一种芳纶纤维增强环氧树脂基体复合材料及其制备方法与流程

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种芳纶纤维增强环氧树脂基体复合材料及其制备方法。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着纤维增强复合材料在各行各业中日益广泛的应用，其可高效、高精度加工性，限制了其进一步的推广和使用。其中以芳纶纤维复合材料为代表的难加工复合材料是如今工程问题中亟待解决的加工难题。发明人发现，由于纤维强度高、韧性大，材料呈现力学各向异性，在加工中常见缺陷包括分层、毛刺和撕裂。

同时，现有的芳纶纤维复合材料板材普遍纤维含量低，质量百分比只有30％-40％，并且板材表层基体厚度与层间基体厚度相近，在加工中极薄的基体无法对纤维提供足够的支撑，容易发生破碎，使纤维更加难以切断，加工质量进一步恶化。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种芳纶纤维增强环氧树脂基体复合材料及其制备方法，通过改变芳纶纤维复合材料板材制造工艺，从而使得复合材料具有高纤维含量以及高表层基体厚度，使其获得良好的机械性能和可加工性(如切削性)，从而有效解决现有芳纶纤维复合材料加工技术中容易产生加工缺陷的问题，提高材料可加工性。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明的第一个方面，提供一种芳纶纤维增强环氧树脂基体复合材料，所述芳纶纤维增强环氧树脂基体复合材料，按质量份计，原料包括：

改性芳纶纤维65-70份，环氧树脂30-35份，固化剂8-12份，偶联剂1-2份，抗氧化剂和紫外线吸收剂共0.5-1份。

其中，所述改性芳纶纤维为多巴胺改性芳纶纤维，优选的，改性处理时间2h、多巴胺浓度2g/l；

所述固化剂为环氧树脂固化剂，进一步优选为sh-200/201；

所述偶联剂为：硅烷偶联剂kh560，仅在环氧树脂中添加；

所述抗氧化剂为：v73-p；紫外线吸收剂为：uv-196，两者配合使用。

优选的，所述芳纶纤维增强环氧树脂基体复合材料表层基体厚度不小于250μm；芳纶纤维织物层之间基体厚度不大于10μm。

本发明的第二个方面，提供一种芳纶纤维增强环氧树脂基体复合材料的制备方法，所述制备方法包括：

将多巴胺改性处理的芳纶纤维织物浸渍环氧树脂固化剂溶液得复合预浸料，将所述复合预浸料进行层叠加压处理后加热预固化得预固化材料；在预固化材料中的环氧树脂处于半固态状态下，使用真空灌注法向其中灌注环氧树脂固化剂使预成型材料表层增厚后进行二次固化即得。

其中，多巴胺改性处理的芳纶纤维织物具体制备方法包括：将芳纶纤维织物浸泡于多巴胺乙醇溶液中，本发明利用多巴胺的氧化自聚合，在芳纶表面沉积一层聚多巴胺的涂层，从而有效改善后续芳纶/环氧树脂的界面性能。

进一步的，所述浸泡处理温度控制为45～55℃(优选为50℃)，浸泡处理时间控制为1.5～3h(优选为2h)，多巴胺浓度为1.8～2.5g/l(优选为2.0g/l)；通过控制浸渍处理温度、时间和多巴胺浓度，从而使得改性效果更佳。

所述环氧树脂固化剂溶液具体配置方法包括：在不低于30℃环境条件下将环氧树脂、固化剂、偶联剂、抗氧化剂和紫外线吸收剂混合，真空静置处理即得。由于环氧树脂(pe)本身粘度大，适当提高温度有利于环氧树脂保持流动性，进而有利于环氧树脂中气泡的排出。

其中，所述固化剂优选为增韧固化剂sh-200/201，该固化剂本身具备对环氧树脂增韧的特性，缓解了环氧树脂基体在加工中因硬脆特性，易出现蹦碎的缺陷；同时，本发明选用的固化剂还具有可二次固化特性，为后续二次固化成型提供了可能。

