紫外光固化复合材料快速粘接修理方法
【专利摘要】本发明提供一种紫外光固化复合材料快速粘接修理方法，以具有快速自蔓延固化特点的紫外光固化树脂组合物为基体材料，混合纤维增强材料后制备得到复合材料修理补片，具体包括如下步骤：1)对需要粘接修理的损伤区域进行表面处理；2)在处理好的损伤区域表面铺设复合材料铺层，复合材料铺层厚度、方向依修理的实际需要而定；3)采用紫外光光源辐照铺设好复合材料铺层，形成复合材料修理补片，完成对损伤结构的粘接修理。本发明所涉及的复合材料修理补片可设计性强，且制备时只需一次照射就可完成固化，具有固化效率高，抗拉强度好，固化不受纤维铺设层数及树脂基复合材料增强相透光性能影响，修复效率高等显著优势，特别适合于应急的抢修作业。
【专利说明】紫外光固化复合材料快速粘接修理方法 (一）
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光固化技术、树脂基复合材料【技术领域】，具体地说是一种紫外光固化 复合材料快速粘接修理方法。 (二）
【背景技术】
[0002] 树脂基复合材料具有比强度、比模量高，耐腐蚀，抗疲劳性好，可设计性强等突出 优点，在航空航天、石油化工以及医用材料等领域得到广泛应用。树脂基复合材料在生产制 造或使用过程中会不可避免地存在缺陷或遭受损伤，为满足正常使用的需要，需对其受损 部位进行修理。树脂基复合材料的修理方法分为机械修理和粘接修理。粘接修理方法是一 种优质、高效的结构修理方法，在船舶、飞机以及桥梁等建筑结构的各种破孔、裂纹和腐蚀 等损伤修理中越来越多地得到认可和应用。
[0003] 紫外光固化技术是一种绿色、环保的材料制备技术，将该技术引入到树脂基复合 材料制备领域是近年来又一个新的发展方向。紫外光固化反应固化速度快、反应所需活化 能低，特别是易于进行低温固化，尤其适用于树脂基复合材料的外场修复。目前针对紫外光 固化技术的研究，大多集中在基础研究、以及该技术在涂料工业中的应用方面，对于该技术 在结构修理方面的应用则鲜有报道。魏东等在《包装工程》（2011年第32卷150-153页） 上发表了题为"一种飞机结构快速修理新材料的研究"的报道，以光敏树脂为基体，玻璃纤 维为增强材料，制备成紫外光固化复合材料修理料片，对飞机损伤结构的快速修理进行了 研究。还大军等在《南京航空航天大学学报》（2014年第46卷635-645页）上发表了题为 "紫外固化环氧树脂复合材料及其修补性能研究"的报道，采用紫外固化复合材料对含人工 缺陷的层合板试样进行修补，结果表明该方法具有良好的修复效果。
[0004] 但受制于紫外光穿透能力有限，紫外光固化技术通常适用于透光的玻璃纤维增强 体系，复合材料修理料片制备时需逐层铺设玻璃纤维、逐层多次辐射固化，无法实现一次性 快速深层固化。对于含不透光增强相体系，如碳纤维增强复合材料的紫外光固化，则未见相 关报道。 (三）
【发明内容】
[0005] 本发明的技术任务是针对现有技术的不足，提供一种紫外光固化复合材料快速粘 接修理方法，以具有快速自蔓延固化特点的紫外光固化树脂组合物为基体材料，混合纤维 增强材料后制备得到复合材料修理补片，对需要粘接修理的损伤区域进行快速粘接修理。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] 紫外光固化复合材料快速粘接修理方法，以具有快速自蔓延固化特点的紫外光固 化树脂组合物为基体材料，混合纤维增强材料后制备得到复合材料修理补片，包括如下步 骤：
