一种纤维增强树脂复合材料及其制备方法与流程

本发明属于复合材料领域，具体涉及到一种纤维增强树脂复合材料及其制备方法。

背景技术：

纤维增强复合材料是一种轻质、高强度的新型材料，具有耐腐蚀、力学性能优良的良好性能。随着汽车、航天等领域轻量化的发展，各行业对纤维增强复合材料的需求越来越大、要求越来越高。

目前，纤维增强复合材料存在着增强纤维造树脂基材中分布不均等缺陷，这极大地影响了材料的性能。传统的纤维增强树脂材料也存在着工序复杂、价格高昂的缺陷。以传统碳纤维增强树脂为例，其制备方法包括：1)碳纤维毛毡成型；2)树脂含浸成预浸材；3)预浸材热压成型。价格过高限制了纤维增强树脂材料的大量应用。

目前有不少文献述及碳纤维增强复合材料的制备方法，例如专利申请《纤维增强树脂复合材料及其制备方法和用途》(申请号201410339379.9)公开了一种纤维增强树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：将经过表面氧化处理的纤维进行涂层处理；将经过涂层处理的纤维按照所需形状进行三维立体编织；将编织好的三维织物放入模具中，加入热固性树脂，低温注塑成型。这些方法只是传统碳纤维增强树脂制备工艺的衍生，依旧存在着工艺复杂、成本高昂的问题。

目前，纤维增强复合材料存在着增强纤维造树脂基材中分布不均等缺陷，这极大地影响了材料的性能。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明的首要目的在于提供一种纤维增强树脂复合材料，该复合材料具有较好拉伸性能、弯曲性能、和冲击韧性，界面相容性好，吸水率低，导电率低，增强纤维在树脂基体中分布均匀。

本发明的再一目的在于提供上述纤维增强树脂复合材料的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种纤维增强树脂复合材料，包括合成纤维或合成树脂颗粒与增强纤维，是将合成纤维的浆料与增强纤维的浆料混合，采用完全湿法抄纸工艺，一次抄造成形，得到单层复合材料；或将合成树脂颗粒的浆料与增强纤维的浆料混合，并加入表面活性剂，采用纸页泡沫成型工艺，一次抄造成形，得到单层复合材料；再将由单层复合材料堆叠而成的复合材料进行热压制备而成。

所述纤维增强树脂复合材料中增强纤维的含量为0.1wt％-80wt％。

所述纤维增强树脂复合材料的厚度1-100mm。

所述合成纤维为聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚对苯二甲基乙二醇酯纤维、聚氯乙烯纤维或聚乳酸纤维中的一种以上。

优选地，所述合成纤维的纤度为0.1-0.7dext，长度为3-6mm，优选3mm。

所述合成树脂颗粒为聚乙烯颗粒、聚丙烯颗粒、聚对苯二甲基乙二醇酯颗粒、聚氯乙烯颗粒或聚乳酸颗粒中的一种以上。

优选地，所述合成树脂颗粒的粒径为10-900μm，优选200-700μm。

所述增强纤维为玻璃纤维、植物纤维、碳纤维、纳米纤维素或微纳米纤维素中的一种以上。

所述纳米纤维素和/或微纳米纤维素的制备方法为化学法、机械法或者细菌纤维素，采用常规的制备方法得到。

所述增强纤维的长度≤30mm。

所述植物纤维包括针叶木纤维、阔叶木纤维和/或非木材纤维。

所述碳纤维为PAN基碳纤维、沥青基碳纤维和/或人造丝碳纤维，优选地，碳纤维长度为3-30mm，更优选地，碳纤维长度为3-30mm。

所述纤维增强树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：

当原料为合成纤维时，采用完全纸页湿法成型工艺，具体步骤为：

(a)：将合成纤维采用水配成浆料，得到浆料A；将增强纤维采用水配成浆料，得到浆料B；

(b)：将A、B浆料悬浮液混合进入抄前池，采用圆网纸机或斜网纸机，一次抄造成形，得到单层纸页；

(c)：将多张单层纸页进行堆叠，热压，得到纤维增强树脂复合材料。

步骤(a)中所述浆料A浆浓为0.01％-1％(纤维的质量浓度)，浆料B的浆浓为0.01％-5％(纤维的质量浓度)；优选地，浆料A浆浓为5‰，浆料B的浆浓为1‰；

步骤(b)中所述纸页定量为50-3000g/m²，优选100-300g/m²；纸页中增强纤维质量分数为0.1wt％-80wt％；步骤(c)中所述单层纸业在进行堆叠前需进行预干燥，得到干燥纸页，干燥纸页水分含量为10-80wt％，优选40-50wt％；

