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CN117069987B - 一种碳纤维预浸料及其制备方法 - Google Patents

一种碳纤维预浸料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种碳纤维预浸料，添加了导热填料纳米Al2O3，提高了热导率，树脂基体包括缩水甘油醚型环氧树脂、环氧化聚丁烯和聚酰亚胺，混合树脂基体可提高基体的综合力学性能；经氧化处理的碳纤维能更好的与树脂基体结合，提高预浸料的综合性能。

Description

一种碳纤维预浸料及其制备方法
技术领域
本发明属于碳纤维复合材料技术领域，尤其是涉及一种碳纤维预浸料及其制备方法。
背景技术
碳纤维预浸料是用碳纤维或其织物在一定条件下经浸渍工艺加工而成的复合材料，具有强度高、可塑性好的特点，广泛应用于钓具、运动器材、汽车或航空航天领域，也是火箭、导弹、卫星等军工产品制造领域的重要结构材料。碳纤维增强环氧树脂预浸料是碳纤维增强环氧树脂基复合材料的中间产物，其性能的好坏直接影响复合材料的性能，因此，在预浸料生产过程中，对树脂基体配方、预浸料的加工工艺的研究至关重要。近年来由于高频率和高集成化电子设备及其零部件工艺技术的飞速发展，对材料导热和耐高温性能的要求大大提升，然而目前使用的树脂基复合材料普遍具有比较低的热导率，极易产生热量的聚集，越来越难以适应电子信息时代高频率和高集成化发展的要求。另外，纤维增强环氧树脂基复合材料在低速冲击下容易出现基体开裂和分层，使其应用领域受到限制，因此如何提高碳纤维预浸料的导热性能和力学性能就成为亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种碳纤维预浸料及其制备方法，以解决上述问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种碳纤维预浸料的制备方法，该方法包括如下步骤：
1）用硬脂酸对纳米Al2O3进行改性，得到改性纳米Al2O3；
2）将树脂基体、胺类固化剂、全氟己基乙基醇溶于四氢呋喃中，并加入改性纳米Al2O3搅拌均匀得浸渍料，其中，树脂基体包括质量份数比为30-60:5-8:10-20的缩水甘油醚型环氧树脂、环氧化聚丁烯和聚酰亚胺；
3）用硝酸对碳纤维进行氧化处理，得到改性碳纤维；
4）将改性碳纤维浸入浸渍料中制得碳纤维预浸料。
进一步，硬脂酸与纳米Al2O3添加质量比为0.1%-5%。
进一步，纳米Al2O3为氧化铝纳米纤维，直径4-8nm，长度200-300nm，纯度99%。
进一步，胺类固化剂为二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、T31、593中的一种或几种。
进一步，缩水甘油醚型环氧树脂为双酚A环氧树脂或双酚F环氧树脂。
进一步，双酚A环氧树脂为E-44。
进一步，浸渍料包括如下重量份数的原料：树脂基体80-100份、胺类固化剂20-40份、全氟己基乙基醇1-10份、四氢呋喃60-90份、改性纳米Al2O3 1-5份。
本发明还提供了由上述所述的方法制备得到的碳纤维预浸料。
相对于现有技术，本发明所述的碳纤维预浸料及其制备方法具有以下优势：
本发明所述的碳纤维预浸料添加了导热填料纳米Al2O3，提高了热导率，树脂基体包括缩水甘油醚型环氧树脂、环氧化聚丁烯和聚酰亚胺，混合树脂基体可提高基体的综合力学性能；经氧化处理的碳纤维能更好的与树脂基体结合，提高预浸料的综合性能。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
一种碳纤维预浸料的制备方法，该方法包括如下步骤：
1）改性纳米Al2O3
称取硬脂酸钠置于三口烧瓶中，加入正丁醇，超声溶解，再加入纳米Al2O3并超声震荡，硬脂酸与纳米Al2O3添加质量比为1%，纳米Al2O3为市售的氧化铝纳米纤维，直径4-8nm，长度200-300nm，纯度99%；将三口烧瓶置于电热套中，剧烈搅拌并加热至恒沸点，通过冷凝器紧挨那个加热产生的热蒸汽冷凝，冷凝液通过分离器把正丁醇和水分离，水排出系统，正丁醇重新回流。当蒸汽温度至正丁醇的沸点，恒温3h，停止加热。冷却至室温，用真空泵抽滤、无水乙醇洗地，把固液分离后的固体分散至无水乙醇中，并搅拌，如此反复洗涤3-5次。最后将得到的改性纳米Al2O3干燥。
2）将80份树脂基体、25份胺类固化剂、4份全氟己基乙基醇溶于75份四氢呋喃中，并加入2份改性纳米Al2O3搅拌均匀得浸渍料，树脂基体包括质量份数比为40:5:12的双酚A环氧树脂E-44、环氧化聚丁烯和聚酰亚胺，胺类固化剂为质量份数比为2:1的三乙烯四胺和T31。
3）改性碳纤维
将碳纤维放入装有丙酮的索氏提取器中，使用丙酮抽提，清除碳纤维表面的上浆剂以及杂质，清洗后的碳纤维在60℃的鼓风干燥箱中干燥，得到清洗过的碳纤维；将干燥的碳纤维置浸泡在浓度为68%的硝酸中，80℃下氧化3h；将氧化后的碳纤维在蒸馏水中浸泡10min后取出，并重复8次，得到清洗后的氧化碳纤维，并烘干。
4）将改性碳纤维浸入110℃的浸渍料中5h，之后在60℃下干燥4h，制得碳纤维预浸料。
制得的碳纤维预浸料的树脂质量分数为30%，纤维面密度为145.38g·m-2。
实施例2
一种碳纤维预浸料的制备方法，该方法包括如下步骤：
1）改性纳米Al2O3（如实施例1）
2）将100份树脂基体、40份胺类固化剂、9份全氟己基乙基醇溶于90份四氢呋喃中，并加入5份改性纳米Al2O3搅拌均匀得浸渍料，树脂基体包括质量份数比为55:8:19的双酚A环氧树脂E-44、环氧化聚丁烯和聚酰亚胺，胺类固化剂为质量份数比为3:1的三乙烯四胺和593；
3）改性碳纤维（如实施例1）
4）将改性碳纤维浸入120℃的浸渍料中4h，之后在60℃下干燥4h，制得碳纤维预浸料。
制得的碳纤维预浸料的树脂质量分数为28%，纤维面密度为143.61g·m-2。
实施例3
一种碳纤维预浸料的制备方法，该方法包括如下步骤：
1）改性纳米Al2O3（如实施例1）
2）将90份树脂基体、32份胺类固化剂、7份全氟己基乙基醇溶于85份四氢呋喃中，并加入3.5份改性纳米Al2O3搅拌均匀得浸渍料，树脂基体包括质量份数比为45:6:14的双酚A环氧树脂E-44、环氧化聚丁烯和聚酰亚胺，胺类固化剂为质量份数比为2:1的四乙烯五胺和T31；
3）改性碳纤维（如实施例1）
4）将改性碳纤维浸入110℃的浸渍料中4h，之后在60℃下干燥4h，制得碳纤维预浸料。
制得的碳纤维预浸料的树脂质量分数为31%，纤维面密度为146.79g·m-2。
对比例1
在实施例1的基础上，纳米Al2O3为球形纳米颗粒，粒径为10-30nm。
制得的碳纤维预浸料的树脂质量分数为23%，纤维面密度为121.05g·m-2。
对比例2
在实施例1的基础上，树脂基体为双酚A环氧树脂E-44。
制得的碳纤维预浸料的树脂质量分数为18%，纤维面密度为106.42g·m-2。
对比例3
在实施例1的基础上，树脂基体为聚酰亚胺。
制得的碳纤维预浸料的树脂质量分数为21%，纤维面密度为102.66g·m-2。
力学性能测试
将各实施例及对比例的碳纤维预浸料制备成复合材料单向板，并测试复合材料单向板的括拉伸强度、拉伸模量、压缩强度、压缩模量、弯曲强度、弯曲模量和层剪剪切强度。
表1 实施例及对比例的碳纤维预浸料制备的复合材料单向板的性能对比表
导热系数测试
用激光热传导分析仪对复合材料单向板进行热扩散系数测试，在测得不同复合材料单向板的密度、比热容和热扩散系数后，按照下式计算得到板的导热系数：
，
式中 ，k 为导热系数，W·m-1·K-1；ρ为板密度，g/cm3，Cp 为板比热容，J·g-1·℃-1。
表2 实施例及对比例的碳纤维预浸料制备的复合材料单向板的导热系数对比表
通过表1和表2可以发现，添加氧化铝纳米纤维后具有更好的导热效果，使用本发明所述的树脂基体得到的碳纤维预浸料可以得到综合力学性能更优的复合材料单向板。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (5)