真空静置具体处理条件为：在相对真空度-20pa，静置处理3～6min(优选为5min)，促使树脂中气泡排出。

所述浸渍和层叠加压处理具体方法为：将芳纶纤维织物铺设于基板上涂覆环氧树脂固化剂溶液，优选涂覆时顺着芳纶纤维织物纤维方向进行涂覆得复合预浸料，每堆叠一层时排出多余树脂直至全部芳纶纤维织物堆叠完成；将堆叠完成的复合预浸料连同基板一起密封抽真空，排出层间多余树脂液体并使树脂中的气泡逸出。

所述基板优选采用透明玻璃基板，可有效的观察纤维布涂覆状态，避免树脂浸润不均。

所述预固化处理条件具体为：在110～130℃下固化处理0.8～1.5h(优选为1h)。

所述预固化处理前对抽真空后的复合预浸料进行压紧处理，控制堆叠层厚度约为an毫米，其中a为单层芳纶纤维织物厚度，n为堆叠层数，n为15～30(优选为20)。

所述压紧处理具体为使用压紧装置(如钢板)压紧；并使用夹具(如f夹)进一步夹紧。

所述表层增厚具体方法为：在预成型材料上下表面设置垫厚层，使用基板自然夹紧，采用真空灌注法向其中注入上述环氧树脂固化剂溶液使预成型材料表层厚度增大。

所述垫厚层优选使用垫片，所述垫片分置于预成型材料上下表面四角，此时基板与所述预成型材料上下表面因垫片的阻隔作用自然形成空隙，有利于后续真空灌注时使环氧树脂固化剂溶液覆盖至预成型材料表面，从而使表层增厚，因此进一步优选的，使用基板以竖置方式固定预成型材料；同时，由于预成型材料基体硬度不高，在真空负压作用下，垫片会下陷入基体，因此垫片厚度大于表层基体厚度。

二次固化温度为140～160℃(优选为150℃)，固化处理时间为3.5～5h(优选为4h)。

采用上述方法制备的得到的芳纶纤维增强环氧树脂基体复合材料中芳纶纤维含量质量百分比在65％-70％，树脂含量质量百分比在30％-35％。

本发明的有益效果是：

(1)本发明制备得到的芳纶纤维增强环氧树脂基体复合材料具有高纤维含量(芳纶纤维含量可高达65％以上)以及高表层基体厚度，在提高复合材料的力学性能的同时，有效减少甚至避免复合材料在后续加工过程中出现分层、毛刺和撕裂现象，提高复合材料的可加工性。

(2)本发明制备工艺简单，从材料特性的角度提升此种难加工材料的可加工性；无需更新设备，便于在行业内进行推广，具有良好的实际应用之价值。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是加工边缘毛刺产生和抑制机理图；其中，1为加工刀具，2为复合材料纤维层，3为树脂基体层。

图2是预固化过程装夹示意图；其中，4为金属压板，5为f夹，6为真空袋，7为纤维铺层堆叠物，8为玻璃基板。

图3是二次固化过程装夹示意图；其中，4为金属压板，7为纤维铺层堆叠物，9为表层基体加厚预留空隙，8为玻璃基板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。

如前所述，由于纤维强度高、韧性大，材料呈现力学各向异性，在加工中常见缺陷包括分层、毛刺和撕裂。同时现有的芳纶纤维复合材料板材普遍纤维含量低，质量百分比只有30％-40％，并且板材表层厚度与层间厚度相近，在加工中极薄的基体无法对纤维提供足够的支撑，容易发生破碎，使纤维更难以切断，加工质量进一步恶化。

