一种碳纤维增强环氧树脂复合材料及其制备方法
【技术领域】：
[0001] 本发明设及一种碳纤维增强环氧树脂复合材料，特别是设及一种用于自行车配件 的碳纤维增强环氧树脂复合材料及其制备方法。
【背景技术】：
[0002] 碳纤维复合材料是正在鹏起的一类十分引入注目的新型材料，它可W兼顾碳纤维 和基体的性能而成为综合性能更为优异的工程结构材料和具有特殊性能的功能材料，主要 分为碳纤维树脂基复合材料和金属基复合材料。金属基体具有高强度、耐热性、导电导热性 及抗吸潮老化等性能，但其制造工艺和内部结构较复杂，现阶段研究主要是优化设计其制 造工艺，改善碳纤维与基体的相容性，充分发挥运种复合材料的性能优势，进而开拓其应用 市场。树脂基复合材料发展先于金属基复合材料，始于60年代初期，是在玻璃纤维增强塑料 (玻璃钢)的基础上发展起来的。由于其比重小、力学性能和化学性能较好，自80年代起得到 了广泛的推广应用，大量用作飞机轻质材料，而且随成本的降低，在机械、化工、汽车、自行 车等结构零件及体育娱乐等器件中也获得了广泛的应用。
[0003] 环氧树脂是优良的热固性树脂，它与目前大量应用的不饱和聚醋树脂相比，具有 更优良的物理性能、电绝缘性能、耐化学腐蚀性能、耐热和粘合性能，是目前最普遍、最重要 的一种基体材料和结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标， 在现有结构材料中是最高的。在刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高溫、化 学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。据粗略调查显示，我国目前用于环氧基纤 维增强复合材料所需环氧树脂总量在15万吨左右，且每年W20%的速度增长。
[0004] 例如，公开号为CN101805493B、公开日为2012.03.07、申请人为中山大学、东竞泰 合复合材料有限公司的中国专利公开了 "一种耐高溫碳纤维/环氧树脂复合材料及制备方 法和用途"，包括预浸料的制备和复合材料的固化成型，该方法通过引入一类潜伏性促进剂 脂肪胺氨氣酸盐，降低了复合材料在模具中的成型时间，有效地提高生产效率和降低生产 成本且不会降低预浸料的胆存期;通过高溫热处理，进一步提高树脂的交联密度，有助于提 高复合材料的玻璃化转变溫度，同时，高溫热处理可W有效地消除因快速固化而产生的内 应力；制得的复合材料具有良好的力学性能和耐磨性，复合材料的玻璃化转变溫度在190~ 210°C之间，能够满足耐180°C高溫环境的要求。该复合材料可用于在汽车、自行车、飞机中 应力杆件的制备，或在管道、储物罐及反应蓋的制备中的应用。不过，该发明也存在一定的 缺陷：其耐刮擦性能不是很好，耐刮擦性能是指材料受到外力作用时，对外力的抵抗能力和 形变吸收能力，而当运种抵抗能力小及运种形变吸收(产生塑性形变)不能恢复到原来状态 时，基材表面就被破坏，产生划痕，耐刮擦性能主要与材料的硬度和摩擦系数有关，硬度越 高、摩擦系数越低则耐刮擦性能越好，而该发明在硬度和摩擦系数方面均不是很理想。
【发明内容】
：
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种碳纤维增强环氧树脂复合材料，其具有较好 的耐刮擦性能。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
