[发明专利]一种经界面改性制备碳纤维复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，尤其是一种经界面改性制备碳纤维复合材料的方法。

背景技术

碳纤维绝大多数是以复合材料的形式使用，其中以碳纤维增强树脂基复合材料为主。

目前国内生产和使用最为广泛的碳纤维复合材料一种是以环氧树脂为基体，另一种是以环氧乙烯基酯树脂为基体。环氧乙烯基酯树脂结合了环氧树脂和不饱和聚酯树脂的优点，具有高强度、优异的耐化学腐蚀和良好的工艺性能。但是碳纤维增强乙烯基酯复合材料的界面结合性能较差，抗弯、抗层间剪切强度较低，主要原因是：碳纤维表面活性官能团少，而且生产商为了提高碳纤维的拉伸强度要求尽可能减少其表面缺陷，造成碳纤维的比表面积较小，这样的表面属性使得碳纤维与树脂基体之间的结合较弱，限制了碳纤维高性能的发挥。

为了改善纤维的浸润性及与树脂的结合能力，有在碳纤维表面涂覆一层上浆剂，上浆剂分为两种类型，一类为通用型上浆剂，多为环氧树脂的乳化液，另一类为功能型上浆剂，这两类上浆剂不仅不能改善碳纤维增强环氧乙烯基酯树脂复合材料的界面性能，反而起到界面阻隔作用，使复合材料界面性能难以提高。

美国专利US 4832932公开了一种碳纤维氧化处理方式，将碳纤维纱束放入200℃的臭氧浓度为1.8vol％的空气气氛中氧化3min后，将其浸没在浴比为1/20的沸水浴中，通过改变不同的浸没时间，提高了碳纤维表面的含氧基团的浓度，改性后的碳纤维与各种基体树脂均有很好的亲和性，与树脂复合成型后具有优良的抗冲击性能。

中国专利CN 1850903A公开了一种提高碳纤维环氧树脂复合材料界面的方法，通过在惰性气氛中对碳纤维织物进行高能辐照并与丙烯酸进行接枝反应，增加了碳纤维与树脂基体的浸润性，并且相对于未改性复合材料其层间剪切强度提高了5～19％，弯曲强度提高了3～16％。

中国专利公开号为CN 1730743A针对碳纤维聚芳基乙炔硅树脂复合材料公开了一种碳纤维改性涂层的制备方法，利用有机溶剂除去纤维表面原有浆层，随后在碳纤维表面引入和树脂结构相匹配的官能团，模压制得复合材料，相比于未改性碳纤维复合材料的层间剪切强度可以提高25～34％。

上述发明主要采用氧化、辐照等方式对碳纤维表面改性，较少涉及树脂改性，这样的处理效果不稳定，容易受到空气中水分、灰尘等的影响，并随着时间的推移大幅衰减。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种经界面改性制备碳纤维复合材料的方法，该方法采取双偶联剂进行改性，即对碳纤维进行改性又对环氧乙烯基酯树脂进行改性，进一步提高改性碳纤维与环氧乙烯基酯树脂界面的结合强度，工艺简便，成本低廉。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种经界面改性制备碳纤维复合材料的方法，碳纤维或是单向布、或是多轴向布，或是平纹布，或是斜纹布，或是缎纹布；该方法包括对碳纤维的氧化处理、配置偶联剂溶液、改性碳纤维、烘燥、配置改性环氧乙烯基酯树脂、制备碳纤维复合材料，对碳纤维的氧化处理使用到高温箱式炉，烘燥使用到干燥箱，制备碳纤维复合材料使用到真空辅助树脂注射成型工艺、模压成型工艺或是树脂传递模塑成型工艺，本发明的特征如下：

一、对碳纤维的氧化处理：

将碳纤维放入高温箱式炉中并在氧化气氛下进行氧化处理，氧化气氛或为空气，或为氮气，或为臭氧，或为二氧化碳，高温箱式炉的炉温控制在400℃，氧化处理的时间控制在1min～1h；

二、配置偶联剂溶液：

偶联剂或采用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，或采用钛酸酯偶联剂；γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷的分子式是CH₂-CH(O)CH₂-O(CH₂)₃Si(OCH₃)₃，γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷或为KH-560，或为A-187，或为Z-6040，或为KBM-403；钛酸酯偶联剂的分子通式是RO_(4-n)Ti(OX-R’Y)_n，其中RO是可水解的短链硅氧烷基，OX是较长链的酰氧基或烷氧基，R’是长碳键烷羟基，Y是钛酸酯较长链末端，n＝1,2，3；钛酸酯偶联剂或为NDZ-105，或为KR-TTS；