一种提高环氧树脂基碳纤维复合材料界面韧性的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及环氧树脂基碳纤维复合材料改性技术领域，特别涉及一种提高环氧树脂基碳纤维复合材料界面韧性的方法。
【背景技术】
[0002]环氧树脂基碳纤维复合材料以其高比强度，高比模量，耐高温，耐腐蚀等众多优异性能而广泛应用于航天、汽车、电子、体育用品以及医疗器械上。环氧树脂/碳纤维复合材料的性能由纤维本体，树脂基体以及二者之间的结合强度决定。然而，由于环氧树脂与碳纤维的热膨胀系数有较大差距，这使得固化后的环氧树脂/碳纤维复合材料存在较大的界面热残余应力。除此之外，复合材料界面还存在着树脂基体固化的收缩残余应力。上述残余应力会使复合材料的界面韧性降低。当复合材料由于局部性能不佳而产生裂纹时，界面应力的存在会使得微裂纹迅速扩散，当材料强度不足以抵抗界面应力时，材料就会发生破坏。
[0003]目前减小界面应力、改善复合材料界面韧性的方法主要是通过引入膨胀性单体来实现。膨胀性单体聚合所得产物的体积与单体相比明显增大，因此能够在一定程度上抵消环氧树脂固化过程中的体积收缩，减小界面应力，改善复合材料的冲击韧性，从而改善复合材料的界面韧性。
[0004]在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题:现有的提高环氧树脂基碳纤维复合材料界面韧性的方法会导致复合材料的剪切强度降低。
【发明内容】
[0005]为了解决上述的技术问题，本发明提供一种不会导致剪切强度降低的提高环氧树脂基碳纤维复合材料界面韧性的方法。
[0006]具体而言，包括以下的技术方案:
[0007]本发明提供一种提高环氧树脂基碳纤维复合材料界面韧性的方法，所述方法包括以下步骤:
[0008]步骤I，将端羟基丁腈橡胶溶解于有机溶剂中，得到端羟基丁腈橡胶溶液；
[0009]步骤2，将碳纤维织物布与所述端羟基丁腈橡胶溶液接触，干燥后得到端羟基丁腈橡胶改性的碳纤维编织布；
[0010]步骤3，用环氧树脂和固化剂的混合溶液对所述端羟基丁腈橡胶改性的碳纤维编织布进行浸润，固化后即得环氧树脂基碳纤维复合材料。
[0011]优选地，步骤I中，所述端羟基丁腈橡胶的2000?5000。
[0012]优选地，步骤I中，所述端羟基丁腈橡胶与所述有机溶剂的质量比例为5?15:100ο
[0013]优选地，步骤I中，所述有机溶剂选自丁酮、环己烷以及二甲苯中的至少一种。
[0014]优选地，步骤2中，所述碳纤维织物布与所述端羟基丁腈橡胶溶液接触的方式为:将所述端羟基丁腈橡胶溶液置于溶液槽中，再将所述碳纤维编织布以0.05?0.2m/s的速度通过所述溶液槽。
[0015]优选地，步骤3中，所述环氧树脂和固化剂的混合溶液的制备方法为:将环氧树脂和固化剂按照质量比100:20?30的比例混合均匀，再加入丙酮将环氧树脂和固化剂的混合物稀释至粘度为400?650mPa.S。
[0016]优选地，所述环氧树脂为粘度为2500?4000mPa.S的双酚F型环氧树脂。
[0017]优选地，所述固化剂为二乙烯三胺，三乙烯四胺以及间苯二甲胺中的至少一种。
[0018]优选地，步骤3中，采用真空袋压法用环氧树脂和固化剂的混合溶液对所述端羟基丁腈橡胶改性的碳纤维编织布进行浸润。
[0019]优选地，步骤3中，固化分三个阶段进行，依次为:80°C加热I小时、120°C加热2小时以及150°C加热2小时。
[0020]本发明实施例提供的技术方案的有益效果:
[0021]本发明实施例提供的提高环氧树脂基碳纤维复合材料界面韧性的方法通过在碳纤维和环氧树脂界面处添加端羟基丁腈橡胶，在不损失剪切强度的前提下，使环氧树脂基碳纤维复合材料界面韧性提高38%?50%。端羟基丁腈橡胶具有较好的韧性，当界面受到外部载荷而产生微裂纹时，端羟基丁腈橡胶可以阻碍裂纹的扩展；当界面破坏时，端羟基丁腈橡胶也可以吸收能量，使得环氧树脂基碳纤维复合材料界面的韧性得以提高。同时，端羟基丁腈橡胶分子中的羟基能够和环氧树脂及碳纤维表面的基团发生反应，端羟基丁腈橡胶分子本身也能够交联，形成交联体系从而使环氧树脂与碳纤维结合更加牢固，不影响环氧树脂基碳纤维复合材料的剪切强度。
【具体实施方式】