有鉴于此，本发明的一个具体实施方式中，提供一种芳纶纤维增强环氧树脂基体复合材料，所述芳纶纤维增强环氧树脂基体复合材料，按质量份计，原料包括：

改性芳纶纤维65-70份，环氧树脂30-35份，固化剂8-12份，偶联剂1-2份，抗氧化剂和紫外线吸收剂共0.5-1份。

其中，所述改性芳纶纤维为多巴胺改性芳纶纤维，优选的，改性处理时间2h，多巴胺浓度2g/l；

所述固化剂为环氧树脂固化剂，进一步优选为sh-200/201；

所述偶联剂为：硅烷偶联剂kh560，仅在环氧树脂中添加；

所述抗氧化剂为：v73-p；紫外线吸收剂为：uv-196，两者配合使用，对二者的用量比例不做特别限定。

本发明的又一具体实施方式中，所述芳纶纤维增强环氧树脂基体复合材料表层基体厚度不小于250μm；芳纶纤维织物层之间基体厚度不大于10μm。

本发明的又一具体实施方式中，提供一种芳纶纤维增强环氧树脂基体复合材料的制备方法，所述制备方法包括：

s1、芳纶纤维改性：使用多巴胺对芳纶纤维织物进行表面改性，提高芳纶/环氧树脂的界面性能。

s2、配制环氧树脂固化剂溶液：将环氧树脂、固化剂、偶联剂、抗氧化剂和紫外线吸收剂混均匀混合后进行真空干燥待用；

s3、涂覆和堆叠：设置基板进行芳纶纤维织物的涂覆和堆叠，涂覆时顺着纤维方向进行涂覆；将堆叠完成材料连同基板一起套袋密封抽真空，排出层间树脂液体并使树脂中的气泡逸出；用钢板上下压紧真空袋，并用f夹夹紧；

s4、预固化：将堆叠材料进行加热预固化；

s5、表层加厚：预固化材料取出后分别在正反面四角设置垫片，使用基板以竖置方式固定，连同基板一起使用真空袋密封；使用真空灌注法使材料表层厚度得到强化；

s6、二次固化：将真空袋进行二次加热固化，随常温冷却后取出，拆除辅助夹具装置。

需要说明的是，所述步骤s1和s2并不存在先后顺序之分；

本发明的又一具体实施方式中，所述步骤s1中，利用多巴胺的氧化自聚合，在芳纶表面沉积一层聚多巴胺的涂层，改善芳纶/环氧树脂的界面性能。改性处理温度为45-55℃(优选为50℃)，改性处理时间1.5～3h(优选为2h)，取出后在经超声清洗去除纤维表面未结合的多巴胺；多巴胺浓度为1.8～2.5g/l(优选为2.0g/l，无水乙醇溶液)。

本发明的又一具体实施方式中，所述步骤s2中，由于环氧树脂(pe)本身粘度大的原因，工艺流程不宜在低于30℃，适当提高温度有利于环氧树脂保持流动性，有利于树脂中气泡的排出。

本发明的又一具体实施方式中，其中固化剂采用增韧固化剂sh-200/201。将配置好的溶液及时倒到托盘中，可以防止固化反应的过快进行。

本发明的又一具体实施方式中，所述步骤s3中，使用透明玻璃基板可有效的观察纤维布涂覆状态，避免树脂浸润不均。

本发明的又一具体实施方式中，所述步骤s4中，芳纶纤维布厚度约为0.2mm，通过相关夹紧装置将材料堆叠厚度控制在0.2nmm(n为堆叠层数)，预固化温度为110～130℃(优选为120℃)，固化处理时间为0.8～1.5h(优选为1h)。

本发明的又一具体实施方式中，所述步骤s5中，由于预固化基体硬度不高，欲保证表层基体厚度达到250μm，实际经验验证需使用500μm垫片，在真空负压作用下，垫片会部分陷入基体。

本发明的又一具体实施方式中，所述步骤s6中，固化温度为140～160℃(优选为150℃)，固化处理时间为3.5～5h(优选为4h)。

此外，本发明通过优化筛选获得可二次固化的专用增韧固化剂sh-200/201。由于固化剂的特性，为二次固化成型工艺提供了可能。同时，固化剂本身具备对环氧树脂增韧的特性，缓解了环氧树脂基体在加工中因硬脆特性，易出现蹦碎的缺陷。

以下通过实施例对本发明做进一步解释说明，但不构成对本发明的限制。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

一种芳纶纤维增强环氧树脂基体复合材料，具体制备方法如下：

1、芳纶纤维布织物改性：在无水乙醇中加入多巴胺，调配浓度至2g/l，将芳纶纤维织物浸泡在无水乙醇溶液中，50℃水浴加热2h，取出后在经超声清洗去除纤维表面未结合的多巴胺。

2、调配环氧树脂溶液：以质量比例为32：9：1：0.5：0.5混合环氧树脂(pe)、增韧固化剂sh-200/201、硅烷偶联剂kh560、抗氧化剂v73-p和紫外线吸收剂uv-196。充分搅拌后在真空干燥釜中抽真空(相对真空度-20pa)并静置5min，使树脂中含有的气泡逸出。

