一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料及其制备方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及复合材料领域，具体的涉及一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复 合材料。
【背景技术】：
[0002] 碳纤维/环氧树脂复合材料是碳纤维复合材料中的一个重要分支。碳纤维增强环 氧树脂复合材料具有高的比强度、比模量、疲劳强度和耐高温等优异性能，它还具有密度 小、热膨胀系数小、耐腐蚀和抗蠕变性能优异及整体性好、抗分层、抗冲击等特点。在加工成 型过程中，碳纤维增强环氧树脂复合材料具有易大面积整体成型等独特优点。目前，碳纤 维/环氧树脂复合材料已广泛应用于航空航天、化工、自行车、汽车等领域。
[0003] 常用的碳纤维表面光滑，活性官能团少，表面能低，呈现表面化学惰性，与环氧树 脂基体浸润性较差，复合材料界面粘合力较弱，因此，需要对碳纤维进行表面处理，提高其 与基体树脂的粘结性，进而提高复合材料的性能。但是该方法会使碳纤维受到不同程度的 损伤，造成复合材料抗冲击性能明显下降。而通用型的环氧树脂固化后脆硬，抗冲击性能和 耐热性差。近年来，碳纤维/环氧树脂复合材料改性以进一步提高其综合性能深受重视。
[0004] 木质素纤维是天然木材经过化学处理得到的有机纤维，外观为棉絮状，呈白色或 灰白色。通过筛选、分裂、高温处理、漂白、化学处理、中和、筛分成不同长度和粗细度的纤维 以适应不同应用材料的需要.由于处理温度高达250°C以上，在通常条件下是化学上非常稳 定的物质，不为一般的溶剂、酸、碱腐蚀，具有无毒、无味、无污染、无放射性的优良品质，不 影响环境，对人体无害，属绿色环保产品，其纤维微观结构是带状弯曲的，凹凸不平的，多孔 的，交叉处是扁平的，有良好的韧性、分散性和化学稳定性。
【发明内容】
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[0005] 本发明的目的是提供一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，该材料具 有高的比强度、比模量、疲劳强度和耐高温等优异性能，耐裂纹性能和断裂韧性好，稳定性 好，广泛应用于航空航天、汽车、自行车等领域。
[0006] 本发明的另一个目的是提供该材料的制备方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0008] -种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，以重量份计，包括以下组分：
[0009] 双酸A型环氧树脂50-80份，
[0010] 木质素纤维2-8份，碳纤维5-10份，
[0011 ]粘胶纤维3-6份，羧甲基纤维素钠2-5份，
[0012] 羟乙基纤维素1-3份，桐油5-10份，
[0013] 二甲基硅油5-10份，硬脂酸甘油酯5-15份，
[0014]聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯5-10份，
[0015] 固化剂3-6份，活性稀释剂3-8份。
[0016] 作为上述技术方案的优选，一种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，以重 量份计，包括以下组分：
[0017] 双酚A型环氧树脂60份，
[0018] 木质素纤维8份，碳纤维10份，
[0019] 粘胶纤维5份，羧甲基纤维素钠5份，
[0020] 羟乙基纤维素2份，桐油10份，
[0021]二甲基硅油8份，硬脂酸甘油酯12份，
[0022]聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯10份，
[0023]固化剂4份，活性稀释剂5份。
[0024]作为上述技术方案的优选，所述双酚A型环氧树脂为双酚A二缩水甘油醚、单分子 双酸A型环氧树脂中的一种或两种混合。
[0025]作为上述技术方案的优选，所述木质素纤维的长度为5-10μηι，其灰分含量为< 2%〇
[0026] 作为上述技术方案的优选，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛 基碳纤维中的一种或多种混合，其直径为50-100nm，长度为0.5-1μπι。
[0027] 作为上述技术方案的优选，所述粘胶纤维的干态强度>30.0 cN/dtex，其密度为 1·50-1·52g/cm3〇
[0028] 作为上述技术方案的优选，所述固化剂为有机硅交联剂XR-500、改性淀粉、2，4-二 苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或多种混合。
[0029] 作为上述技术方案的优选，所述活性稀释剂的分子量小于1500,端基为二甲基甲 氧基甲硅烷基或二甲基乙氧基甲硅烷基的聚氧化丙烯醚。
