下重量份的组分：改性碳纤维20‑30份、聚酰亚胺粉80‑84份、改性玻璃纤维10‑15份、热稳定剂10‑12份和抗氧化剂15‑20份。该热塑性轻量化复合材料由具有特定配方含量的物质组成，在这些物质的相互协同作用下，使制得的热塑性轻量化复合材料界面相容性、粘合力、强度及牢固度得到大大提高，并且由于采用了质量相对于金属材料较轻的聚酰亚胺，整个复合材料质轻，具有广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种热塑性轻量化复合材料。
背景技术
先进复合材料在航空、航天工业中的应用显示出来独特的优势和潜力，从环氧树脂、热塑性树脂、异氰酸酯树脂至双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂的发展历程。聚酰亚胺综合性能非常优异，具有非常优良的耐热性、耐低温性、耐溶剂性、自润滑性以及阻燃等特性，应用十分广泛。
由于材料应用环境日趋严苛，对复合材料的性能要求也随之提高，尤其是材料的力学性能。虽然目前的聚酰亚胺基复合材料能够满足产品耐热性的需求，但是强度还有待进一步提高。在聚酰亚胺基复合材料的加工过程中，选择正确的配方和添加剂，使其具有优异的热塑性和力学性能至关重要。为了提高复合材料的力学性能，往往在基体中增加纤维，例如碳纤维、植物纤维，通过纤维增强基体强度，由于聚酰亚胺基体为有机材料与无机纤维融合，其极性相差较大，两者的相容性和分散性会出现问题，反而会降低基体原有强度。这些因素都制约着先进复合材料的发展。
发明内容
为了解决现有存在的问题，本发明的目的在于提供一种热塑性轻量化复合材料，质量轻、强度高、热塑性好。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种热塑性轻量化复合材料，包括以下重量份的组分：改性碳纤维20-30份、聚酰亚胺粉80-84份、改性玻璃纤维10-15份、热稳定剂10-12份和抗氧化剂15-20份；
其中，改性碳纤维的制备方法为：将碳纤维进行清洗除杂处理；将经浓硫酸和浓硝酸酸化处理后的石墨烯与硅烷偶联剂进行接枝反应，制得改性石墨烯，将改性石墨烯、4,5-环氧环己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯和固化剂按照重量比为3:55:10的比例混合，制得上浆剂；将碳纤维置于上浆剂中在惰性气氛下用射线按照240kGy的剂量辐照，制得改性碳纤维；
其中，改性玻璃纤维的制备方法为：将玻璃纤维超声波清洗后，在125-130℃的条件下烘干，然后加入硅烷偶联剂中搅拌5-10min，置于80-100℃的条件下烘干，制得改性玻璃纤维。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，制备改性石墨烯包括以下具体步骤：
将石墨烯置于浓硫酸中磁力搅拌4-5h，经超声波清洗1.5-2h后再置于浓硝酸中磁力搅拌50-60min，在100-120℃的条件下恒温回流2-3h,用去离子水稀释并过滤，将过滤物用去离子水反复清洗直至滤液PH值为7，然后将过滤物置于55-60℃的条件下真空烘干，制得酸化石墨烯；
向无水乙醇中加入稀盐酸溶液调节PH值为4.8-5.2，然后加入硅烷偶联剂配置成溶质质量分数为2.5％的混合溶液，向混合溶液中按料液比为1:1的重量比加入酸化石墨烯，超声分散30min后，在温度为75-80℃恒温水浴条件下机械搅拌2-3h，将得到的反应物用丙酮清洗后真空抽滤，再用无水乙醇清洗直至滤液PH值为7,在85-90℃的条件下真空烘干，制得改性石墨烯。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述热塑性轻量化复合材料包括按重量份计的改性碳纤维25份、聚酰亚胺粉80份、改性玻璃纤维15份、热稳定剂10份和抗氧化剂15份。
上述的热塑性轻量化复合材料的制备方法，包括：按照上述配比将原料混合后倒入模具中，在温度为260-280℃、压力为10-12MPa的条件下处理1.5-2h，然后再升温至340-350℃处理1.5-2h，降温至100℃后脱模，制得复合材料。
