CN109233201A - 一种碳纤维杆及具有该碳纤维杆的复合板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维杆及具有该碳纤维杆的复合板的制备方法，该碳纤维杆包括碳纤维芯体和包覆于所述碳纤维芯体外的树脂基体，所述树脂基体包括如下重量份数的组分：环氧树脂40～65份；环氧树脂稀释剂10～35份；环氧树脂固化剂20～50份；硅烷偶联剂1～10份；增韧剂1～10份本发明提供的碳纤维杆植入采用碳纤维增强环氧树脂材料制成的层合板中，能够有效提高层合板厚度方向的层间强度和层间断裂韧性等层间性能。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维增强环氧树脂复合材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维杆及具有该碳纤维杆的复合板的制备方法。
背景技术
碳纤维增强树脂层合板具有较高的比强度、比模量、结构可设计等特点，在航空航天等领域中应用越来越广泛。然而现有的碳纤维增强树脂层合板存在较低的层间强度和层间断裂韧性，在低能量冲击下容易产生分层而导致结构时效等不足，限制了其在工程上的应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳纤维杆及具有该碳纤维杆的复合板的制备方法，将该碳纤维杆植入采用碳纤维增强环氧树脂材料制成的层合板中，有效提高了层合板厚度方向的层间强度和层间断裂韧性等层间性能。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种碳纤维杆，包括碳纤维芯体和包覆于所述碳纤维芯体外的树脂基体，所述树脂基体包括如下重量份数的组分：
环氧树脂40～65份；
环氧树脂稀释剂10～35份；
环氧树脂固化剂20～50份；
硅烷偶联剂1～10份；
增韧剂1～10份。
进一步地，所述树脂基体包括如下重量份数的组分：环氧树脂47份，环氧树脂稀释剂8份，环氧树脂固化剂37份，硅烷偶联剂4份，增韧剂4份；或者，
环氧树脂46份，环氧树脂稀释剂8份，环氧树脂固化剂38份，硅烷偶联剂4份，增韧剂4份；或者，
环氧树脂60份，环氧树脂稀释剂10份，环氧树脂固化剂30份，硅烷偶联剂5份，增韧剂5份。
进一步地，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂中的至少一种；且/或，
所述环氧树脂稀释剂为丁基缩水甘油醚、苯基缩水甘油醚、丙烯基缩水甘油醚、双缩水甘油醚、乙二醇双缩水甘油醚中的至少一种。
进一步地，所述环氧树脂固化剂为乙二胺、己二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、二乙氨基丙胺、间氨基甲胺、液态二氨基二苯基甲烷、间苯二甲胺、甲基纳迪克酸酐、甲基四氢苯酐、甲基六氢苯酐中至少一种；且/或，
所述的硅烷偶联剂为KH-550、KH-560、KH-570中的至少一种；且/或，
所述的增韧剂为多元醇。
进一步地，所述碳纤维芯体与所述树脂基体的体积比为45:55～65:35。
本发明实施例还提供一种复合板的制备方法，包括如下步骤：
碳纤维杆的制备步骤，利用拉挤成型设备制备如上所述碳纤维杆；
第一中间体的制备步骤，将所述碳纤维杆植入泡沫载体中，得到第一中间体；
中间板的制备步骤，将所述第一中间体中的碳纤维杆植入采用碳纤维增强环氧树脂材料制成的层合板中，得到中间板；
固化步骤，将所述中间板加热固化，得到复合板。
进一步地，所述碳纤维杆的制备步骤具体包括：
对用于成型所述碳纤维芯体的碳纤维纱进行排纱，得到第二中间体；
将所述第二中间体浸渍在用于成型所述树脂基体的树脂基液中，得到第三中间体；
将所述第三中间体通过预成型设备进行预成型，得到第四中间体；
对所述第四中间体加热成型固化，得到所述碳纤维杆。
进一步地，所述碳纤维杆的制备步骤中，所述树脂基液的温度为25℃～50℃；且/或，
所述碳纤维杆的制备步骤中，所述第四中间体的加热温度为80℃～150℃。
进一步地，所述第一中间体的制备步骤中，采用数控植入设备将所述碳纤维杆植入所述泡沫载体中；且/或，
