[发明专利]一种环氧树脂复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种环氧树脂复合材料及其制备方法，通过选用有机硅改性的腰果酚基环氧树脂和木质素基环氧树脂为树脂基体，并对其制备方法进行调整，同时添加了界面改性剂等辅助成分，提供了一种对碳纤维浸润性好、界面粘结强度高的环氧树脂复合材料，能够在低温或高温环境下保持良好的力学性能，同时，对碳纤维表面改性方法进行了调整，通过等离子体、硅烷偶联剂和硅溶胶预处理对碳纤维进行表面处理，极大的改善了碳纤维的表面状态，提高了碳纤维与树脂基体的界面强度以及环氧树脂复合材料的力学性能。

技术领域

本发明属于先进复合材料领域，特别涉及一种环氧树脂复合材料及其制备方法。

背景技术

环氧树脂/碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量及轻质化的特性，广泛应用于航空航天、交通运输、运动器材等领域，然而，碳纤维的表面呈惰性，石墨化程度较高，极性基团少，与环氧树脂的界面粘结强度低，无法得到充分的浸润；而且，碳纤维与环氧树脂的热膨胀系数存在差异，在高温或低温环境使用过程中容易导致碳纤维与环氧树脂的界面处出现脱粘和微裂纹，进而影响复合材料的力学性能。

目前，通常采用氧化法、等离子处理、涂覆上浆处理或化学接枝等方法对碳纤维的表面进行改性，增加碳纤维表面的粗糙度或活性基团，提高与环氧树脂的界面粘结强度。然而，氧化法或等离子法处理容易导致碳纤维出现机械损伤，破坏其力学性能；涂覆上浆法在使用时需要先经过脱浆处理，工艺复杂，易破坏其力学性能；化学接枝法工艺复杂，接枝率低，对提高界面粘结强度的改进程度有限。

一般来说，环氧树脂复合材料的力学性能不仅受环氧树脂与碳纤维界面粘结性能的影响，还与环氧树脂的种类，以及环氧树脂的固化体系密切相关。热固性的双酚A或F型环氧树脂与碳纤维的浸润性差，固化后脆性大，使得环氧树脂复合材料的特性难以充分发挥，限制了其应用领域；同时，现有环氧树脂/碳纤维基复合材料制作工艺还不够完善，普遍存在复合材料韧性差、界面剪切强度较低的问题。

因此，开发一种对碳纤维浸润性好、界面粘结强度高的环氧树脂复合材料对本领域技术人员来说是亟需解决的热点问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明提供一种环氧树脂复合材料及其制备方法，通过对环氧树脂及其固化剂种类的选择，以及对碳纤维表面改性方法的优化，得到了一种对碳纤维浸润性好、界面粘结强度高的环氧树脂复合材料，能够在低温或高温环境下保持良好的力学性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案，一种环氧树脂复合材料，包括重量比为2-3:2-3的环氧树脂基体和碳纤维，其中，所述环氧树脂基体包括以下重量份的原料：

有机硅改性的腰果酚基环氧树脂50-100份，木质素基环氧树脂20-50份，界面改性剂2-5份，活性稀释剂20-30份，固化剂10-15份，溶剂40-60份。

所述有机硅改性的腰果酚基环氧树脂的环氧当量为300-450g/eq，由以下制备方法制备而成：

(1)将式(I)结构的腰果酚与环氧氯丙烷按照重量比1:10-15混合均匀后，升温至100-120℃加入季铵盐作为催化剂反应6-10h后，降温至50-60℃后继续加入氢氧化钠，所述氢氧化钠的加入量为腰果酚重量的3-5倍，保温反应3-5h后，水洗至中性，经减压蒸馏得到式(II)结构的物质；

(2)将式(II)结构的物质与含氢硅油按照重量比1:1-2混合均匀后，升温至100-120℃后，加入氯铂酸异丙醇溶液作为催化剂，反应4-6h后结束反应，减压蒸馏得到中间体A；

(3)将中间体A与溶剂B按照重量比1:5-10混合均匀后，在5-10℃下加入过氧化物，用量是中间体A重量的3-5倍，保温反应20-30min后，缓慢升温至40-50℃继续反应3-5h后冷却至室温，过滤后将滤液水性至中性，减压蒸馏得到有机硅改性的腰果酚基环氧树脂。