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CN111320841B - 一种芳纶纤维/碳纳米管复合增强碳纤维树脂预浸料 - Google Patents

一种芳纶纤维/碳纳米管复合增强碳纤维树脂预浸料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种芳纶纤维/碳纳米管(CNT)复合增强碳纤维树脂预浸料，该产品主要成分为碳纤维、环氧树脂、芳纶纤维以及CNT，首先以丙酮作为有机溶剂，将芳纶纤维和CNT均匀分散在环氧树脂中，再利用预浸料机将添加了芳纶纤维和CNT的环氧树脂与碳纤维结合，通过辊压成型的工艺制备芳纶纤维/CNT复合增强碳纤维树脂预浸料。本申请相对于普通碳纤维预浸料来说，产品层压固化后所形成的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)制品的弯曲强度、模量及层间剪切强度等多项力学性能都得到了提高，因而能够增强CFRP的结构稳定性和抗冲击性能，该产品的发明对改善CFRP材料层间树脂脆性大、易发生分层断裂破坏的缺点有重要意义。

Description

一种芳纶纤维/碳纳米管复合增强碳纤维树脂预浸料
技术领域
本发明涉及碳纤维复合技术领域，具体的说，是一种芳纶纤维/碳纳米管(CNT)复合增强碳纤维树脂预浸料。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是以热固性或热塑性树脂为基体，碳纤维或碳纤维织物为增强体，经过合适的成型工艺所制备的层状复合材料。其兼并了碳纤维的高强度和树脂的低比重，从而表现出了优异的综合性能。相对于传统的金属材料而言，CFRP材料具有比强度高、比重低、耐疲劳性好、热膨胀系数小、耐腐蚀性能好、可设计性强、成型性好等优点，被广泛应用于航空航天领域，是现代大型民航客机重要的基体材料。例如在波音B787型客机上，CFRP结构质量比达50％以上；在空客A350型客机上，CFRP结构质量比达53％以上。可以说CFRP材料是目前世界上最先进的复合材料之一。
预浸料是由树脂基体在严格的控制条件下，通过浸渍碳纤维增强体制成的树脂基体与增强体组合物，可直接用以制造加工成各种复合材料构件，是制造生产CFRP材料的半成品，构成了CFRP材料的基本单元。
由于CFRP材料是由多层预浸料组合制备而成，其内部结构层间存在着脆性较大的纯环氧树脂连接层，致使CFRP结构表现出层间结合强度较低、易发生分层破坏等缺点，严重影响了整体结构的稳定性和安全性。因此提高CFRP材料的性能关键在于材料结构内部树脂层增韧，提高其抗冲击、抗分层能力。
常见的CFRP层间增强方法包括短纤维增韧以及纳米粒子增韧。短纤维增是指将高强度、高韧性的短纤维均匀分布于CFRP层间树脂层中，当结构受力时，通过短纤维的桥连作用阻碍裂纹的产生与扩展，进而起到增强的作用，该技术关键问题在于难以实现短纤维在层间的均匀分布，容易因短纤维分布不均而产生缺陷和空隙，进而影响CFRP结构性能。纳米粒子增韧是指通过加入刚性的纳米粒子提高环氧树脂的断裂韧性、抗冲击性以及拉伸断裂强度等物理性能，该技术的关键问题在于难以实现纳米粒子在树脂中均匀分散，容易因纳米粒子团聚而对结构性能造成不利影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种芳纶纤维/CNT复合增强碳纤维树脂预浸料及其制备方法。该产品主要成分为碳纤维、环氧树脂、芳纶纤维、CNT，首先以丙酮作为有机溶剂，将芳纶纤维和CNT均匀分散在环氧树脂中，再利用预浸料机将添加了芳纶纤维和CNT的环氧树脂与碳纤维结合，通过辊压成型的工艺制备芳纶纤维/CNT复合增强碳纤维树脂预浸料。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种芳纶纤维/CNT复合增强碳纤维树脂预浸料，其原料组份的质量比为：
环氧树脂：100份；
碳纳米管：0.25～2份
芳纶纤维：0.25～2份；
碳纤维：67～400份。
碳纤维为单向碳纤维丝或碳纤维编织布；
芳纶纤维为短切纤维或浆粕，芳纶短切纤维长度为1～12mm，芳纶浆粕纤维长度为＜1mm。
CNT为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，单壁碳纳米管直径＜2nm，管长＞5μm；多壁碳纳米管直径＞7nm，管长＞5μm。
一种芳纶纤维/CNT复合增强碳纤维树脂预浸料的制备方法，其具体工艺为：