3、纤维织物堆叠：使用环氧树脂溶液浸渍芳纶纤维织物并堆叠后，套袋抽真空。使用钢板和f夹夹紧，控制堆叠材料厚度为0.2nmm，其中，芳纶纤维布厚度为0.2mm，n为纤维织物层数，此处n取20。

4、预固化：在初次固化温度120℃下固化1h。

5、表层增厚：使用0.5mm垫片双面垫其预固化材料，用玻璃基板自然夹紧后套袋，以竖置方式固定，使用真空灌注法使材料表层厚度增大。

6、二次固化：在二次固化150℃下固化4h。

取出后去除边缘树脂材料，得到制备好的芳纶纤维复合材料。所述芳纶纤维增强环氧树脂基体复合材料中芳纶纤维含量质量百分比在65％，树脂含量质量百分比在30％，表层基体厚度为250μm、纤维层间基体厚度为8μm。

实施例2

一种芳纶纤维增强环氧树脂基体复合材料，具体制备方法如下：

1、芳纶纤维布织物改性：在无水乙醇中加入多巴胺，调配浓度至2g/l，将芳纶纤维织物浸泡在无水乙醇溶液中，50℃水浴加热2h，取出后在经超声清洗去除纤维表面未结合的多巴胺。

2、调配环氧树脂溶液：以质量比例为30：10：1.5：0.3：0.4混合环氧树脂(pe)、增韧固化剂sh-200/201、硅烷偶联剂kh560、抗氧化剂v73-p和紫外线吸收剂uv-196。充分搅拌后在真空干燥釜中抽真空(相对真空度-20pa)并静置5min，使树脂中含有的气泡逸出。

3、纤维织物堆叠：使用环氧树脂溶液浸渍芳纶纤维织物并堆叠后，套袋抽真空。使用钢板和f夹夹紧，控制堆叠材料厚度为0.2nmm，其中，芳纶纤维布厚度为0.2mm，n为纤维织物层数，此处n取18。

4、预固化：在初次固化温度120℃下固化1h。

5、表层增厚：使用0.6mm垫片双面垫其预固化材料，用玻璃基板自然夹紧后套袋，以竖置方式固定，使用真空灌注法使材料表层厚度增大。

6、二次固化：在二次固化150℃下固化4h。

取出后去除边缘树脂材料，得到制备好的芳纶纤维复合材料。所述芳纶纤维增强环氧树脂基体复合材料中芳纶纤维含量质量百分比在62％，树脂含量质量百分比在34％，表层基体厚度为255μm、纤维层间基体厚度为9μm。

实施例3

一种芳纶纤维增强环氧树脂基体复合材料，具体制备方法如下：

1、芳纶纤维布织物改性：在无水乙醇中加入多巴胺，调配浓度至2g/l，将芳纶纤维织物浸泡在无水乙醇溶液中，50℃水浴加热2h，取出后在经超声清洗去除纤维表面未结合的多巴胺。

2、调配环氧树脂溶液：以质量比例为35：11：2：0.4：0.3混合环氧树脂(pe)、增韧固化剂sh-200/201、硅烷偶联剂kh560、抗氧化剂v73-p和紫外线吸收剂uv-196。充分搅拌后在真空干燥釜中抽真空(相对真空度-20pa)并静置5min，使树脂中含有的气泡逸出。

3、纤维织物堆叠：使用环氧树脂溶液浸渍芳纶纤维织物并堆叠后，套袋抽真空。使用钢板和f夹夹紧，控制堆叠材料厚度为0.2nmm，其中，芳纶纤维布厚度为0.2mm，n为纤维织物层数，此处n取22。

4、预固化：在初次固化温度120℃下固化1h。

5、表层增厚：使用0.5mm垫片双面垫其预固化材料，用玻璃基板自然夹紧后套袋，以竖置方式固定，使用真空灌注法使材料表层厚度增大。

6、二次固化：在二次固化150℃下固化4h。

取出后去除边缘树脂材料，得到制备好的芳纶纤维复合材料。所述芳纶纤维增强环氧树脂基体复合材料中芳纶纤维含量质量百分比在65％，树脂含量质量百分比在32％，表层基体厚度为260μm、纤维层间基体厚度为9μm。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。