一种含聚酰胺涂层的环氧树脂复合材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及的是高分子材料技术领域，尤其涉及一种含聚酰胺涂层的环氧树脂复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.环氧树脂化学稳定，加工性能好，具有良好的绝缘性，耐化学腐蚀，具有较好的耐溶剂性等优点，所以在复合材料领域中具有广泛的应用。但环氧树脂的耐磨性差、耐冲击损伤能力差，使其在实际生产应用中受到了限制。
3.碳纤维因其具有高比强度、高比模量、低密度、耐高温、热膨胀系数小等优异性能，目前已被广泛应用于航天航空、体育、汽车等领域。通过将环氧树脂与碳纤维进行复合，可制备出高强度、轻量化、尺寸稳定性好和耐化学腐蚀的复合材料。由于碳纤维表面呈现化学惰性，表面能低且几乎无化学基团，所以对碳纤维进行表面处理能很好地改善其界面性能。但碳纤维增强环氧树脂复合材料也存在缺点，表现为韧性差，不耐温和易损伤，在使用过程中局部冲击过大容易出现开裂和分层等问题，因此对碳纤维进行改性处理，改善环氧树脂与碳纤维之间的粘结性能，提高复合材料的层间韧性是相当关键的一部分。
4.目前，已有的碳纤维环氧树脂复合材料层间增韧的方法较多，如：添加橡胶颗粒增韧、添加热塑性树脂增韧、添加刚性粒子增韧或静电纺丝纳米纤维增韧等。现有的方法在提高环氧树脂复合材料层间韧性的同时，一方面可能会对环氧树脂复合材料的耐热性或力学性能造成影响，另一方面是对工艺要求较高，且制备过程过于复杂，难以满足大规模的生产应用。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明目的在于提供一种含聚酰胺涂层的环氧树脂复合材料的制备方法，利用所制备的聚酰胺溶剂对碳纤维进行涂覆或浸渍处理，改善碳纤维与环氧树脂的相容性，提高碳纤维环氧树脂复合材料的抗分层性和断裂韧性。
6.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
7.一种含聚酰胺涂层的环氧树脂复合材料，包括碳纤维布、聚酰胺、环氧树脂，碳纤维布表面负载有聚酰胺，环氧树脂与碳纤维布通过聚酰胺连接。
8.进一步的，碳纤维布与环氧树脂的质量比例为(6-7)：(3-4)。
9.一种含聚酰胺涂层的环氧树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：
10.(1)制备聚酰胺涂层溶液，对碳纤维布进行脱浆和氧化处理，得到脱浆氧化的碳纤维布；
11.(2)将步骤(1)脱浆氧化的碳纤维布浸渍在浓度为5-20wt％的聚酰胺溶液中，然后将碳纤维布从聚酰胺涂层溶液中拉出，烘干后获得经聚酰胺溶剂处理的碳纤维布；
12.(3)将步骤(2)制得的碳纤维布浸润与固化剂混合均匀的环氧树脂，烘干后获得含聚酰胺涂层的环氧树脂复合材料。
13.进一步的，步骤(1)中，在室温-70℃下，采用索式提取法将碳纤维布在混合溶剂中进行脱浆处理，时间为12-36h，然后用去离子水冲洗3-5次，制成脱浆碳纤维布；将脱浆的碳纤维布放入5wt％-10wt％的高锰酸钾中，在 50-70℃水浴锅中反应10-30min后取出，使用去离子水将碳纤维布清洗干净并进行烘干处理，得到脱浆氧化的碳纤维布。
14.进一步的，步骤(1)所述的混合溶剂为丙酮、乙醇和水以体积比为2： 1：1进行混合制得。
15.进一步的，步骤(2)所述的聚酰胺涂层溶剂是由以下方法制备：将聚酰胺纤维与有机溶剂混合，然后在200℃下以200-500r/min搅拌1-10分钟增加溶剂粘度，再加入硅烷偶联剂混合均匀制得。
16.进一步的，步骤(3)所述的环氧树脂为间苯二酚环氧树脂、双酚a型环氧树脂、双酚f型环氧树脂、乙烯基环氧树脂、羟甲基双酚a型环氧树脂或双酚s型环氧树脂中的一种或任意组合；所述固化剂为乙二胺、己二胺、二乙烯三胺、二乙氨基丙胺或间苯二胺中的一种或任意组合；所述固化剂和环氧树脂质量比为(8-16)：(90-130)。
17.进一步的，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇或乙二醇单丁醚种的一种或任意组合；所述的硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、甲基乙烯基二氧乙烯硅烷、甲基三乙酰氧基硅烷或乙烯基三甲氧基硅烷种的一种或任意组合。
18.上述的含聚酰胺涂层的环氧树脂复合材料在航空航天、汽车制造以及体育装备等领域的应用。
19.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
20.本发明采用聚酰胺溶剂浸渍或涂覆改性碳纤维，进而制备出高层间韧性的环氧树脂复合材料。一是制备的聚酰胺溶剂能够很好地附着在碳纤维上，浸渍或涂覆均匀性好；二是聚酰胺涂层大大提高了碳纤维增强环氧树脂复合材料的抗分层性和断裂韧性；三是制备的高层间韧性环氧树脂复合材料，工艺过程简单，生产制备效率高，能够较好地适应大规模生产。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明所述的含聚酰胺涂层的环氧树脂复合材料制备方法流程图。
