[发明专利]一种树脂基纳米复合材料制备方法及装置

说明书

技术领域：

本发明涉及纤维增强树脂基纳米复合材料材料制备方法及装备，特别涉及连续纤维、无机纳米粒子预复合方法及装置。

发明背景：

纤维增强树脂基复合材料具有比强度和比刚度高、可设计性强、耐腐蚀性能好等优点，已在能源、国防、航空航天等领域得到了广泛应用。随着全球石油资源紧缺局面的加剧，对包括风能在内新能源的开发和利用已形成全球的共识。据预测，未来10年内，全球风能市场将保持每年20%的增长速度，到2020年风电装机总容量将达到80GW，单机容量也不断增大，叶片的长度将从20米左右发展到50米以上，传统纤维增强树脂基复合材料难以满足高强度高疲劳寿命和轻量化的要求。

纳米材料为传统树脂基复合材料的改性提供了新的思路。目前，连续纤维增强树脂基纳米复合材料制备方法主要有：将纳米粒子与树脂混和（如机械共混、超声分散、溶胶-凝胶等方式）后再与纤维进行复合的方法；化学气相沉积方法(CVD)；电泳沉积方法。将纳米粒子与树脂混和后再与纤维进行复合的方法是将纳米粒子预先与树脂共混，再通过液体注射制造复合材料。该方法工艺复杂，与无机纳米粒子共混后增加了树脂的粘度，延长了充模和浸润时间，在制备的复合材料中往往存在孔隙，且该方法无法精确控制纳米粒子的分散过程，很难实现其在树脂基体中的均匀分布，分散效果可重复性较差。化学气相沉积方法（CVD）是在金属催化剂的作用下将纳米材料沉积在纤维增强体上，然后再与树脂进行复合。该方法由于金属催化剂的存在使得纤维与树脂界面相容性较差，并且高温条件下纤维降解影响了复合材料的性能。电泳沉积方法是将纳米粒子在液体中带电，然后在电场作用下将其在基体上沉积。该方法制造成本低，被认为是最有工业化应用前景的方法之一，但由于该方法纳米材料的分散难以定量控制，且与树脂纤维界面相容性较差，目前尚未工业化应用。

发明内容：

本发明首次提出无机纳米粒子/连续纤维预复合制备高性能树脂基纳米复合材料的方法，即预复合方法，就是在制备不饱和聚酯树脂基玻璃钢制品中，对加入的改性材料（如纳米SiO₂、纳米OMMT、碳纤维等）进行预处理，使得不饱和聚酯树脂固化成型前纳米OMMT粉末均匀喷涂在玻璃纤维织布上，达到纳米粒子分散均匀的效果，且不增加树脂的粘度，以此深入探讨树脂基纳米复合材料的多层次结构及无机纳米粒子/连续纤维协同强韧化机理，以解决无机纳米粒子/连续纤维协同强韧化树脂基纳米复合材料的应用基础问题。

本发明专利设计了一种预复合装置，这套装置由导开装置1、纳米粒子喷射装置2、回收装置3、加热装置4和卷曲装置5组成。

导开装置1和卷曲装置5，经过喷涂完成的玻璃纤维布通过加热装置最后需要卷曲装置实现连续化操作。装置左端由滚筒连接有未经处理的玻璃纤维布，装置右端连有电机，通过电机带动皮带传动，这样就使的玻璃纤维布以恒定速度在装置右端卷曲，完成整个预复合喷粉处理。

纳米粒子喷射装置2, 在预复合装置中，根据喷枪的运行规则，在密闭喷粉装置中喷嘴固定不动，玻璃纤维布匀速运动。

回收装置3, 粉末涂料一般是在密闭或者半密闭空间内进行喷涂的，粉末的物理化学性能稳定，决定了粉末在喷涂过程中可以重复利用，是环境友好型涂料。喷粉室可定义为封闭或半封闭的、不易积聚粉末的、具有良好机械通风不外溢粉末的、并能有效地将未涂着粉末导入回收装置的专门用于粉末静电喷涂的室体或围护结构。

加热装置4, 喷涂完成的玻璃纤维布需要经过加热系统进行干燥处理，这样就会使OMMT粉末完全浸润到玻璃纤维布中，达到理想的喷涂效果。电加热方式比较灵活可以根据工件要求设置不同的电加热方式,本装置采用电热板加热。

本发明提出了一种制备树脂基纳米复合材料的新型方法和设备，这种方法及装备可不增加树脂的粘度，并将纳米材料均匀分散于树脂基体中，提高其力学性能、耐热性能和增加某些功能(如导电、导热等)，且与传统方法相比不增加树脂的粘度，有利于树脂的流动，从而可成型风力发电叶片、飞机蒙皮等大型结构件，该项目将材料科学和先进制造技术结合起来，促进了各相关学科的交叉和发展，为纳米材料的均匀分散、树脂基纳米复合材料的制备及应用提供了新的技术手段和理论基础，具有非常重要的理论意义和工程应用价值。