[0008] 1)对需要粘接修理的损伤区域进行表面处理，表面处理主要包括溶剂清洗、机械 打磨或喷砂，表面处理目的在于增加损伤区域四周搭接表面的粗糙度，增加粘接强度；
[0009] 2)在处理好的损伤区域表面铺设复合材料铺层，复合材料铺层与损伤区域几何形 状相似，且复合材料铺层面积大于损伤区域面积，复合材料铺层厚度、方向依修理的实际需 要而定；
[0010] 3)采用紫外光光源辐照铺设好复合材料铺层，形成复合材料修理补片，以完成对 损伤结构的粘接修理。
[0011] 所述纤维增强材料包括玻璃纤维布或碳纤维布。
[0012] 根据结构及实际情况，所述损伤区域表面处理既可以是单面处理，也可以是双面 处理，对应的进行单面粘接修理或双面粘接修理。
[0013] 为了进一步提高粘接修理效果，对所述复合材料铺层进行压处理，加压方式采用 真空袋加压，且真空袋必须能够透过紫外光，以便引发复合材料铺层的紫外光固化。
[0014] 本发明具有快速自蔓延固化特点的紫外光固化树脂组合物，其配方中原料组成及 各组分重量份如下：环氧树脂90-110份，阳离子光引发剂0. 1-0. 7份，热引发剂0. 1-0. 5 份。
[0015] 所述环氧树脂为缩水甘油醚类环氧树脂、缩水甘油酯类环氧树脂、缩水甘油胺类 环氧树脂、脂环族环氧树脂中的一种或多种，如E44环氧树脂、E51环氧树脂、3,4-环氧环己 基甲基-3,4-环氧环己基甲酸酯、双（(3,4_环氧环己基）甲基）己二酸酯、环氧改性有机 硅树脂中的一种或多种。
[0016] 所述阳离子光引发剂为碘鎗盐、硫鎗盐中的一种或多种，如4,4_二甲基-二苯基 碘翁六氟磷酸盐、二苯基碘鎗六氟磷酸盐、三苯基硫鎗盐、二苯基-(4-苯基硫）苯基锍六氟 磷酸盐中的一种或多种。
[0017] 所述热引发剂为过氧化物类引发剂、偶氮类引发剂中的一种或多种，如过氧化苯 甲酰、偶氮二异丁氰中的一种或多种。
[0018] 本发明的紫外光固化树脂组合物，除配方中规定的原料组成和各组分重量份之 夕卜，还可以配合光敏剂0-1重量份、活性稀释剂0-35重量份、添加剂0-30重量份或丙烯酸 酯5-40重量份。
[0019] 所述光敏剂为α，α -二甲氧基-α -苯基苯乙酮，二苯酮，安息香甲醚，安息香异 丙基醚，安息香丁醚，苯偶酰，米蚩酮，硫杂蒽酮中的一种或多种。光敏剂的引入，有利于缩 短光固化时间，提高光固化效率。
[0020] 所述活性稀释剂为环氧丙烷苄基醚、环氧丙烷苯基醚、C12?C14烷基缩水甘油 醚、丙烯基缩水甘油醚、双缩水甘油醚、乙二醇双缩水甘油醚中的一种或多种。活性稀释剂 的引入，可用于调节环氧树脂的黏度，改善操作工艺系统的可操作性。
[0021 ] 所述添加剂为粉末或颗粒形式的填料、颜料、纳米填料中的一种或多种，如滑石 粉、氧化铝、硅酸铝、玻璃、陶瓷、石英、钡铝硅酸盐、硼酸盐、气相二氧化硅等粉末或颗粒形 式的填料或炭黑或钛白等颜料，还可以加入纳米填料，比如纳米轻基磷灰石、纳米二氧化 硅，纳米尼龙纤维等。填料的引入，一方面可提高所形成固化物的强度，减少固化的体积收 缩，另一方面可调节环氧树脂的黏度，改善操作工艺性。
[0022] 所述丙烯酸酯为丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯中的 一种或多种。其中，具有较长链的丙烯酸酯还可以起到增韧环氧树脂的作用。
[0023] 上述紫外光固化树脂组合物，其制备方法包括如下步骤：
[0024] 1)按配方中规定的各组分重量份称取各组分；
[0025] 2)将环氧树脂、阳离子光引发剂、热引发剂、光敏剂、活性稀释剂、添加剂、丙烯酸 酯加入反应容器中混合，搅拌均匀即可得紫外光固化树脂组合物。