本发明具有以下有益效果：
本发明以聚酰亚胺粉作为材料基体，以改性碳纤维和改性玻璃纤维为增强体，通过对现有碳纤维和玻璃纤维进行改性处理，使得改性后的碳纤维和玻璃纤维与聚酰亚胺基体很好地融合，解决了碳纤维与基体之间的界面结合性能较差的问题，提高了聚酰亚胺材料的力学性能。
本发明对现有碳纤维进行接枝改性，与现有接枝改性所不同的是，本发明不是对碳纤维直接进行接枝处理，而是通过将石墨烯与硅烷偶联剂进行接枝反应，制得改性石墨烯，然后再以改性石墨烯、4,5-环氧环己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯和固化剂按照重量比为3:55:10的比例混合，制得上浆剂，再将上浆剂涂覆在碳纤维上，并且在惰性气氛下用射线按照240kGy的剂量辐照，最终获得改性碳纤维。
在制备改性碳纤维过程中，改性后的石墨烯具有易于与基体融合的官能团，并且经过浓硫酸和浓硝酸酸化处理后的石墨烯一方面其表面形成活性官能团，这些活性官能团能够提高反应活性，使更多的硅烷偶联剂与石墨烯发生接枝反应，另一方面通过浓硫酸和浓硝酸对石墨烯表面进行蚀刻，提高石墨烯表面粗糙度，增大比表面积，使得石墨烯能够与硅烷偶联剂实现机械互锁结构，进而使得由改性石墨烯制得的上浆剂能够帮助碳纤维与基体聚酰亚胺更好地融合。通过对石墨烯进行改性处理，使得上浆剂能够与碳纤维很好地结合，克服了上浆剂与碳纤维结核性差的问题。
为了进一步改性碳纤维在基体中的润湿性，本发明通过射线辐照轰击碳纤维表面，一方面在碳纤维表面产生化学反应活性自由基或接枝活性官能团，使得碳纤维能够与基体产生化学键合，从而提高碳纤维在基体中的润湿性，同时也进一步增大硅烷偶联剂与4,5-环氧环己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯与碳纤维的反应活性；另一方面通过射线辐照对碳纤维表面进行蚀刻，增大纤维粗糙度，提高碳纤维与基体界面间的机械锁合力，进而使得整个复合材料的界面强度得以改善。本发明所指的射线可以是X射线、γ射线、电子束或紫外线等。
本发明在添加改性碳纤维的基础之上，还添加有同样具有增强效果的玻璃纤维，玻璃纤维本身具有价格便宜且延伸率大等优势，能够有效弥补碳纤维延伸度率低且价格昂贵的缺陷。两种纤维材料相互扬长补短，在保证承载力的前提下，提高材料延展性并且降低成本。同时，本发明采用的玻璃纤维也是经过改性处理的，通过与硅烷偶联剂进行接枝反应，使得改性玻璃纤维能够与基体更好地融合，并且均匀分散在基体中。
本发明的热塑性轻量化复合材料由具有特定配方含量的物质组成，在这些物质的相互协同作用下，使制得的热塑性轻量化复合材料界面相容性、粘合力、强度及牢固度得到大大提高，并且由于采用了质量相对于金属材料较轻的聚酰亚胺，整个复合材料质轻，具有广阔的市场前景。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1：
本实施例的热塑性轻量化复合材料包括以下重量份的组分：改性碳纤维20份、聚酰亚胺粉84份、改性玻璃纤维10份、热稳定剂10份和抗氧化剂15份。
(1)上述改性碳纤维的制备方法为：将碳纤维进行清洗除杂处理；将经浓硫酸和浓硝酸酸化处理后的石墨烯与硅烷偶联剂进行接枝反应，制得改性石墨烯，将改性石墨烯、4,5-环氧环己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯和固化剂按照重量比为3:55:10的比例混合，制得上浆剂；将碳纤维置于上浆剂中在惰性气氛下用射线按照240kGy的剂量辐照，制得改性碳纤维。
制备改性石墨烯包括以下具体步骤：
将石墨烯置于浓硫酸中磁力搅拌4h，经超声波清洗1.5h后再置于浓硝酸中磁力搅拌60min，在120℃的条件下恒温回流2h,用去离子水稀释并过滤，将过滤物用去离子水反复清洗直至滤液PH值为7，然后将过滤物置于55℃的条件下真空烘干，制得酸化石墨烯。