1.一种碳纤维预浸料的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
1）用硬脂酸对纳米Al2O3进行改性，得到改性纳米Al2O3；
2）将树脂基体、胺类固化剂、全氟己基乙基醇溶于四氢呋喃中，并加入改性纳米Al2O3搅拌均匀得浸渍料，其中，树脂基体包括质量份数比为30-60:5-8:10-20的缩水甘油醚型环氧树脂、环氧化聚丁烯和聚酰亚胺；
3）用硝酸对碳纤维进行氧化处理，得到改性碳纤维；
4）将改性碳纤维浸入浸渍料中制得碳纤维预浸料；
其中，硬脂酸与纳米Al2O3添加质量比为0.1%-5%；
纳米Al2O3为氧化铝纳米纤维，直径4-8nm，长度200-300nm，纯度99%；
浸渍料包括如下重量份数的原料：树脂基体80-100份、胺类固化剂20-40份、全氟己基乙基醇1-10份、四氢呋喃60-90份、改性纳米Al2O3 1-5份。
2.根据权利要求1所述的碳纤维预浸料的制备方法，其特征在于：胺类固化剂为二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、T31、593中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的碳纤维预浸料的制备方法，其特征在于：缩水甘油醚型环氧树脂为双酚A环氧树脂或双酚F环氧树脂。
4.根据权利要求3所述的碳纤维预浸料的制备方法，其特征在于：双酚A环氧树脂为E-44。
5.一种由权利要求1-4任一项所述的方法制备得到的碳纤维预浸料。
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