其生产设备主要为为普通预浸料机，经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷曲等工艺加工而成，无需对加工设备进行额外改造。
一种芳纶纤维/CNT复合增强碳纤维树脂预浸料的制备方法，其具体步骤为：
(1)将芳纶纤维、CNT置于鼓风干燥箱中充分烘干，去除内部吸附的水分；
所述的具体烘干温度为90℃，时间为24h；
(2)将10wt％的环氧树脂A组份与等量的丙酮混合，持续搅拌同时分多次逐渐加入CNT，直至环氧树脂A组份完全溶解，CNT分散均匀；
所述的环氧树脂分为两部分：A组份为树脂部分，B组份为固化剂部分，此处仅使用A组份；
所用的丙酮按质量比1：1的比例加入到环氧树脂A组份中；
(3)将环氧树脂A组份、丙酮、CNT三者混合溶液加入芳纶纤维中，充分搅拌均匀，使得环氧树脂充分润湿芳纶纤维；
因丙酮具有良好的渗透性，溶解环氧树脂A组份后能够带着树脂和CNT渗透进芳纶纤维交错的孔隙结构中，使得环氧树脂充分润湿并包裹芳纶纤维和CNT，同时抑制CNT发生团聚。
(4)将混合物置于鼓风干燥箱中，在90℃条件下热处理，直至丙酮完全挥发；
所述热处理具体方法为：每隔30min取出手动搅拌一次，称量并记录混合物重量，直至重量不再下降，此时丙酮完全挥发。
(5)将剩余90wt％的环氧树脂A组份分多次加入上述混合物中，同时持续搅拌12h以上，直至芳纶纤维和CNT完全分散在环氧树脂A组份中；
所述搅拌处理的时候，可通过加热降低树脂的粘度。
(6)按照比例添加环氧树脂B组份(固化剂)，并利用三辊研磨机混合均化。
(7)在涂胶机上通过涂膜、热压、冷却制成芳纶纤维/CNT复合环氧树脂膜。
(8)利用预浸料机，将预制的芳纶纤维/CNT复合环氧树脂膜结合碳纤维，经过覆膜、卷曲工艺制备得到芳纶纤维/CNT复合增强碳纤维树脂预浸料。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本申请产品制备方法简单，无需对现有的预浸料机等生产设备进行大幅度改造，且增强剂添加量少，改进成本低廉。
本申请将高强度高韧性的芳纶纤维以及刚性纳米粒子CNT作为增强剂引入碳纤维树脂预浸料，使其分布在CFRP材料的层间，如图1所示。不仅能通过芳纶纤维的桥连作用提高CFRP材料层间结合强度，抑制裂纹在层间的生成与扩展，同时通过纳米粒子CNT的增韧作用，提高层间树脂的韧性和强度，从而总体提升CFRP材料的强度、模量和韧性等力学性能，提高材料的结构稳定性，有效改善CFRP材料层间树脂脆性大、结构易发生分层断裂的问题。
附图说明
图1为芳纶纤维/CNT复合增强CFRP材料剖面光学显微照片，a碳纤维层，b芳纶纤维/CNT复合增强层间环氧树脂层；
图2为普通碳纤维树脂预浸料样品与芳纶纤维/CNT复合增强碳纤维树脂预浸料对比照片；a为普通样品照片，b为芳纶纤维/CNT复合增强碳纤维预浸料样品照片；
图3为未添加芳纶纤维的CFRP试样与芳纶纤维/CNT复合增强的CFRP试样部分力学性能对比。
具体实施方式
以下提供本发明一种芳纶纤维/CNT复合增强碳纤维树脂预浸料及其制备方法的具体实施方式。
实施例1
芳纶纤维/CNT复合增强单向碳纤维树脂预浸料的制备。
原料：所用碳纤维为中国中复神鹰有限公司生产的12K T300工业级单向碳纤维丝，碳纤维铺展宽度为1m，纤维分布面密度为150g/m2；所用环氧树脂为精功(绍兴)复合材料有限公司生产的MT3型环氧树脂，固化温度为130℃，设计树脂分布面密度约为80g/m2；所用的芳纶纤维为美国杜邦公司(Dupont)生产的凯夫拉(Kevlar-29)芳纶浆粕，纤维长度≤1mm，纤维直径为≤1μm；所用的CNT为中国深圳市纳米港有限公司生产的工业级多壁碳纳米管，型号：NTP3003，外径为7-15nm，平均长度为5-15μm，纯度＞95％，比表面积约为200-250m2/g。设计预浸料各组分质量比为：芳纶纤维：0.9份；CNT：0.1份；环氧树脂：100份；碳纤维：200份。
制备方法：取10wt％的环氧树脂A组份，混合等量的丙酮，搅拌的同时分多次加入CNT，直至树脂完全溶解，CNT在溶液中分散均匀，然后将溶液加入干燥的芳纶浆粕中并混合均匀。将混合物置于鼓风干燥箱中，在60℃下热处理并间歇性搅拌，至混合物质量不再下降，此时丙酮完全挥发。将剩余的环氧树脂A组份分多次加入混合物中，并不断搅拌并加热12h，直至芳纶纤维和CNT在环氧树脂中分散均匀。然后按比例混入环氧树脂B组份(固化剂)，并研磨均化。