步骤(c)中所述热压的条件为热压温度110-300℃；热压时间0.5-10min，优选0.5-1min；

当原料为合成树脂颗粒时，采用纸页泡沫成型技术，包括以下步骤：

(1)将合成树脂颗粒采用水配成浆料，得到浆料A；将增强纤维采用水配成浆料，得到浆料B；

(2)将浆料A和浆料B混合，加入表面活性剂，搅拌发生泡沫，进入抄前池，采用圆网纸机或斜网纸机，通过静置消泡或真空消泡，一次抄造成形，得到单层纸页；

(3)将多张单层纸页进行堆叠，热压，得到纤维增强树脂复合材料。

步骤(1)中所述浆料A浆浓为1％-5％(质量百分数)，浆料B的浆浓为1％-5％(质量百分数)；优选地，浆料A浆浓为2％，浆料B的浆浓为2％；

步骤(2)中所述纸页定量为50-3000g/m²，优选100-300g/m²；所述纸页中增强纤维质量分数为0.1wt％-80wt％；

步骤(2)中所述表面活性剂的用量为浆料总质量的0.1wt％-1wt％，优选地，表面活性剂用量为0.2wt％-0.7wt％；

步骤(2)中所述表面活性剂为聚乙烯醇、十二烷基硫酸钠、正十六烷中的一种以上；

步骤(3)中所述热压条件为：热压温度110-300℃；热压时间0.5-10min，优选0.5-1min。

步骤(3)中所述单层纸业在进行堆叠前需进行预干燥，得到干燥纸页，干燥纸页水分含量为10-80wt％，优选40-65wt％。

优选地，所述热压后复合材料形状可以是板状、瓶状、管状、薄膜状等。

与现有技术相比，本发明提供的一种纤维增强树脂复合材料及其制备方法具有以下优点：

(1)采用湿法抄造多层复合技术，使增强纤维在复合材料中分布均匀；采用纸页泡沫成型技术，使长碳纤维也可以均匀分散在复合材料中；

(2)采用纳米纤维素作为增强相之一，提高了复合材料的界面相容性；

(3)采用聚乳酸作为树脂材料，使复合材料能够被自然降解，绿色环保；

(4)本发明的制备方法简单，生产成本低；

(5)本发明的复合材料具有较好拉伸性能、弯曲性能、和冲击韧性，界面相容性好，吸水率低，导电率低。

附图说明

图1为采用湿法造纸工艺并利用斜网造纸机制备纤维增强树脂复合材料的示意图；A-布浆器；B-整流器；C-脱水成型区；D-均匀成型纸页；

图2为复合材料在模具中热压成型的示意图；A-热压机上加热板；B-堆叠的复合材料；C-热压机下加热板；D-模具，P-压力。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。下述实施例中所用的试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。

实施例1碳纤维增强树脂复合材料的制备

本实施例采用聚丙烯纤维作为合成纤维，具体实施方法包括以下步骤：

步骤a：将聚丙烯纤维加水配成浆料，得到浆料A；将碳纤维与水混合，得到浆料B；浆料A浆浓为5‰(纤维的质量分数)，浆料B浆浓1‰(纤维的质量分数)；

步骤b：将A、B浆料装入斜网造纸机，一次抄造成形，得到单层湿纸页，纸页定量为200g/m²，纸页中碳纤维含量为10wt％；(采用湿法造纸工艺并利用斜网造纸机制备纤维增强树脂复合材料的示意图如图1所示)

步骤c：对单层湿纸页进行预干燥(预干燥的条件为80℃干燥，含水率为40％)；

步骤d：取5张单层纸页进行堆叠，180℃热压1min，得到纤维增强树脂复合材料(复合材料在模具中热压成型的示意图如图2所示)。

实施例2碳纤维增强树脂复合材料的制备

本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在步骤b中，改变单页纸中碳纤维含量为20wt％，得到碳纤维增强树脂复合材料。

实施例3碳纤维增强树脂复合材料的制备

本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在步骤b中，改变单页纸中碳纤维含量为40wt％，得到碳纤维增强树脂复合材料。

实施例4碳纤维增强树脂复合材料的制备

本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在步骤b中，改变单页纸中碳纤维含量为60wt％，得到碳纤维增强树脂复合材料。

实施例5碳纤维增强树脂复合材料的制备

本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在步骤b中，改变单页纸中碳纤维含量为80wt％，得到碳纤维增强树脂复合材料。

实施例1-5制备的纤维增强树脂复合材料的原料配方如表1所示，复合材料的性能如表2所示。

表1实施例1-5制备的碳纤维增强树脂复合材料的原料配方

表2实施例1-5制备的碳纤维增强树脂复合材料性能测试数据

从表2可以看出，本发明实施例1-5制备的碳纤维增强树脂复合材料的厚度在1.9-2.1mm之间，拉伸强度在12.8-59.2MPa之间，弯曲强度在50.8-150.7MPa之间，冲击强度在9.90-67.69KJ·m^-2之间，吸水率在0.01％-0.03％之间，电阻率在0.19-44000×10⁶Ω·cm。