[0030] -种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0031] (1)将木质素纤维、碳纤维、粘胶纤维、羧甲基纤维素钠、二甲基硅油和硬脂酸甘油 酯混合搅拌均匀，升温至40-50°C，超声20-40min，得到混合填料；
[0032] (2)将双酚A型环氧树脂、羟乙基纤维素、桐油和聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯，混 合，在50-60 °C下，搅拌30-60min，加入步骤（1)得到的混合填料，继续搅拌1-2h，加入活性稀 释剂和固化剂，在800-1000W的功率下，超声l-3h，转移至模具，真空条件下除气泡，在150-200°C下，固化成型，得到木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料。
[0033]作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述超声的功率为1000W。
[0034]本发明具有以下有益效果：
[0035]木质素纤维的纤维微观结构是带状弯曲的，凹凸不平的，多孔的，交叉处是扁平 的，有良好的韧性、分散性和化学稳定性，有非常优秀的抗裂性能，其加入到碳纤维/环氧树 脂复合材料中，可以有效提高复合材料的耐裂纹性能和断裂韧性；
[0036]本发明采用的粘胶纤维具有高强力，可以有效提高复合材料的强度和抗冲击性 能，羧甲基纤维素钠的加入使得木质素纤维、粘胶纤维、碳纤维与树脂良好的相容性，从而 提尚复合材料的性能。
【具体实施方式】：
[0037] 为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解 释本发明，不会对本发明构成任何的限定。
[0038] 实施例1
[0039] -种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，以重量份计，包括以下组分：
[0040] 双酸A型环氧树脂50份，木质素纤维2份，
[0041 ]碳纤维5份，粘胶纤维3份，羧甲基纤维素钠2份，
[0042]羟乙基纤维素1份，桐油5份，二甲基硅油份，
[0043]硬脂酸甘油酯5份，聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯5份，
[0044] 固化剂3份，活性稀释剂3份。
[0045] 其制备方法包括以下步骤：
[0046] (1)将木质素纤维、碳纤维、粘胶纤维、羧甲基纤维素钠、二甲基硅油和硬脂酸甘油 酯混合搅拌均匀，升温至40°C，超声20min，得到混合填料；
[0047] (2)将双酚A型环氧树脂、羟乙基纤维素、桐油和聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯，混 合，在50°C下，搅拌30min，加入步骤（1)得到的混合填料，继续搅拌lh，加入活性稀释剂和固 化剂，在800W的功率下，超声lh，转移至模具，真空条件下除气泡，在150°C下，固化成型，得 到木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料。
[0048] 实施例2
[0049] -种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，以重量份计，包括以下组分：
[0050] 双酸A型环氧树脂80份，木质素纤维8份，
[0051 ]碳纤维10份，粘胶纤维6份，羧甲基纤维素钠5份，
[0052]羟乙基纤维素3份，桐油10份，二甲基硅油10份，
[0053]硬脂酸甘油酯15份，聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯10份，
[0054]固化剂6份，活性稀释剂8份。
[0055]其制备方法包括以下步骤：
[0056] (1)将木质素纤维、碳纤维、粘胶纤维、羧甲基纤维素钠、二甲基硅油和硬脂酸甘油 酯混合搅拌均匀，升温至50°C，超声40min，得到混合填料；
[0057] (2)将双酚A型环氧树脂、羟乙基纤维素、桐油和聚氧乙烯二甘油醇的硼酸酯，混 合，在60°C下，搅拌60min，加入步骤⑴得到的混合填料，继续搅拌2h，加入活性稀释剂和固 化剂，在1000W的功率下，超声3h，转移至模具，真空条件下除气泡，在200°C下，固化成型，得 到木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料。
[0058] 实施例3
[0059] -种木质素纤维改性碳纤维/环氧树脂复合材料，以重量份计，包括以下组分：
[0060] 双酸A型环氧树脂60份，木质素纤维3份，
[0061 ]碳纤维6份，粘胶纤维4份，羧甲基纤维素钠3份，
[0062] 羟乙基纤维素1.5份，桐油6份，二甲基硅油6份，
[0063]