所述中间板的制备步骤中，采用热压植入设备或超声波植入设备将所述碳纤维杆植入所述层合板中；且/或，
所述固化步骤中，所述中间板放置在热压罐中加热固化。
进一步地，所述固化步骤中，所述中间板的加热固化温度为25℃～400℃，所述中间板的加热固化时间为0.5h～4h。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
上述碳纤维杆成本低、化学稳定性高、导热性好、拉伸强度大、适应性强、应用广泛。将该碳纤维杆植入采用碳纤维增强环氧树脂材料制成的层合板中，有效提高了层合板厚度方向的层间强度和层间断裂韧性等层间性能。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
本发明实施例提供的碳纤维杆，包括碳纤维芯体和包覆于所述碳纤维芯体外的树脂基体，所述树脂基体包括如下重量份数的组分：
环氧树脂40～65份；
环氧树脂稀释剂10～35份；
环氧树脂固化剂20～50份；
硅烷偶联剂1～10份；
增韧剂1～10份。
上述碳纤维杆成本低、化学稳定性高、导热性好、拉伸强度大、适应性强、应用广泛。将该碳纤维杆植入采用碳纤维增强环氧树脂材料制成的层合板中，有效提高了层合板厚度方向的层间强度和层间断裂韧性等层间性能。
进一步地，所述树脂基体包括如下重量份数的组分：环氧树脂47份，环氧树脂稀释剂8份，环氧树脂固化剂37份，硅烷偶联剂4份，增韧剂4份；或者，
环氧树脂46份，环氧树脂稀释剂8份，环氧树脂固化剂38份，硅烷偶联剂4份，增韧剂4份；或者，
环氧树脂60份，环氧树脂稀释剂10份，环氧树脂固化剂30份，硅烷偶联剂5份，增韧剂5份。
进一步地，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂中的至少一种。
所述环氧树脂稀释剂为丁基缩水甘油醚、苯基缩水甘油醚、丙烯基缩水甘油醚、双缩水甘油醚、乙二醇双缩水甘油醚中的至少一种。环氧树脂稀释剂的作用及分类，环氧树脂具有高的粘接性，但在室温下，粘度比较大，不利于手糊操作。加入一定量的环氧树脂稀释剂，以增加环氧树脂对碳纤维的浸润能力，改善成型工艺性能。
进一步地，所述环氧树脂固化剂为乙二胺、己二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、二乙氨基丙胺、间氨基甲胺、液态二氨基二苯基甲烷、间苯二甲胺、甲基纳迪克酸酐、甲基四氢苯酐、甲基六氢苯酐中至少一种。
所述的硅烷偶联剂为KH-550、KH-560、KH-570中的至少一种。
所述的增韧剂为多元醇。增韧剂能够在不影响树脂基体的其他主要性能的前提下，降低树脂基体的脆性，增大韧性，提高承载强度。
进一步地，所述碳纤维芯体与所述树脂基体的体积比为45:55～65:35。
本发明实施例还提供一种复合板的制备方法，包括如下步骤：
碳纤维杆的制备步骤，利用拉挤成型设备制备如上所述碳纤维杆；
第一中间体的制备步骤，将所述碳纤维杆植入泡沫载体中，得到第一中间体；
中间板的制备步骤，将所述第一中间体中的碳纤维杆植入采用碳纤维增强环氧树脂材料制成的层合板中，得到中间板；
固化步骤，将所述中间板加热固化，得到复合板。
进一步地，所述碳纤维杆的制备步骤具体包括：
对用于成型所述碳纤维芯体的碳纤维纱进行排纱，得到第二中间体；
将所述第二中间体浸渍在用于成型所述树脂基体的树脂基液中，得到第三中间体；
将所述第三中间体通过预成型设备进行预成型，得到第四中间体；
对所述第四中间体加热成型固化，得到所述碳纤维杆。
进一步地，所述碳纤维杆的制备步骤中，所述树脂基液的温度为25℃～50℃。
所述碳纤维杆的制备步骤中，所述第四中间体的加热温度为80℃～150℃。
进一步地，所述第一中间体的制备步骤中，采用数控植入设备将所述碳纤维杆植入所述泡沫载体中。
所述中间板的制备步骤中，采用热压植入设备或超声波植入设备将所述碳纤维杆植入所述层合板中。
所述固化步骤中，所述中间板放置在热压罐中加热固化。
进一步地，所述固化步骤中，所述中间板的加热固化温度为25℃～400℃，所述中间板的加热固化时间为0.5h～4h。
实施例1