[0026] 所述紫外光光源可以是各种产生紫外光的光源，可以根据光引发剂的类型选择， 比如常用的高压汞灯。
[0027] 本发明的复合材料铺层，由上述紫外光固化树脂组合物基体材料混合纤维增强材 料后制备得到，所述纤维增强材料包括碳纤维布或玻璃纤维布，其中每100重量份纤维增 强树脂基复合材料中含有40-75重量份的紫外光固化树脂组合物。
[0028] 本发明的复合材料铺层，其制备方法包括如下步骤：
[0029] 将上述紫外光固化树脂组合物基体材料涂布在处理好的损伤区域表面，然后铺设 纤维增强材料，利用直径滚或其他工具，使紫外光固化树脂组合物浸透纤维增强材料，再涂 布紫外光固化树脂组合物，随后铺设第2层纤维增强材料，如此逐层交替，每次铺设要保证 紫外光固化树脂组合物浸透纤维增强材料，以真空袋加压处理并压实，其铺设层数可以根 据需要确定，不受限制。纤维增强树脂基复合材料的制备方法也可先将纤维增强材料全部 浸透后，再逐层铺设，以真空袋加压处理并压实。
[0030] 与现有技术相比，本发明的紫外光固化复合材料快速粘接修理方法有益效果是：
[0031] (1)本发明采用具有快速自蔓延固化特点的的紫外光固化树脂组合物为基体材 料，混合纤维增强材料后制备得到紫外光固化复合材料修理补片，具有固化效率高，抗拉强 度好，固化不受纤维铺设层数及树脂基复合材料增强相透光性能影响等显著优势。
[0032] (2)本发明操作简便，所涉及的复合材料修理补片可设计性强，且制备时只需一次 照射就可完成固化，无需逐层多次辐射固化。铺设三层碳纤维布的树脂基复合材料在30? 40分钟内即可完成固化。
[0033] (3)本发明拉伸测试结果明损伤未修理的强度是完好试样的表64. 1 %，修理后的 修复效率为85. 7% -93. 6%。可见，该发明可以在非常短的时间内完成对损伤结构的原位 快速修理，而且具有较高的修复效率，特别适合于应急的抢修作业。 (四）【具体实施方式】
[0034] 下面结合【具体实施方式】对本发明的紫外光固化复合材料快速粘接修理方法作以 下详细地说明。
[0035] 实施例1
[0036] 称取3,4_环氧环己基甲基-3,4-环氧环己基甲酸酯100g、4,4_二甲基-二苯基 碘翁六氟磷酸盐〇. 2g、过氧化苯甲酰0. 5g加入反应容器中混合，搅拌均匀，得紫外光固化 树脂组合物。
[0037] 本实施例的复合材料铺层，由上述紫外光固化树脂组合物基体材料混合纤维增强 材料后制备得到，所述纤维增强材料包括碳纤维布或玻璃纤维布，其中每l〇〇g纤维增强树 脂基复合材料中含有40g的紫外光固化树脂组合物。
[0038] 本实施例的复合材料铺层，其制备方法包括如下步骤：
[0039] 将上述紫外光固化树脂组合物基体材料涂布处理好的损伤区域表面，然后铺设碳 纤维布，利用直径滚或其他工具，使紫外光固化树脂组合物浸透碳纤维布，再涂布紫外光固 化树脂组合物，随后铺设第2层碳纤维布，如此逐层交替，每次铺设要保证紫外光固化树脂 组合物浸透碳纤维布，以真空袋加压处理并压实，本实施例铺设层数为3层。
[0040] 实施例2
[0041] 称取3,4_环氧环己基甲基-3,4_环氧环己基甲酸80g、环氧改性有机硅树脂 ES-06 20g，4,4-二甲基-二苯基碘翁六氟磷酸盐0. 2g、过氧化苯甲酰0. 2g加入反应容器 中混合，搅拌均匀，得紫外光固化树脂组合物。
[0042] 本实施例复合材料铺层及制备方法同实施例1。
[0043] 实施例3