[0007] -种碳纤维增强环氧树脂复合材料，其重量份组成包括:其重量份组成包括:环氧 树脂45~60份，增初剂10~15份，爽滑剂4~5份，固化剂15~20份，促进剂1~2份，增稠剂5 ~10份，脱模剂1~3份，增容剂5~10份，纳米硫酸领10~15份，UHMWPE 8~12份，碳纤维10 ~16份。
[0008] 优选地，本发明所述环氧树脂为双酪A型环氧树脂或双酪S型环氧树脂。
[0009] 优选地，本发明所述增初剂为端氨基液体下腊橡胶。
[0010] 优选地，本发明所述爽滑剂为芥酸酷胺。
[0011] 优选地，本发明所述固化剂为胺类固化剂。
[0012] 优选地，本发明所述促进剂为咪挫类促进剂。
[0013] 优选地，本发明所述增稠剂为TDI。
[0014] 优选地，本发明所述脱模剂为硬脂酸巧。
[001引优选地，本发明所述增容剂为EVA-g-MAH。
[0016] 本发明要解决的另一技术问题是提供上述碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备 方法。
[0017] 为解决上述技术问题，技术方案是：
[0018] -种碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备方法，包括W下步骤：
[0019] (1)将纳米硫酸领粉体用烘箱l〇5°C下干燥4小时，放入福射瓶，将福射瓶置于6化〇 福射源下方5cm处，福射2小时，取出后静置5小时，得到预福射纳米硫酸领；
[0020] (2)将步骤(1)得到的预福射纳米硫酸领加入乳化剂的去离子水溶液中，揽拌至分 散均匀后得到混合乳液，将MMA、BP0混合均匀后滴加到混合乳液中，加热至90°C，3小时后出 料，抽滤、洗涂、干燥，得到接枝改性纳米硫酸领；
[0021] (3)按配方量将环氧树脂、增初剂、爽滑剂、固化剂、促进剂、增稠剂、脱模剂、增容 剂、UHMWPEW及步骤(2)得到的接枝改性纳米硫酸领加入揽拌机揽拌均匀，移至螺杆挤出机 中190~230°C下烙融挤出，得到挤出料，将丙酬加入挤出料揽拌均匀，得到环氧树脂胶；
[0022] (4)按配方量将碳纤维制成碳纤维拉，放入模具后密封模具，0.8化真空度下将步 骤(3)得到的环氧树脂胶灌注入模具中，将模具在40°C、7MPa压力下保持3小时，转入真空干 燥箱，在11(TC、0.6化真空度下保持2小时，得到碳纤维增强环氧树脂复合材料。
[0023] 与现有技术相比，本发明具有W下有益效果：
[0024] 1)纳米硫酸领的粒径较小，硬度较高，不过其表面存在径基，呈现疏油性，与环氧 树脂基体的相容性较差，直接共混时二者的结合强度很低，纳米硫酸领容易析出，对复合材 料硬度方面的提高效果很差，还会导致力学性能下降，因此本发明对其进行了接枝改性，将 PMMA接枝到纳米硫酸领的表面，大大减少了其表面的径基，并形成了一层PMMA包覆层，将其 表面的疏油性变成了亲油性，改善了纳米硫酸领与环氧树脂基体之间的相容性和界面结合 强度，从而有效提高了复合材料的硬度，改善了复合材料的耐刮擦性能;此外，纳米硫酸领 还具有较强的耐酸碱性和耐水性，因此还可有效提高复合材料的耐酸碱性和耐水性。
[0025] 2)UHMWI^是超高分子量聚乙締的英文名称，其具有极低的摩擦系数，为了改善其 与环氧树脂基体之间的相容性，本发明还同时添加了增容剂，在增容剂的帮助下，UHMWPE与 环氧树脂基体形成了较强的结合，有效降低了复合材料的摩擦系数，进一步提高了耐刮擦 性能;此外，UHMWPE具有极低的脆化溫度，因此还可有效提高复合材料的耐低溫性能。
【具体实施方式】：
[0026] 下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例W及说明 用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0027] 实施例1