具体实施方式
21.除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
22.下面结合实施例来详细说明本发明。
23.以下实施例中均采用的是将碳纤维布进行脱浆氧化处理后的碳纤维布，其中脱浆氧化处理所采用的方法为：在70℃下，采用索式提取法将碳纤维布在丙酮、乙醇和水以体积比为2：1：1的混合溶剂中进行脱浆处理，时间为 24h，然后用去离子水冲洗3-5次，制成脱浆碳纤维布；将脱浆的碳纤维布放入5wt％的高锰酸钾中，在50℃水浴锅中反应10min后取出，
使用去离子水将碳纤维布清洗干净并进行烘干处理，得到脱浆氧化的碳纤维布。此外，聚酰胺溶液的制备方法为：将聚酰胺纤维与乙醇溶液混合，然后在200℃下以300r/min搅拌4分钟增加溶剂粘度，再加入乙烯基三乙氧基硅烷偶联剂混合均匀制得。上述碳纤维布为天津爱思达新材料科技有限公司生产的型号为fp700-12k-100的碳纤维布，聚酰胺纤维为杜邦中国集团有限公司生产的型号为101nc010的聚酰胺纤维。
24.实施例1
25.含聚酰胺涂层的环氧树脂复合材料的制备方法包括如下步骤：
26.(1)在室温，将脱浆氧化处理的碳纤维布浸渍在浓度为5wt％的聚酰胺溶剂中12h，然后将碳纤维布从溶剂中拉出，再在100℃烘箱中放置1h后获得经聚酰胺溶剂处理的碳纤维布；
27.(2)采用真空辅助成型工艺，将步骤(1)经聚酰胺溶剂浸渍处理后的碳纤维布置于成型装置中，进行抽真空操作，利用负压将二乙烯三胺固化剂与双酚a型环氧树脂按照质量比为1：10混合均匀后注入真空辅助成型装置，抽注50分钟后，在130℃真空干燥烘箱2h后，获得碳纤维增强环氧树脂复合材料。
28.实施例2
29.含聚酰胺涂层的环氧树脂复合材料的制备方法包括如下步骤：
30.(1)在室温，将脱浆氧化处理的碳纤维布浸渍在浓度为10wt％的聚酰胺溶剂中12h，然后将碳纤维布从溶剂中拉出，再在100℃烘箱中放置1h后获得经聚酰胺溶剂处理的碳纤维布；
31.(2)采用真空辅助成型工艺，将步骤(1)经聚酰胺溶剂浸渍处理后的碳纤维布置于成型装置中，进行抽真空操作，利用负压将二乙烯三胺固化剂与双酚a型环氧树脂按照质量比为1：10混合均匀后注入真空辅助成型装置，抽注50分钟后，在130℃真空干燥烘箱2h后，获得碳纤维增强环氧树脂复合材料。
32.实施例3
33.含聚酰胺涂层的环氧树脂复合材料的制备方法包括如下步骤：
34.(1)在室温，将脱浆氧化处理的碳纤维布浸渍在浓度为15wt％的聚酰胺溶剂中12h，然后将碳纤维布从溶剂中拉出，再在100℃烘箱中放置1h后获得经聚酰胺溶剂处理的碳纤维布；
35.(2)采用真空辅助成型工艺，将步骤(1)经聚酰胺溶剂浸渍处理后的碳纤维布置于成型装置中，进行抽真空操作，利用负压将二乙烯三胺固化剂与双酚a型环氧树脂按照质量比为1：10混合均匀后注入真空辅助成型装置，抽注50分钟后，在130℃真空干燥烘箱2h后，获得碳纤维增强环氧树脂复合材料。
36.实施例4
37.含聚酰胺涂层的环氧树脂复合材料的制备方法包括如下步骤：
38.(1)在室温，将脱浆氧化处理的碳纤维布浸渍在浓度为20wt％的聚酰胺溶剂中12h，然后将碳纤维布从溶剂中拉出，再在100℃烘箱中放置1h后获得经聚酰胺溶剂处理的碳纤维布；
39.(2)采用真空辅助成型工艺，将步骤(1)经聚酰胺溶剂浸渍处理后的碳纤维布置于成型装置中，进行抽真空操作，利用负压将二乙烯三胺固化剂与双酚a型环氧树脂按照质量
比为1：10混合均匀后注入真空辅助成型装置，抽注50分钟后，在130℃真空干燥烘箱2h后，获得碳纤维增强环氧树脂复合材料。
40.对比例1
41.碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备方法：
42.(1)在室温，将脱浆氧化处理的碳纤维布浸渍在去离子水中12h，然后将碳纤维布从去离子水中拉出，再在100℃烘箱中放置1h后获得预处理的碳纤维布；
43.(2)采用真空辅助成型工艺，将步骤(1)预处理后的碳纤维布置于成型装置中，进行抽真空操作，利用负压将二乙烯三胺固化剂与双酚a型环氧树脂按照质量比为1：10混合均匀后注入真空辅助成型装置，抽注50分钟后，在130℃真空干燥烘箱2h后，获得碳纤维增强环氧树脂复合材料。
44.对上述实施例1-4以及对比例1制备的复合材料进行力学性能测试，其中弯曲强度采用gb/t 1449-2005，层间剪切强度采用gb/t 3355-2005，结果见表1所示。
45.表1 实施例1-4以及对比例1制备的碳纤维增强环氧树脂复合材料力学性能数据
[0046] 弯曲强度/mpa层间剪切强度/mpa实施例1528.757.0实施例2546.258.9实施例3568.662.6实施例4540.161.5对比例1442.740.8
[0047]
由上述数据对比可知，本发明的聚酰胺涂层能很好地增强碳纤维与环氧树脂之间的界面结合力，增强了复合材料的层间韧性，并且大大提高了碳纤维环氧树脂复合材料的综合力学性能。
[0048]
以上实施例的说明仅为了使专业技术人员能够实现或使用本发明。在不脱离本发明原理的前提下，可对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围。