向无水乙醇中加入稀盐酸溶液调节PH值为4.8，然后加入硅烷偶联剂配置成溶质质量分数为2.5％的混合溶液，向混合溶液中按料液比为1:1的重量比加入酸化石墨烯，超声分散30min后，在温度为80℃恒温水浴条件下机械搅拌2h，将得到的反应物用丙酮清洗后真空抽滤，再用无水乙醇清洗直至滤液PH值为7,在85℃的条件下真空烘干，制得改性石墨烯。
(2)上述改性玻璃纤维的制备方法为：将玻璃纤维超声波清洗后，在125℃的条件下烘干，然后加入硅烷偶联剂中搅拌10min，置于80℃的条件下烘干，制得改性玻璃纤维。
本实施例的热塑性轻量化复合材料的制备方法，包括：按照上述配比将原料混合后倒入模具中，在温度为260℃、压力为12MPa的条件下处理1.5h，然后再升温至340℃处理1.5h，降温至100℃后脱模，制得复合材料。
实施例2：
本实施例的热塑性轻量化复合材料包括以下重量份的组分：改性碳纤维30份、聚酰亚胺粉80份、改性玻璃纤维15份、热稳定剂12份和抗氧化剂20份。
(1)上述改性碳纤维的制备方法为：将碳纤维进行清洗除杂处理；将经浓硫酸和浓硝酸酸化处理后的石墨烯与硅烷偶联剂进行接枝反应，制得改性石墨烯，将改性石墨烯、4,5-环氧环己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯和固化剂按照重量比为3:55:10的比例混合，制得上浆剂；将碳纤维置于上浆剂中在惰性气氛下用射线按照240kGy的剂量辐照，制得改性碳纤维。
制备改性石墨烯包括以下具体步骤：
将石墨烯置于浓硫酸中磁力搅拌5h，经超声波清洗2h后再置于浓硝酸中磁力搅拌60min，在120℃的条件下恒温回流3h,用去离子水稀释并过滤，将过滤物用去离子水反复清洗直至滤液PH值为7，然后将过滤物置于60℃的条件下真空烘干，制得酸化石墨烯。
向无水乙醇中加入稀盐酸溶液调节PH值为5.2，然后加入硅烷偶联剂配置成溶质质量分数为2.5％的混合溶液，向混合溶液中按料液比为1:1的重量比加入酸化石墨烯，超声分散30min后，在温度为75℃恒温水浴条件下机械搅拌3h，将得到的反应物用丙酮清洗后真空抽滤，再用无水乙醇清洗直至滤液PH值为7,在90℃的条件下真空烘干，制得改性石墨烯。
(2)上述改性玻璃纤维的制备方法为：将玻璃纤维超声波清洗后，在130℃的条件下烘干，然后加入硅烷偶联剂中搅拌5min，置于100℃的条件下烘干，制得改性玻璃纤维。
本实施例的热塑性轻量化复合材料的制备方法，包括：按照上述配比将原料混合后倒入模具中，在温度为280℃、压力为10MPa的条件下处理2h，然后再升温至350℃处理2h，降温至100℃后脱模，制得复合材料。
实施例3：
本实施例的热塑性轻量化复合材料包括以下重量份的组分：改性碳纤维25份、聚酰亚胺粉82份、改性玻璃纤维12份、热稳定剂11份和抗氧化剂28份。
(1)上述改性碳纤维的制备方法为：将碳纤维进行清洗除杂处理；将经浓硫酸和浓硝酸酸化处理后的石墨烯与硅烷偶联剂进行接枝反应，制得改性石墨烯，将改性石墨烯、4,5-环氧环己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯和固化剂按照重量比为3:55:10的比例混合，制得上浆剂；将碳纤维置于上浆剂中在惰性气氛下用射线按照240kGy的剂量辐照，制得改性碳纤维。
制备改性石墨烯包括以下具体步骤：
将石墨烯置于浓硫酸中磁力搅拌4.5h，经超声波清洗1.6h后再置于浓硝酸中磁力搅拌55min，在110℃的条件下恒温回流2.5h,用去离子水稀释并过滤，将过滤物用去离子水反复清洗直至滤液PH值为7，然后将过滤物置于58℃的条件下真空烘干，制得酸化石墨烯；
向无水乙醇中加入稀盐酸溶液调节PH值为5然后加入硅烷偶联剂配置成溶质质量分数为2.5％的混合溶液，向混合溶液中按料液比为1:1的重量比加入酸化石墨烯，超声分散30min后，在温度为77℃恒温水浴条件下机械搅拌2.4h，将得到的反应物用丙酮清洗后真空抽滤，再用无水乙醇清洗直至滤液PH值为7,在88℃的条件下真空烘干，制得改性石墨烯。