最后利用预浸料机，通过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷曲等工艺制备得到芳纶纤维增强碳纤维树脂预浸料。
所制备的芳纶纤维增强碳纤维预浸料样品照片如图2所示。普通的碳纤维预浸料样品表面光亮，在芳纶纤维/CNT复合增强碳纤维预浸料表面由于黑色的CNT掩盖了芳纶纤维的颜色，只能隐约观察到少量芳纶纤维的轮廓，但预浸料表面颜色均匀，没有大块团聚物产生，这说明芳纶纤维和CNT在预浸料表面分布均匀。
将以上两种预浸料，在相同条件下热压成型制备CFRP层合板试样(成型方法：模压成型；成型压力：1MPa；固化升温制度：85℃-30min，130℃-2h)，并进行不同项目的力学性能，测试结果如图3所示。测试结果表明，结合了芳纶纤维和CNT的增强作用,CFRP材料的多项力学性能得到了显著提高，其中0°纤维方向弯曲强度提升率达7.80％；0°纤维方向弯曲模量提升率达6.96％；90°纤维方向弯曲强度提升率达10.11％；层间剪切强度提升率最大,达16.75％。这说明，得益于芳纶纤维的层间桥连以及CNT的纳米粒子增韧的共同作用，大大增强CFRP材料层间树脂的强度和韧性，阻碍裂纹的产生于扩展，提升CFRP的层间结合力，使得CFRP材料的结构稳定性和安全性大大增强。
本申请相对于普通碳纤维预浸料来说，产品层压固化后所形成的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)制品的弯曲强度、模量及层间剪切强度等多项力学性能都得到了提高，因而能够增强CFRP的结构稳定性和抗冲击性能，该产品的发明对改善CFRP材料层间树脂脆性大、易发生分层断裂破坏的缺点有重要意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种芳纶纤维/碳纳米管复合增强碳纤维树脂预浸料，其特征在于，其原料组份的质量比为：
环氧树脂：100份；
碳纳米管：0.25~2份
芳纶纤维：0.25~2份；
碳纤维：67~400份
所述的一种芳纶纤维/CNT复合增强碳纤维树脂预浸料的制备方法，其具体步骤为：
（1）将芳纶纤维和CNT置于鼓风干燥箱中充分烘干，去除内部吸附的水分；
（2）将10 wt%的环氧树脂A组份与等量的丙酮混合，持续搅拌同时分多次逐渐加入CNT，直至环氧树脂A组份完全溶解，CNT分散均匀；
所述的环氧树脂分为两部分：A组份为树脂部分，B组份为固化剂部分，此处仅使用A组份；
（3）将环氧树脂A组份、丙酮、CNT三者混合溶液加入芳纶纤维中，充分搅拌均匀，使得溶液充分润湿并包裹芳纶纤维；
（4）将混合物置于鼓风干燥箱中，在90 ℃条件下热处理，直至丙酮完全挥发；
（5）将剩余90 wt%的环氧树脂A组份分多次加入上述混合物中，同时持续搅拌12h以上，直至芳纶纤维和CNT均匀分散在环氧树脂A组份中；
（6）按照比例添加环氧树脂B组份，并利用三辊研磨机混合均化；
（7）在涂胶机上通过涂膜、热压、冷却制成芳纶纤维/CNT复合环氧树脂膜；
（8）利用预浸料机，将预制的芳纶纤维/CNT复合环氧树脂膜结合碳纤维，经过覆膜、卷曲工艺制备得到芳纶纤维/CNT复合增强碳纤维树脂预浸料。
2.如权利要求1所述的一种芳纶纤维/CNT复合增强碳纤维树脂预浸料，其特征在于，碳纤维为单向碳纤维丝或碳纤维编织布。
3.如权利要求1所述的一种芳纶纤维/CNT复合增强碳纤维树脂预浸料，其特征在于，芳纶纤维为短切纤维或浆粕，芳纶短切纤维长度为1~12 mm，芳纶浆粕纤维长度为＜1 mm。
4.如权利要求1所述的一种芳纶纤维/CNT复合增强碳纤维树脂预浸料，其特征在于，CNT为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，单壁碳纳米管直径＜2 nm，管长＞5μm；多壁碳纳米管直径＞7 nm，管长＞5μm。
5.如权利要求1所述的一种芳纶纤维/CNT复合增强碳纤维树脂预浸料，其特征在于，所述的原料具体烘干温度为90 ℃，时间为24h。
6.如权利要求1所述的一种芳纶纤维/CNT复合增强碳纤维树脂预浸料，其特征在于，所用的丙酮按质量比1：1的比例加入到环氧树脂A组份中。
7.如权利要求1所述的一种芳纶纤维/CNT复合增强碳纤维树脂预浸料，其特征在于，所述热处理具体方法为：每隔30 min取出手动搅拌一次，称量并记录混合物重量，直至重量不再下降，此时丙酮完全挥发。
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