时空分离的阳离子光固化复合材料、其制备方法及应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于紫外光固化快速成型方法的技术领域，具体涉及到一种利用时空分离 的方法制备阳离子光固化复合材料及其应用。
【背景技术】
[0002] 复合材料是应现代科学技术发展涌现出的具有极大生命力的材料，它由两种或两 种以上性质不同的材料，通过各种工艺手段组合而成。复合材料的各个组成材料在性能上 起协同作用，得到单一材料无法比拟的优越的综合性能，它已成为当代一种新型的工程材 料。复合材料具有刚度大、强度高、重量轻的优点，而且可根据使用条件的要求进行设计和 制造，以满足各种特殊用途，从而极大的提高工程结构的效能。
[0003]树脂基复合材料以其轻质、高强度、力学性能可设计等优点而被广泛应用于航空 航天、化工、造船、机械、建材等领域的结构材料中，特别是碳纤维复合材料，由于碳纤维的 力学性能是目前所有纤维材料中最好的，远远高于玻璃纤维，与相关基材复合，可以大幅度 提高复合材料的综合机械性能，受到了广泛的关注。但是，现有的复合材料成型工艺存在着 生产周期长、生产效率低等缺陷，同时还存在严重的污染，因此工业上需要一种绿色环保， 而且能够快速成型树脂基复合材料的技术。
[0004] 光固化技术的特点主要是节能环保和固化速度快。但是利用光固化技术制备复合 材料也存在一定的局限性，特别是光固化技术需要在光照条件下固化成型，因此要求成型 模具透明，也限制了增强材料的种类和尺寸，因此现有的光固化技术只能成型很薄的（3mm 左右）玻璃纤维复合材料，几乎不能够成型碳纤维复合材料，这使光固化技术在复合材料 领域的应用受到了很大的限制。
[0005] 本发明突破了光固化技术的限制，光照过程与成型过程完全分开，因此在成型过 程中对模具和增强材料是否透光没有要求；同时因为光照过程与成型过程的时空分离，不 用担心光引发剂意外光解，降低了对生产环境和生产技术的要求，进一步降低复合材料的 生产成本。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种光固化复合材料，其制备方法及应用，此技术制备工艺 简单，固化速率快，生产效率高，可以替代传统的复合材料生产技术。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
[0008] -种时空分离的光固化纤维增强复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0009] (1)将低聚物和阳离子光引发剂按一定比例混合均勾，在紫外光照射下搅拌，使阳 离子光引发剂光解，得到均匀液体A;
[0010] (2)在一定温度条件下，将液体A与树脂按一定比例混合均匀，得到均匀液体B;
[0011] (3)在一定温度条件下，用液体B将纤维增强材料充分浸润，制成预浸布，将预浸 布铺层在成型模具。
[0012] (4)调控成型模具的温度，将成型模具置于成型设备进行固化成型。
[0013] 上述制备方法的步骤（1)、（2)、（3)、（4)中，优选干燥密闭环境，由此制备得到光 固化复合材料的生产效率更高。
[0014] 上述制备方法的步骤（1)中的树脂为聚醚多元醇类，聚二醇醚类，聚乙二醇，或聚 氧丙三醇。
[0015] 上述制备方法的步骤（1)中所述的阳离子光引发剂包括碘鑰盐，硫鑰盐和铁芳烃 中的一种或几种。
[0016] 上述制备方法的步骤（2)中的树脂包括环氧树脂，乙烯基醚和氧杂环化合物中的 一种或几种；环氧树脂为双酚A环氧树脂，或双酚F环氧树脂，或酚醛环氧树脂，或二环氧化 聚烯烃化合物，或萘系环氧树脂，或脂肪族环氧树脂，或脂环族环氧树脂。
[0017] 上述制备方法的步骤（2)中所述温度为-10°C-30°C。
[0018] 上述制备方法的步骤（1)中所述阳离子光引发剂的质量分数为< 80%。
[0019] 上述制备方法的步骤（2)中溶液（1)的质量分数为0· 1% -50%。
