[发明专利]一种纤维表面处理方法及纤维增强复合材料和复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维表面处理方法及其复合材料，特别是一种主链由硅氧键结合构成的有机硅聚合物用于纤维表面处理的工艺及其增强有机无机复合基体材料。

背景技术

纤维增强复合材料广泛应用于国防和国民经济的诸多领域。环氧树脂、硅树脂、尼龙等树脂基体耐热性差，引燃温度低，燃烧发烟严重，经过碳纤维、石英纤维、玻璃纤维和碳化硅纤维等纤维增强后，复合材料虽然力学强度有所提升，但耐热性和易燃烧等问题依然存在。

各树脂基体中，酚醛树脂价格便宜、原料易得，机械强度和电绝缘性能优良，典型的应用例子包括电绝缘部件、摩擦离合器片和滤纸等。在高压绝缘电气行业中，酚醛树脂经受短路，受电击炭化，短时间低温下不燃烧，甚至能经受瞬间电弧的高电压冲击。

纤维增强酚醛树脂复合材料需要经过纤维表面处理，在纤维-基体的交界处形成合适的界面层后，才能够大幅度提高材料的力学性能。因此，纤维拉丝成型与后续编织以及复合材料成型过程往往进行各种表面处理。例如，玻璃纤维需要在拉丝时涂覆一定的保护材料，以满足拉丝和后续生产要求，并最终满足增强材料的力学性能和工艺要求。玻璃纤维、石英纤维、碳纤维和碳化硅纤维等在编织时使用浸润剂，减少编制过程中的物理和化学损伤。在纤维与基体间形成的界面层还能够调控纤维-基体之间的润湿、粘结、润滑、抗静电等性能，起传递载荷、阻止裂纹越过增强体进行扩展、缓解残余热应力、阻挡基体和增强体间元素的相互扩散、溶解或有害化学反应等多种作用，深刻影响复合材料的制备技术和服役性能。

界面改性的方法包括：在基体中添加某些组分；在复合材料制备过程中，在纤维表面原位形成富碳层；纤维表面涂层。针对纤维增强聚合物基体，硅烷类偶联剂和环氧类树脂是常用的纤维表面或界面改性剂，可以利用热交联或化学交联的方法制备复合材料。这类复合材料的耐热温度由纤维和基体树脂的耐热温度控制。

现有公开报导的文献和酚醛聚合物基产品存在的突出问题是，在雷击和系统高电压电弧等诱发的瞬间高温(比如600℃左右)作用下，仍然会燃烧，产生明火，导致阻燃性能丧失；纤维-基体的界面层设计不合理，材料韧性和变形性能无法大幅度提高。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种纤维表面处理方法、纤维增强复合材料和复合材料的制备方法，以解决复合材料阻燃性能、韧性和变形性能和耐热性能差的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种纤维表面处理方法，包括如下步骤：

步骤一：将有机硅聚合物溶解、稀释，搅拌均匀，制备得到表面处理溶液；

步骤二：将纤维放入上述步骤得到的表面处理溶液中，搅拌、静置20-300分钟后，取出纤维；

步骤三：采用热交联或/和化学交联的方法使纤维表面与有机硅聚合物固化交联。

进一步的，所述有机硅聚合物的主链由硅氧键结合构成，侧链包含一种或多种取代基，其中取代基为甲基、苯基、乙烯基。本发明采用的典型原材料是聚硅氧烷。原料形态可以是固体，也可以是液态，固态原料需要溶解于合适溶剂，如苯类、酮类、醇类、酯类溶剂。

进一步的，所述纤维的形态为连续纤维丝、纤维多维编制体或短切纤维。所述纤维是工业上常见的增强用纤维材料，如碳纤维、玻璃纤维、石英纤维、碳化硅纤维等，纤维种类无特别限制。

进一步的，固化后的纤维的表面层厚度为0.35-0.45微米。过厚不仅浪费原料，而且会降低纤维的阻燃性能、影响与基体的复合粘结性能；过薄则起不到界面层的传递载荷、阻止裂纹脆性扩展、阻挡基体和增强体间的有害元素或物质扩散的作用。增厚程度可以通过处理原料的浓度加以控制，所属领域的技术人员熟知的常规方法是调整溶剂量。

进一步的，有机硅聚合物的浓度可以适当增减，以便改变处理液流动性，控制纤维表面处理质量和表面层厚度。

进一步的，根据溶剂种类和润湿性、纤维量和纤维编织形式，可以采用自然浸渍，也可以利用减压或加压浸渍，加速处理液对纤维束或纤维预制体的渗透，实现纤维丝四周的处理液完整覆盖。

表面处理的固化交联方法可以采用热交联，即对浸制的纤维进行烘干、加热固化处理，也可以采用化学交联固化，常用的化学交联剂是硅烷偶联剂，或者两种交联固化方法并用。

进一步的，所述的热交联方法是：将纤维放入烘箱中，在100℃的条件下保温1-5h；将经过上述步骤处理的纤维升温至200℃，并保温30分钟-3h，至树脂完全固化。