专利名称：稀土改性芳纶纤维/环氧复合材料制备方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料制备方法，尤其涉及一种稀土改性芳纶纤维/环氧复合材料制备方法，具体来说是采用经过稀土改性剂表面改性处理的芳纶纤维填充环氧树脂制成复合材料，可以提高芳纶/环氧复合材料的界面的结合力，进而提高复合材料的实际工程应用价值。
背景技术：
芳纶纤维是一种高性能的有机纤维，具有超高强、超高模量、耐高温和比重轻等特性。其强度比一般有机纤维高3倍以上，模量是尼龙的10倍，涤纶的9倍；其相对强度相当于钢丝的6～7倍，模量约为钢丝和玻璃纤维2～3倍，而比重只有钢丝的1/5左右。芳纶纤维具有良好的抗冲击和耐疲劳性能、良好的介电性、化学稳定性、低膨胀、低导热、不燃、不熔等特点，可用普通织机编织成织物，编织后其强度不低于原纤维强度的90％。因此，芳纶纤维可以用作高性能复合材料的增强材料。
芳纶纤维增强复合材料广泛应用于航空、航天、造船、汽车和建筑等领域，尤其是在航空航天领域，芳纶纤维作为复合材料的增强材料，具有明显的优势。美国的MX陆基机动洲际导弹的三级发动机和新型潜地“三叉戟II”D5导弹的第三级发动机都采用了Kevlar纤维增强的环氧树脂缠绕壳体。前苏联的SS-24、SS-25机动洲际导弹各级固体发动机壳体都大量采用了芳纶/环氧复合材料。芳纶/环氧复合材料还大量地用作制造飞机的材料，如发动机仓、中央发动机整流罩、机翼与机身整流罩、挂架整流罩、方向舵和升降舵后缘、应急出口的门和窗等。
芳纶纤维表面活性低，结晶性高，表面光滑，与环氧树脂的浸润性不好，这将导致纤维和树脂基体之间的界面结合力差，从而影响复合材料的性能的发挥。因此，必须对纤维进行表面改性处理。芳纶纤维表面处理方法的选择必须考虑复合材料的树脂基体，根据不同的树脂基体选择相应的表面处理方法。芳纶纤维表面改性处理的方法主要有三种(1)通过使用偶联剂等化学方法，在纤维表面和树脂基体之间形成化学键结合。
(2)通过刻蚀、接枝、氧化等方法使纤维表面变得粗糙，从而增大同树脂基体接触的表面积，增加纤维和树脂的机械结合力。
(3)通过等离子体处理增加纤维表面的活性基团，提高纤维表面的化学活性，从而增强纤维和树脂的界面结合力。
目前，芳纶纤维表面处理工艺研究和工程应用研究已取得了初步的成绩，但是还存在一些问题，例如等离子体表面处理是一种可连续进行的方法，但处理速度较慢(仅为0.7m/min)，不能与浸胶速度(6～10m/s)相匹配；通过刻蚀、氧化等方法使纤维表面变得粗糙，虽然提高了纤维和环氧树脂的机械结合力，但是会对纤维造成损伤，影响纤维本身的强度；偶联剂处理方法工艺简单，可以进行大批量处理，但是偶联剂处理的界面层在较高的工作温度下会分解，而且界面的抗冲击、辐照能力较差，导致复合材料性能下降，并且偶联剂处理后纤维容易粘结在一起，工业性不好；大部分表面处理方法的处理效果不够理想，纤维在复合材料中的强度转化率低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种稀土改性芳纶纤维/环氧复合材料制备方法，具有工艺简单，低成本、高效率的特点，能很好的改善芳纶纤维和环氧树脂基体的界面结合力，从而提高芳纶/环氧复合材料的力学性能。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中，首先对芳纶纤维表面进行清洗预处理，除去表面保护涂层和有机物，然后采用稀土改性剂，在室温下对芳纶纤维进行浸泡改性处理，烘干以后，与环氧树脂基体复合制成复合材料。由于稀土元素特殊的4f层结构以及电负性较小，稀土元素本身具有突出的化学活性，采用稀土改性剂处理，可以增加芳纶纤维表面活性基团的浓度，改善纤维和树脂基体的浸润性，从而提高芳纶/环氧复合材料的界面结合力。