[0022]为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0023]本发明提供一种提高环氧树脂基碳纤维复合材料界面韧性的方法，所述方法包括以下步骤:
[0024]步骤I，将端羟基丁腈橡胶溶解于有机溶剂中，得到端羟基丁腈橡胶溶液；
[0025]步骤2，将碳纤维织物布与所述端羟基丁腈橡胶溶液接触，干燥后得到端羟基丁腈橡胶改性的碳纤维编织布；
[0026]步骤3，用环氧树脂和固化剂的混合溶液对所述端羟基丁腈橡胶改性的碳纤维编织布进行浸润，固化后即得环氧树脂基碳纤维复合材料。
[0027]端羟基丁腈橡胶是分子链两端带有羟基的丁腈橡胶。端羟基丁腈橡胶具有较好的韧性，将其添加到环氧树脂和碳纤维界面处后，当界面受到外部载荷而产生微裂纹时，端羟基丁腈橡胶可以阻碍裂纹的扩展；当界面破坏时，端羟基丁腈橡胶也可以吸收能量，使得环氧树脂基碳纤维复合材料界面的韧性得以提高。同时，端羟基丁腈橡胶分子中的羟基能够和环氧树脂及碳纤维表面的基团发生反应，端羟基丁腈橡胶分子本身也能够交联，形成交联体系从而使环氧树脂与碳纤维结合更加牢固，不影响环氧树脂基碳纤维复合材料的剪切强度。因此，本发明实施例提供的通过在碳纤维和环氧树脂界面处添加端羟基丁腈橡胶的方法，能够在不损失剪切强度的前提下，使环氧树脂基碳纤维复合材料界面韧性提高38%?50%。
[0028]在上述的方法中，所述端羟基丁腈橡胶的数均分子量优选为2000?5000，例如可以为 2500、3000、3500、4000、4500 等。
[0029]在上述的方法中，步骤I中，所述端羟基丁腈橡胶与所述有机溶剂的质量比例优选为5?15:100，例如可以为6:100、8:100、10:100、12:100等。如果所述端羟基丁腈橡胶与有机溶剂的质量比例过小，即端羟基丁腈橡胶溶液浓度过低，则会使最终得到的环氧树脂基碳纤维复合材料中端羟基丁腈橡胶的含量较少，影响环氧树脂基碳纤维复合材料的性能；如果所述端羟基丁腈橡胶与有机溶剂的质量比例过大，会使端羟基丁腈橡胶溶液粘度过大，导致所得环氧树脂基碳纤维复合材料中端羟基丁腈橡胶分布不均匀，也会影响环氧树脂基碳纤维复合材料的性能。
[0030]在上述的方法中，步骤I中，用于溶解端羟基丁腈橡胶的有机溶剂没有严格地限定，能够使端羟基丁腈橡胶溶解即可，例如可以是丁酮、环己烷或者二甲，可以单独使用一种有机溶剂，也可以多种有机溶剂混合使用。为了使端羟基丁腈橡胶更好地溶解于有机溶剂中，可以在60?80 °C下搅拌溶解。
[0031]在上述的方法中，步骤2中，使所述碳纤维织物布与所述端羟基丁腈橡胶溶液接触的方式没有严格限定，只要能够使端羟基丁腈橡胶均匀分布在碳纤维编织布上即可。例如可以采用浸泡的方法，也可以采用将端羟基丁腈橡胶溶液置于溶液槽中，再将所述碳纤维编织布以0.05?0.2m/s的速度通过所述溶液槽的方法。
[0032]在上述的方法中，步骤3中，环氧树脂和固化剂的混合溶液的制备方法也没有特殊限定，本领域常规技术手段均可。例如:将环氧树脂和固化剂按照质量比100:20?30的比例混合均勾，再加入丙酮将环氧树脂和固化剂的混合物稀释至粘度为400?650mPa.S。其中，环氧树脂和固化剂的混合溶液的粘度可以为450mPa.S、500mPa.S或者650mPa.S等。所加入的丙酮占稀释后的环氧树脂和固化剂的混合溶液的比例优选为15?30wt%。
[0033]在上述的方法中，所用环氧树脂可以是双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂或双酚S型环氧树脂，但是优选双酚F型环氧树脂。环氧树脂的粘度优选2500?4000mPa.S，例如，可以为 3000mPa.S、3500mPa.S 等。
[0034]在上述的方法中，所述固化剂可以是本领域常用的任意的环氧树脂固化剂，例如二乙烯三胺，三乙烯四胺以及间苯二甲胺等。可以单独使用一种固化剂，也可以多种固化剂复配使用。
[0035]在上述的方法中，步骤3中，用环氧树脂和固化剂的混合溶液对所述端羟基丁腈橡胶改性的碳纤维编织布进行浸润的方法没有特殊要求，本领域常用技术手段均可，例如可以采用真空袋压法。
[0036]在上述的方法中，步骤3中，环氧树脂的固化工艺也没有特殊要求，本领域常用技术手段均可。例如，可