[0028] 碳纤维增强环氧树脂复合材料，其重量份组成包括:双酪S型环氧树脂50份，端氨 基液体下腊橡胶11份，芥酸酷胺4份，胺类固化剂20份，咪挫类促进剂1.2份，TDI 7份，硬脂 酸巧1.5份，EVA-g-MH 5份，纳米硫酸领11份，UHMWPE 9.5份，碳纤维15份。
[0029] 其制备方法包括W下步骤：
[0030] (1)将纳米硫酸领粉体用烘箱l〇5°C下干燥4小时，放入福射瓶，将福射瓶置于6化〇 福射源下方5cm处，福射2小时，取出后静置5小时，得到预福射纳米硫酸领；
[0031] (2)将步骤(1)得到的预福射纳米硫酸领加入乳化剂的去离子水溶液中，揽拌至分 散均匀后得到混合乳液，将MMA、BP0混合均匀后滴加到混合乳液中，加热至90°C，3小时后出 料，抽滤、洗涂、干燥，得到接枝改性纳米硫酸领；
[0032] (3)按配方量将双酪S型环氧树脂、端氨基液体下腊橡胶、芥酸酷胺、胺类固化剂、 咪挫类促进剂、TDI、硬脂酸巧、EVA-g-MAH、UHMWPE W及步骤(2)得到的接枝改性纳米硫酸领 加入揽拌机揽拌均匀，移至螺杆挤出机中190~230°C下烙融挤出，得到挤出料，将丙酬加入 挤出料揽拌均匀，得到环氧树脂胶；
[0033] (4)按配方量将碳纤维制成碳纤维拉，放入模具后密封模具，0.8化真空度下将步 骤(3)得到的环氧树脂胶灌注入模具中，将模具在40°C、7MPa压力下保持3小时，转入真空干 燥箱，在11(TC、0.6化真空度下保持2小时，得到碳纤维增强环氧树脂复合材料。
[0034] 实施例2
[0035] 碳纤维增强环氧树脂复合材料，其重量份组成包括:双酪S型环氧树脂55份，端氨 基液体下腊橡胶13份，芥酸酷胺5份，胺类固化剂15份，咪挫类促进剂1.8份，TDI 9份，硬脂 酸巧2.5份，EVA-g-MH 7份，纳米硫酸领13份，UHMWPE 12份，碳纤维12份。
[0036] 其制备方法包括W下步骤：
[0037] (1)将纳米硫酸领粉体用烘箱l〇5°C下干燥4小时，放入福射瓶，将福射瓶置于6化〇 福射源下方5cm处，福射2小时，取出后静置5小时，得到预福射纳米硫酸领；
[0038] (2)将步骤(1)得到的预福射纳米硫酸领加入乳化剂的去离子水溶液中，揽拌至分 散均匀后得到混合乳液，将MMA、BP0混合均匀后滴加到混合乳液中，加热至90°C，3小时后出 料，抽滤、洗涂、干燥，得到接枝改性纳米硫酸领；
[0039] (3)按配方量将双酪S型环氧树脂、端氨基液体下腊橡胶、芥酸酷胺、胺类固化剂、 咪挫类促进剂、TDI、硬脂酸巧、EVA-g-MAH、UHMWPE W及步骤(2)得到的接枝改性纳米硫酸领 加入揽拌机揽拌均匀，移至螺杆挤出机中190~230°C下烙融挤出，得到挤出料，将丙酬加入 挤出料揽拌均匀，得到环氧树脂胶；
[0040] (4)按配方量将碳纤维制成碳纤维拉，放入模具后密封模具，0.8化真空度下将步 骤(3)得到的环氧树脂胶灌注入模具中，将模具在40°C、7MPa压力下保持3小时，转入真空干 燥箱，在11(TC、0.6化真空度下保持2小时，得到碳纤维增强环氧树脂复合材料。
[0041 ] 实施例3
[0042] 碳纤维增强环氧树脂复合材料，其重量份组成包括:双酪A型环氧树脂45份，端氨 基液体下腊橡胶15份，芥酸酷胺4.4份，胺类固化剂17份，咪挫类促进剂1.4份，TDI 8份，硬 脂酸巧2份，EVA-g-MH 9份，纳米硫酸领15份，UHMWPE 10.5份，碳纤维16份。
[0043] 其制备方法包括W下步骤：
[0044] (1)将纳