实施例6碳纤维增强树脂复合材料的制备

本实施例采用聚丙烯颗粒作为合成树脂颗粒，具体实施方法包括以下步骤：

步骤a：将聚丙烯颗粒加水稀释，得到浆料A；将3mm长短切碳纤维与水混合稀释，得到浆料B；浆料A浆浓为5％(聚丙烯颗粒的质量浓度)，浆料B浆浓1％(碳纤维的质量浓度)；

步骤b：浆料A与浆料B混合，加入PVA，使PVA的用量为0.5wt％(浆料A与浆料B总质量的百分数)，搅拌发生泡沫；进入斜网造纸机，通过真空消泡，一次抄造成形，得到单层湿纸页，纸页定量为200g/m²，纸页中碳纤维含量为60wt％；

步骤c：对单层湿纸页进行预干燥(预干燥的条件为80℃干燥，含水率为40％)；

步骤d：取5张单层纸页进行堆叠，180℃热压1min，得到纤维增强树脂复合材料。

实施例7碳纤维增强树脂复合材料的制备

本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在步骤a中，改变碳纤维长度为6mm，得到碳纤维增强树脂复合材料。

实施例8碳纤维增强树脂复合材料的制备

本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在步骤a中，改变碳纤维长度为10mm，得到碳纤维增强树脂复合材料。

实施例9碳纤维增强树脂复合材料的制备

本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在步骤a中，改变碳纤维长度为20mm，得到碳纤维增强树脂复合材料。

实施例10碳纤维增强树脂复合材料的制备

本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在步骤a中，改变碳纤维长度为30mm，得到碳纤维增强树脂复合材料。

实施例6-10制备的碳纤维增强树脂复合材料的原料配方如表3所示，复合材料的性能如表4所示。

表3实施例6-10制备的碳纤维增强树脂复合材料的原料配方

表4实施例6-10制备的碳纤维增强树脂复合材料性能测试数据

从表4可以看出，本发明实施例6-10制备的碳纤维增强树脂复合材料的厚度在1.9-2.1mm之间，拉伸强度在58.4-177.7MPa之间，弯曲强度在141.3-179.8MPa之间，冲击强度在32.1-68.4KJ·m^-2之间，吸水率在0.01％-0.03％之间，电阻率在49000-53000×10⁶Ω·cm各项性能指标均优于或持平于市售聚丙烯塑料板材。

实施例11纳米纤维素增强树脂复合材料的制备

本实施例采用聚丙烯纤维作为合成纤维，具体实施方法包括以下步骤：

步骤a：将聚丙烯纤维加水配成浆料，得到浆料A；将纳米纤维素与水混合配成浆料，得到浆料B；浆料A浆浓5‰(聚丙烯纤维的质量浓度)，浆料B浆浓0.5‰(纳米纤维素的质量浓度)；

步骤b：将A、B浆料装入斜网造纸机，一次抄造成形，得到单层湿纸页，纸页定量为200g/m²，纸页中纳米纤维素含量为0.1wt％；

步骤c：对单层湿纸页进行预干燥(预干燥的条件为80℃干燥，含水率为40％)；

步骤d：取5张单层纸页进行堆叠，180℃热压1min，得到纤维增强树脂复合材料。

自制纳米纤维素的制备工艺为：采用针叶木或阔叶木商品桨板，经过水里碎浆机碎解，用烧碱(5wt％)进行软化处理；将软化处理后的浆料用泵送至4台串联的双盘磨打浆机进行循环打浆；循环打浆60h后，得到纳米纤维素，直径：50nm-2000nm，优选为300-600nm；长度1-2微米。

实施例12纳米纤维素增强树脂复合材料的制备

本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在步骤b中，改变纳米纤维素含量为0.2wt％，得到纳米纤维素增强树脂复合材料。

实施例13纳米纤维素增强树脂复合材料的制备

本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在步骤b中，改变纳米纤维素含量为0.3wt％，得到纳米纤维素增强树脂复合材料。

实施例14纳米纤维素增强树脂复合材料的制备

本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在步骤b中，改变纳米纤维素含量为0.4wt％，得到纳米纤维素增强树脂复合材料。

实施例15纳米纤维素增强树脂复合材料的制备

本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在步骤b中，改变纳米纤维素含量为0.5wt％，得到纳米纤维素增强树脂复合材料。

表5实施例11-15制备的纳米纤维增强树脂复合材料的原料配方

表6实施例11-15制备的纳米纤维素增强树脂复合材料性能测试数据

从表6可以看出，本发明实施例11-15制备的碳纤维增强树脂复合材料的厚度在1.9-2.1mm之间，拉伸强度在39.6-48.0MPa之间，弯曲强度在89.7-95.7MPa之间，冲击强度在14.7-20.6KJ·m^-2之间，吸水率在0.01％-0.03％之间，电阻率在48000-53200×10⁶Ω·cm。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。