(2)上述改性玻璃纤维的制备方法为：将玻璃纤维超声波清洗后，在128℃的条件下烘干，然后加入硅烷偶联剂中搅拌8min，置于90℃的条件下烘干，制得改性玻璃纤维。
本实施例的热塑性轻量化复合材料的制备方法，包括：按照上述配比将原料混合后倒入模具中，在温度为270℃、压力为11MPa的条件下处理1.8h，然后再升温至345℃处理1.8h，降温至100℃后脱模，制得复合材料。
实施例4：
本实施例的热塑性轻量化复合材料包括以下重量份的组分：改性碳纤维25份、聚酰亚胺粉80份、改性玻璃纤维15份、热稳定剂10份和抗氧化剂15份。
(1)上述改性碳纤维的制备方法为：将碳纤维进行清洗除杂处理；将经浓硫酸和浓硝酸酸化处理后的石墨烯与硅烷偶联剂进行接枝反应，制得改性石墨烯，将改性石墨烯、4,5-环氧环己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯和固化剂按照重量比为3:55:10的比例混合，制得上浆剂；将碳纤维置于上浆剂中在惰性气氛下用射线按照240kGy的剂量辐照，制得改性碳纤维；
制备改性石墨烯包括以下具体步骤：
将石墨烯置于浓硫酸中磁力搅拌5h，经超声波清洗2h后再置于浓硝酸中磁力搅拌50min，在105℃的条件下恒温回流3h,用去离子水稀释并过滤，将过滤物用去离子水反复清洗直至滤液PH值为7，然后将过滤物置于60℃的条件下真空烘干，制得酸化石墨烯；
向无水乙醇中加入稀盐酸溶液调节PH值为5，然后加入硅烷偶联剂配置成溶质质量分数为2.5％的混合溶液，向混合溶液中按料液比为1:1的重量比加入酸化石墨烯，超声分散30min后，在温度为80℃恒温水浴条件下机械搅拌3h，将得到的反应物用丙酮清洗后真空抽滤，再用无水乙醇清洗直至滤液PH值为7,在90℃的条件下真空烘干，制得改性石墨烯。
(2)上述改性玻璃纤维的制备方法为：将玻璃纤维超声波清洗后，在130℃的条件下烘干，然后加入硅烷偶联剂中搅拌6min，置于95℃的条件下烘干，制得改性玻璃纤维。
本实施例的热塑性轻量化复合材料的制备方法，包括：按照上述配比将原料混合后倒入模具中，在温度为275℃、压力为11.5MPa的条件下处理1.5h，然后再升温至345℃处理1.5h，降温至100℃后脱模，制得复合材料。
实施例5：
本实施例的热塑性轻量化复合材料包括以下重量份的组分：改性碳纤维28份、聚酰亚胺粉83份、改性玻璃纤维14份、热稳定剂10.5份和抗氧化剂18.6份。
(1)上述改性碳纤维的制备方法为：将碳纤维进行清洗除杂处理；将经浓硫酸和浓硝酸酸化处理后的石墨烯与硅烷偶联剂进行接枝反应，制得改性石墨烯，将改性石墨烯、4,5-环氧环己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯和固化剂按照重量比为3:55:10的比例混合，制得上浆剂；将碳纤维置于上浆剂中在惰性气氛下用射线按照240kGy的剂量辐照，制得改性碳纤维；
制备改性石墨烯包括以下具体步骤：
将石墨烯置于浓硫酸中磁力搅拌4.5h，经超声波清洗2h后再置于浓硝酸中磁力搅拌60min，在120℃的条件下恒温回流3h,用去离子水稀释并过滤，将过滤物用去离子水反复清洗直至滤液PH值为7，然后将过滤物置于55℃的条件下真空烘干，制得酸化石墨烯；
向无水乙醇中加入稀盐酸溶液调节PH值为5，然后加入硅烷偶联剂配置成溶质质量分数为2.5％的混合溶液，向混合溶液中按料液比为1:1的重量比加入酸化石墨烯，超声分散30min后，在温度为80℃恒温水浴条件下机械搅拌2.5h，将得到的反应物用丙酮清洗后真空抽滤，再用无水乙醇清洗直至滤液PH值为7,在90℃的条件下真空烘干，制得改性石墨烯。
(2)上述改性玻璃纤维的制备方法为：将玻璃纤维超声波清洗后，在128℃的条件下烘干，然后加入硅烷偶联剂中搅拌9min，置于95℃的条件下烘干，制得改性玻璃纤维。
本实施例的热塑性轻量化复合材料的制备方法，包括：按照上述配比将原料混合后倒入模具中，在温度为265℃、压力为12MPa的条件下处理2h，然后再升温至350℃处理1.5h，降温至100℃后脱模，制得复合材料。