该实施例中碳纤维杆包括碳纤维芯体和包覆于所述碳纤维芯体外的树脂基体，所述碳纤维芯体与所述树脂基体的体积比为63:37。所述树脂基体包括如下重量份数的组分：环氧树脂E51 47份，丁基缩水甘油醚8份，甲基四氢苯酐37份，硅烷偶联剂KH-550 4份，PEG6000 4份。
利用拉挤成型设备制备如上所述碳纤维杆，具体包括：按上述比例对用于成型所述碳纤维芯体的碳纤维纱进行排纱，得到第二中间体；将所述第二中间体浸渍在用于成型所述树脂基体的树脂基液中，得到第三中间体，所述树脂基液的温度为25℃～50℃。将所述第三中间体通过预成型设备进行预成型，得到第四中间体。对所述第四中间体加热成型固化，得到所述碳纤维杆；所述第四中间体的加热温度为80℃～150℃。
将上述碳纤维杆分别植入所述泡沫载体中，得到第一中间体。具体的，所用泡沫载体为PVC泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、环氧树脂泡沫、PMI泡沫中的至少一种。采用数控植入设备将所述碳纤维杆植入所述泡沫载体中，根据泡沫载体的尺寸以及碳纤维杆的直径，算出碳纤维杆的数量，当碳纤维杆数量越多时，复合材料的力学性能越高。
采用热压植入设备或超声波植入设备将所述第一中间体中的碳纤维杆植入采用碳纤维增强环氧树脂材料制成的层合板中。具体的，在层合板的厚度方向植入前述碳纤维杆，以提高层合板厚度方向的综合性能。厚度方向是指垂直于层合板横截面的方向。
将所述中间板放置在热压罐中加热固化，得到所述复合板。所述热压罐具有加热、保温、冷却、加压、抽真空功能，所固化的制品孔隙率低、品质一致性好，适合于板壳类制品固化。加热固化的条件：真空度：0～0.1MPa；正压力：0～5MPa；加热固化温度：室温～400℃；加热固化时间：0.5h～4h。在成型固化前，先对热压罐进行清理并涂抹适量脱模剂，在保证不会污染成品的前提下，方便脱模。本实施例中的复合板的断裂韧性平均值为2036J/m2，而相同尺寸的未经植入前述碳纤维杆的层合板断裂韧性平均值为612J/m2，经前述碳纤维杆增强后的复合板断裂韧性增加了233％，由此可知，该碳纤维杆能够显著提高复合板的断裂韧性。
实施例2
该实施例中碳纤维杆包括碳纤维芯体和包覆于所述碳纤维芯体外的树脂基体，所述碳纤维芯体与所述树脂基体的体积比为60:40。所述树脂基体包括如下重量份数的组分：环氧树脂E44 47份，乙二醇双缩水甘油醚8份，甲基六氢苯酐37份，硅烷偶联剂KH-550 4份，PEG8000 4份。
本实施例制备的复合板，除了碳纤维杆的碳纤维芯体与所述树脂基体的比例以及树脂基体的具体组分不同，其他均参照实施例1，在此不再赘述。本实施例中的复合板的断裂韧性平均值为1882J/m2，经前述碳纤维杆增强后的复合板断裂韧性比未增强的层合板的断裂韧性提高了208％，由此可知，该碳纤维杆能够显著提高复合板的断裂韧性。
实施例3
该实施例中碳纤维杆包括碳纤维芯体和包覆于所述碳纤维芯体外的树脂基体，所述碳纤维芯体与所述树脂基体的体积比为55:45。所述树脂基体包括如下重量份数的组分：环氧树脂6110 46份，双缩水甘油醚8份，甲基纳迪克酸酐38份，硅烷偶联剂KH-550 4份，PEG8000 4份。
本实施例制备的复合板，除了碳纤维杆的碳纤维芯体与所述树脂基体的比例以及树脂基体的具体组分不同，其他均参照实施例1，在此不再赘述。本实施例中的复合板的断裂韧性平均值为1327J/m2，经前述碳纤维杆增强后的复合板断裂韧性比未增强的层合板的断裂韧性提高了117％。
实施例4
该实施例中碳纤维杆包括碳纤维芯体和包覆于所述碳纤维芯体外的树脂基体，所述碳纤维芯体与所述树脂基体的体积比为63:37。所述树脂基体包括如下重量份数的组分：环氧树脂E51 30份，环氧树脂6110 30份，丁基缩水甘油醚10份，液态二氨基二苯基甲烷20份，硅烷偶联剂KH-570 5份，PEG6000 5份。
本实施例制备的复合板，除了碳纤维杆的碳纤维芯体与所述树脂基体的比例以及树脂基体的具体组分不同，其他均参照实施例1，在此不再赘述。本实施例中的复合板的断裂韧性平均值为996J/m2，经前述碳纤维杆增强后的复合板断裂韧性比未增强的层合板的断裂韧性提高了63％