本发明的芳纶/环氧复合材料制备方法具体如下首先，对芳纶纤维进行预处理，分别采用丙酮、甲苯、去离子水三种试剂依次进行回流清洗，每种试剂处理时间为3小时，然后在烘箱中110℃条件下烘干。
将经过预处理后的纤维浸入稀土改性剂中，浸泡处理2～4小时，在烘箱中90～110℃条件下烘干3～5小时。
本发明采用的稀土改性剂的组分重量百分比为稀土化合物0.1～2％乙醇96～99.7％乙二胺四乙酸(EDTA)0.05～0.5％氯化铵0.1～1％硝酸0.02～0.5％尿素0.03～1％本发明的稀土化合物可以为氯化镧、氯化铈、氧化镧或氧化铈。
在环氧树脂中加入固化剂配制成环氧胶液，环氧树脂与固化剂的重量百分比为100∶7～25，根据环氧树脂和固化剂的种类而定。取经过改性处理的芳纶纤维浸入环氧胶液，环氧胶液与芳纶纤维的体积百分比为1∶1.5～4。浸胶后，采用平板式芯模在环向数控缠绕机上进行平行缠绕，用红外灯烤去树脂中的溶剂后，切割成单向纤维预浸布，再将预浸布按照单向铺层方式叠合，放入平板模具中热压成型，根据环氧树脂和固化剂的种类的不同，热压的条件为50～100℃，压力为50～80MPa。
经过上述工艺可以制得芳纶纤维/环氧层合复合材料。
本发明适用于各种芳纶纤维增强环氧复合材料，其中芳纶纤维包括美国杜邦公司的Kevlar系列纤维、荷兰的AKZO公司的Twaron系列纤维、俄罗斯的Terlon纤维、APMOC系列纤维、国产的芳纶1414、F-12芳纶纤维等。环氧树脂包括各种牌号的双酚A型环氧树脂、酚醛型环氧树脂等，如E-51、E-44、F-51、F-44、F-46等。固化剂包括各种牌号的芳香胺类或者咪唑类固化剂。
本发明具有显著的效果。采用经过稀土改性处理的芳纶纤维填充环氧复合材料，能够更好的提高芳纶纤维和环氧树脂的界面结合力，从而能够大幅度提高芳纶/环氧复合材料的力学性能，提高芳纶/环氧复合材料的工程应用价值。同时，本发明复合材料制备方法成本低、处理效率高、无污染、工艺简单、适合大规模工业生产。
具体实施例方式以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1所用的原料包括芳纶纤维为F-12芳纶纤维；环氧树脂为上海树脂厂生产牌号为E-51的环氧树脂(618树脂)；固化剂采用593(改性芳香胺类)常温固化剂；稀土改性剂各组分的重量百分比为氯化镧0.2％，乙醇98.62％，乙二胺四乙酸(EDTA)0.05％，氯化铵0.1％，硝酸0.03％，尿素1％。
首先，对芳纶纤维进行预处理，分别采用丙酮、甲苯、去离子水三种试剂依次进行回流清洗，每种试剂处理时间为3小时，然后在烘箱中110℃条件下烘干。
将经过预处理后的纤维浸入稀土改性剂中，浸泡处理2小时，在烘箱中90℃条件下烘干5小时。
环氧树脂和固化剂按照100∶25的重量比配制胶液，取经过改性处理的芳纶纤维浸入环氧胶液，环氧胶液与芳纶纤维的体积百分比为1∶1.6。纤维浸胶后，采用平板式芯模在环向数控缠绕机上进行平行缠绕，用红外灯烤去树脂中的溶剂后，切割成单向纤维预浸布，再将16层预浸布按照单向铺层方式叠合，放入平板模具中热压成型，热压条件为50℃，50MPa。
按照GB3354-82标准测试复合材料拉伸强度为1980MPa。
实施例2所用的原料包括杜邦公司生产Kevlar纤维；环氧树脂为上海树脂厂生产牌号为E-51的环氧树脂(618树脂)；固化剂为天津市化学试剂厂生产的2-乙基-4甲基咪唑。