[0020] 上述制备方法的步骤（3)中所述温度条件为-10°c-50°c，。
[0021] 上述制备方法的步骤（4)中所述温度条件为彡15°C。
[0022] 上述制备方法的步骤（3)中所述的纤维增强布可以是碳纤维（布）、玻璃纤维 (布）、尼龙纤维（布）、聚丙烯纤维（布）等。
[0023] 本发明涉及的光聚合方法为阳离子光聚合，有后固化行为，可以通过对固化成型 的复合材料进行后固化处理以提高其性能。
[0024] 本发明的制备方法中，所述复合材料的形状，浸润并成型的工艺对本领域技术人 员而言是容易想到的。
[0025] 本发明还公开一种光固化复合材料，是利用上述制备方法制备而成。
[0026] 本发明涉及到的上述光固化复合材料的应用领域与利用传统方法制备的复合材 料的应用领域一致。
[0027] 本发明的工艺原理是：阳离子聚合是一种活性聚合方法，阳离子光引发剂光解后 生成的阳离子基团是一种活性基团，其活性在理论上一直稳定存在而且不衰减，在实际生 产中，阳离子基团的活性能保持一年以上；因此将阳离子光引发剂光解后，生成的阳离子基 团的活性可以保持很长时间；但是将阳离子光引发剂光解后加入阳离子光固化树脂，以实 现光照与固化成型的时空分离，将会存在以下三个问题：（1)、不利于长期储存；光引发剂 光解后很容易受潮，导致阳离子光引发剂的活性降低，甚至不能引发阳离子光固化树脂进 行反应。⑵、体系诱导期太短；阳离子光引发剂光解后活性基团的活性高，与树脂反应速 度快，瞬间生成一个凝胶团，光解后的引发剂被包裹在凝胶团中，不能与光固化树脂进行反 应；（3)、阳离子光引发剂在阳离子光固化树脂体系的溶解性不佳，混合均匀所需时间较长。
[0028] 本发明成功的解决了以上问题，实现了光照与固化成型的时空分离。
[0029] 本发明将阳离子光引发剂与聚醚多元醇类等不易挥发的低聚物混合，以搅拌光照 的形式使其光解（得到光引发剂体系PI);光解后生成的活性基团均匀的分散在液体中，聚 醚多元醇类等低聚物在体系中充当链转移剂，使生成的阳离子基团的活性一直稳定存在； 解决了不利于长期储存的问题。
[0030] 阳离子光引发剂与聚醚多元醇类等不易挥发的低聚物混合后，整体与阳离子光固 化树脂的溶解性会提高，更容易快速混合均匀，解决了其溶解性的问题。
[0031] 活性基团均匀分散到了聚醚多元醇类等低聚物中，降低了活性基团的浓度，从而 光引发剂体系PI在与光固化树脂混合过程中，有较长的诱导期，不会瞬间出现凝胶团，同 时可以通过控制体系温度来控制整个体系的反应速度和诱导期，在诱导期阶段完成光固化 树脂对纤维增强材料的浸润，并排除体系中可能存在的气泡；诱导期结束后，整个体系将会 快速反应，得到需要的复合材料。同时，聚醚多元醇类等低聚物中含有羟基，最终会与环氧 基团结合，因此整个过程中不会有溶剂挥发；诱导期结束后，其反应速度与光固化成型的速 度相似，最终制备得到的复合材料性能与传统固化方法固化得到的复合材料性能相似甚至 更加优异。
[0032] 利用该技术制备树脂基复合材料既保证了复合材料的性能，同时也具有光固化技 术快速，节能，环保等优点，缩短了树脂基复合材料的生产周期，提高了生产效率，工艺简 单，可替代传统的复合材料成型工艺。
【具体实施方式】
[0033] 下面通过优选实施例对本发明的技术方案做进一步说明，以下实施例有助于本领 域的技术人员进一步理解本发明，但不应将其理解为对本发明保护范围的限制。应当指出 的是，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改 进。这些都属于本发明的保护范围之内。
[0034] 实施例1:
[0035] 向分子量为200的聚乙二醇中加入质量分数为5%的三芳基六氟锑酸硫鑰盐并混 合均勾，取20g混合均勾的样品加入50ml的烧杯中，一边搅拌一边用萊灯以100mw/cm2的 光强照射20min，得到均匀液体（命名为PI)，将其倒入瓶中待用。将缩