试验例
将上述实施例1-5及对比例1(该对比例按照现有的聚酰亚胺复合材料的制备方法制得)制备的热塑性轻量化复合材料用注塑机制成样品，按照GB2568-1995测试浇注体的拉伸性能，按照JC/T773-1996测试平板单向复合材料的层间剪切强度，测试数据如下表1：
表1
| 实施例 | 拉伸强度/MPa | 断裂强力/N | 拉伸模量/MPa | 层间剪切强度/MPa |
| 1 | 5098.78 | 2249.56 | 285134.78 | 5112.56 |
| 2 | 5123.45 | 2254.21 | 285795.46 | 5125.12 |
| 3 | 5126.76 | 2268.34 | 285924.51 | 5124.79 |
| 4 | 5131.07 | 2276.31 | 286371.84 | 5128.34 |
| 5 | 5125.16 | 2248.97 | 285789.47 | 5126.35 |
| 对比例 | 4256.48 | 1950.83 | 248096.36 | 4257.89 |
由上表数据可以看出，本发明制得的热塑性轻量化复合材料较普通的木塑复合材料的拉伸强度、断裂强力、拉伸模量和层间剪切强度都得到很大程度的提高，这大大扩展了本发明的热塑性轻量化复合材料的应用范围，具有极大的发展前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种热塑性轻量化复合材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：改性碳纤维20-30份、聚酰亚胺粉80-84份、改性玻璃纤维10-15份、热稳定剂10-12份和抗氧化剂15-20份；
其中，所述改性碳纤维的制备方法为：将碳纤维进行清洗除杂处理；将经浓硫酸和浓硝酸酸化处理后的石墨烯与硅烷偶联剂进行接枝反应，制得改性石墨烯，将改性石墨烯、4,5-环氧环己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯和固化剂按照重量比为3:55:10的比例混合，制得上浆剂；将碳纤维置于上浆剂中在惰性气氛下用射线按照240kGy的剂量辐照，制得所述改性碳纤维；
其中，所述改性玻璃纤维的制备方法为：将玻璃纤维超声波清洗后，在125-130℃的条件下烘干，然后加入硅烷偶联剂中搅拌5-10min，置于80-100℃的条件下烘干，制得所述改性玻璃纤维。
2.根据权利要求1所述的热塑性轻量化复合材料，其特征在于，制备所述改性石墨烯包括以下具体步骤：
将石墨烯置于浓硫酸中磁力搅拌4-5h，经超声波清洗1.5-2h后再置于浓硝酸中磁力搅拌50-60min，在100-120℃的条件下恒温回流2-3h,用去离子水稀释并过滤，将过滤物用去离子水反复清洗直至滤液PH值为7，然后将过滤物置于55-60℃的条件下真空烘干，制得酸化石墨烯；
向无水乙醇中加入稀盐酸溶液调节PH值为4.8-5.2，然后加入硅烷偶联剂配置成溶质质量分数为2.5％的混合溶液，向所述混合溶液中按料液比为1:1的重量比加入酸化石墨烯，超声分散30min后，在温度为75-80℃恒温水浴条件下机械搅拌2-3h，将得到的反应物用丙酮清洗后真空抽滤，再用无水乙醇清洗直至滤液PH值为7,在85-90℃的条件下真空烘干，制得改性石墨烯。
3.根据权利要求1或2所述的热塑性轻量化复合材料，其特征在于，所述热塑性轻量化复合材料包括按重量份计的改性碳纤维25份、聚酰亚胺粉80份、改性玻璃纤维15份、热稳定剂10份和抗氧化剂15份。
4.权利要求1-3任一项所述的热塑性轻量化复合材料的制备方法，其特征在于，包括：按照上述配比将原料混合后倒入模具中，在温度为260-280℃、压力为10-12MPa的条件下处理1.5-2h，然后再升温至340-350℃处理1.5-2h，降温至100℃后脱模，制得所述复合材料。
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