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种碳纤维杆，其特征在于，包括碳纤维芯体和包覆于所述碳纤维芯体外的树脂基体，所述树脂基体包括如下重量份数的组分：
环氧树脂40～65份；
环氧树脂稀释剂10～35份；
环氧树脂固化剂20～50份；
硅烷偶联剂1～10份；
增韧剂1～10份。
2.如权利要求1所述的碳纤维杆，其特征在于，所述树脂基体包括如下重量份数的组分：环氧树脂47份，环氧树脂稀释剂8份，环氧树脂固化剂37份，硅烷偶联剂4份，增韧剂4份；或者，
环氧树脂46份，环氧树脂稀释剂8份，环氧树脂固化剂38份，硅烷偶联剂4份，增韧剂4份；或者，
环氧树脂60份，环氧树脂稀释剂10份，环氧树脂固化剂30份，硅烷偶联剂5份，增韧剂5份。
3.如权利要求1或2所述的碳纤维杆，其特征在于，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂中的至少一种；且/或，
所述环氧树脂稀释剂为丁基缩水甘油醚、苯基缩水甘油醚、丙烯基缩水甘油醚、双缩水甘油醚、乙二醇双缩水甘油醚中的至少一种。
4.如权利要求1或2所述的碳纤维杆，其特征在于，所述环氧树脂固化剂为乙二胺、己二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、二乙氨基丙胺、间氨基甲胺、液态二氨基二苯基甲烷、间苯二甲胺、甲基纳迪克酸酐、甲基四氢苯酐、甲基六氢苯酐中至少一种；且/或，
所述的硅烷偶联剂为KH-550、KH-560、KH-570中的至少一种；且/或，
所述的增韧剂为多元醇。
5.如权利要求1或2所述的碳纤维杆，其特征在于，所述碳纤维芯体与所述树脂基体的体积比为45:55～65:35。
6.一种复合板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
碳纤维杆的制备步骤，利用拉挤成型设备制备如权利要求1-5任一项所述碳纤维杆；
第一中间体的制备步骤，将所述碳纤维杆植入泡沫载体中，得到第一中间体；
中间板的制备步骤，将所述第一中间体中的碳纤维杆植入采用碳纤维增强环氧树脂材料制成的层合板中，得到中间板；
固化步骤，将所述中间板加热固化，得到复合板。
7.如权利要求6所述的复合板的制备方法，其特征在于，所述碳纤维杆的制备步骤具体包括：
对用于成型所述碳纤维芯体的碳纤维纱进行排纱，得到第二中间体；
将所述第二中间体浸渍在用于成型所述树脂基体的树脂基液中，得到第三中间体；
将所述第三中间体通过预成型设备进行预成型，得到第四中间体；
对所述第四中间体加热成型固化，得到所述碳纤维杆。
8.如权利要求7所述的复合板的制备方法，其特征在于，所述碳纤维杆的制备步骤中，所述树脂基液的温度为25℃～50℃；且/或，
所述碳纤维杆的制备步骤中，所述第四中间体的加热温度为80℃～150℃。
9.如权利要求6-8任一项所述的复合板的制备方法，其特征在于，所述第一中间体的制备步骤中，采用数控植入设备将所述碳纤维杆植入所述泡沫载体中；且/或，
所述中间板的制备步骤中，采用热压植入设备或超声波植入设备将所述碳纤维杆植入所述层合板中；且/或，
所述固化步骤中，所述中间板放置在热压罐中加热固化。
10.如权利要求9所述的复合板的制备方法，其特征在于，所述固化步骤中，所述中间板的加热固化温度为25℃～400℃，所述中间板的加热固化时间为0.5h～4h。
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|---|---|---|---|---|
| US12011884B2 (en) | 2019-02-14 | 2024-06-18 | Kurashiki Boseki Kabushiki Kaisha | Fiber-reinforced resin molded body and method for producing carbon fiber sheet used therefor |
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