[0044] 称取3,4-环氧环己基甲基-3,4-环氧环己基甲酸85g、环氧改性有机硅树脂 ES-06 15g，4,4-二甲基-二苯基碘翁六氟磷酸盐0. 3g、过氧化苯甲酰0. 2g加入反应容器 中混合，搅拌均匀，得紫外光固化树脂组合物。
[0045] 本实施例复合材料铺层及制备方法同实施例1。
[0046] 实施例4
[0047] 紫外光固化复合材料快速粘接修理方法，以实施例1-3所述的具有快速自蔓延固 化特点的紫外光固化树脂组合物为基体材料，混合纤维增强材料后制备得到复合材料修理 补片，包括如下步骤：
[0048] 1)对需要粘接修理的金属构件的损伤区域进行表面处理，表面处理主要包括溶剂 清洗、机械打磨或喷砂，表面处理目的在于增加损伤区域四周搭接表面的粗糙度，增加粘接 强度；
[0049] 2)在处理好的损伤区域表面铺设复合材料铺层，复合材料铺层与损伤区域几何形 状相似，且复合材料铺层面积大于损伤区域面积，复合材料铺层厚度、方向依修理的实际需 要而定；为了进一步提高粘接修理效果，对所述复合材料铺层进行压处理，加压方式采用真 空袋加压，且真空袋必须能够透过紫外光，以便引发复合材料铺层的光固化；
[0050] 3)采用紫外光光源辐照铺设好复合材料铺层30分钟，形成复合材料修理补片，以 完成对损伤结构的粘接修理。
[0051 ] 所述纤维增强材料包括玻璃纤维布或碳纤维布。
[0052] 根据结构及实际情况，所述损伤区域表面处理既可以是单面处理，也可以是双面 处理，对应的进行单面粘接修理或双面粘接修理。
[0053] 实施例1-3所述的具有快速自蔓延固化特点的紫外光固化树脂组合物为基体材 料，混合碳纤维布后制备得到复合材料修理补片，依据实施例4所述的紫外光固化复合材 料快速粘接修理方法，对需要粘接修理的金属构件进行粘接修理，在材料万能试验机上进 行拉伸性能测试，金属构件拉伸强度测量值与完好金属构件的拉伸强度之比，定义为修复 效率。实验结果列于表1。
[0054] 表1.金属构件拉伸性能测试实验
[0055]
【权利要求】
1. 紫外光固化复合材料快速粘接修理方法，其特征在于，以具有快速自蔓延固化特点 的紫外光固化树脂组合物为基体材料，混合纤维增强材料后制备得到复合材料修理补片， 具体包括如下步骤： 1) 对需要粘接修理的损伤区域进行表面处理； 2) 在处理好的损伤区域表面铺设复合材料铺层，复合材料铺层厚度、方向依修理的实 际需要而定； 3) 采用紫外光光源辐照铺设好复合材料铺层，形成复合材料修理补片，完成对损伤结 构的粘接修理。
2. 根据权利要求1所述的紫外光固化复合材料快速粘接修理方法，其特征在于，所述 纤维增强材料包括玻璃纤维布或碳纤维布。
3. 根据权利要求1所述的紫外光固化复合材料快速粘接修理方法，其特征在于，所述 表面处理包括溶剂清洗、机械打磨或喷砂。
4. 根据权利要求1所述的紫外光固化复合材料快速粘接修理方法，所述表面处理为单 面处理或双面处理，对应的进行单面粘接修理或双面粘接修理。
5. 根据权利要求1所述的紫外光固化复合材料快速粘接修理方法，其特征在于，所述 复合材料铺层与损伤区域几何形状相似，且复合材料铺层面积大于损伤区域面积。
6. 根据权利要求1所述的紫外光固化复合材料快速粘接修理方法，其特征在于，对所 述复合材料铺层进行压处理，加压方式采用真空袋加压，且真空袋必须能够透过紫外光。
【文档编号】C09D7/12GK104371488SQ201410617517
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】赵培仲, 魏华凯, 戴逸菲, 胡芳友, 戴京涛, 黄旭仁, 吉伯林 申请人:赵培仲