稀土改性剂各组分的重量百分比为氯化铈1％；乙醇97.27％；乙二胺四乙酸(EDTA)0.5％；氯化铵1％；硝酸0.2％；尿素0.03％。
纤维的表面预处理同实施例1。
将经过预处理后的纤维浸入稀土改性剂中，浸泡处理3小时，在烘箱中100℃条件下烘干4小时。
环氧树脂和固化剂按照100∶7的重量比配制胶液，取经过改性处理的芳纶纤维浸入环氧胶液，环氧胶液与芳纶纤维的体积百分比为1∶3.8。纤维浸胶后，采用平板式芯模在环向数控缠绕机上进行平行缠绕，用红外灯烤去树脂中的溶剂后，切割成单向纤维预浸布，再将16层预浸布按照单向铺层方式叠合，放入平板模具中热压成型，热压条件如下在室温下匀速升温至50℃，保温0.5小时，此时不加压力。充分浸润后，升温至75℃，保温5分钟后，加压80MPa，继续升温至100℃，保温3小时，然后冷却至室温。
按照GB3356-82标准测试复合材料弯曲强度为820MPa。
实施例3采用的原料同实施例2，只改变稀土改性剂配比和纤维处理工艺。
稀土改性剂各组分的重量百分比为氧化镧2％；乙醇96.49％；乙二胺四乙酸(EDTA)0.25％；氯化铵0.06％；硝酸0.5％；尿素0.7％。
将经过预处理后的纤维浸入稀土改性剂中，浸泡处理4小时，在烘箱中110℃条件下烘干3小时。
将上述处理的纤维按照实施例2的复合材料成型工艺制成单向芳纶纤维增强环氧复合材料。
按照GB3352-82标准测试复合材料剪切强度为73.6MPa。
权利要求
1.一种稀土改性芳纶纤维/环氧复合材料制备方法，其特征在于首先对芳纶纤维进行预处理以去除表面保护涂层和有机物，分别采用丙酮、甲苯、去离子水三种试剂依次进行回流清洗，每种试剂处理时间为3小时，然后在烘箱中110℃条件下烘干，将经过预处理后的纤维浸入稀土改性剂中，浸泡处理2～4小时，在烘箱中90～110℃条件下烘干3～5小时，在环氧树脂中加入固化剂配制成环氧胶液，环氧树脂与固化剂的重量百分比为100∶7～25，取经过改性处理的芳纶纤维浸入环氧胶液，环氧胶液与芳纶纤维的体积百分比为1∶1.5～4，浸胶后，采用平板式芯模在环向数控缠绕机上进行平行缠绕，用红外灯烤去树脂中的溶剂后，切割成单向纤维预浸布，再将预浸布按照单向铺层方式叠合，放入平板模具中热压成型，热压的条件为50～100℃，压力为50～80Mpa，其中，所述稀土改性剂的组分重量百分比为稀土化合物0.1～2％，乙醇96～99.7％，乙二胺四乙酸0.05～0.5％，氯化铵0.1～1％，硝酸0.02～0.5％，尿素0.03～1％。
2.如权利要求1的稀土改性芳纶纤维/环氧复合材料制备方法，其特征在于所述的稀土化合物为氯化镧、氯化铈、氧化镧或氧化铈。
全文摘要
一种稀土改性芳纶纤维/环氧复合材料制备方法，首先对芳纶纤维进行预处理，去除表面保护涂层和有机物，再在室温下采用稀土改性剂对芳纶纤维进行表面改性处理，再根据环氧树脂和固化剂的种类按照规定的比例配制胶液，纤维浸胶后，采用平板式芯模在环向数控缠绕机上进行平行缠绕，用红外灯烤去树脂中的溶剂后，切割成单向纤维预浸布，再将预浸布按照一定的铺层方式叠合，放入平板模具中热压成型。其中，稀土改性剂的组分包括稀土化合物、乙醇、乙二胺四乙酸、氯化铵、硝酸和尿素。本发明工艺方法简单，成本低，对环境无污染，采用本发明的工艺方法制成的复合材料具有优良的力学性能。
文档编号C08J5/06GK1513910SQ0314166
公开日2004年7月21日 申请日期2003年7月17日 优先权日2003年7月17日
发明者程先华, 吴炬 申请人:上海交通大学