低成本、大丝束48K碳纤维预浸布及其复合材料的制造方法技术

本发明专利技术公开了一种低成本、大丝束48K碳纤维预浸布及其复合材料的制造方法，本发明专利技术采用树脂体系复合配方和浸渍‑滚压双配置法，降低应用树脂体系粘度和提高浸润效果，解决了纤维束树脂含量低、挥发分含量高、树脂含量不可控等技术难题；本发明专利技术同时提供一种48K大丝束碳纤维环氧树脂预浸布制备方法，经成型后得到低成本、高性能、适用于各工业领域大规模应用的环氧树脂碳纤维预浸料及其复合材料，大大降低了复合材料制造成本，拓展了碳纤维的应用形式和应用范围，提高生产效率、工艺和制品稳定性，可实现制品的大尺寸化、多样化和结构复杂化，为交通运输、工程机械、建筑工程和能源等领域应用提供低成本碳纤维原料。

Low cost, large tow 48K carbon fiber prepreg and method for making composite material

The invention discloses a method for manufacturing the low cost, 48K large tow carbon fiber prepreg and composite materials, the invention adopts resin compound formula and impregnation rolling double collocation method, reduce the viscosity of the system and improve the application of resin infiltration effect, solves the fiber resin containing low content, high volatile content, resin the content is not controllable technical problems; the invention also provides a large tow carbon fiber 48K epoxy resin prepreg preparation method, low cost, high performance, obtained by molding after application of epoxy resin carbon fiber pre in various industrial fields for large-scale application of prepreg and composite materials, greatly reduce the cost of manufacturing composite materials. To extend the application form and application of carbon fiber, improve production efficiency, process and product stability, can realize the products of large size, diversity and complexity of structure, Low cost carbon fiber material for transportation, construction machinery, building engineering and energy applications.

【技术实现步骤摘要】
低成本、大丝束48K碳纤维预浸布及其复合材料的制造方法
本专利技术属于高性能纤维复合材料制造
，具体涉及一种低成本、大丝束48K聚丙烯腈基碳纤维预浸布及其复合材料的制造方法。
技术介绍
碳纤维(carbonfiber)，属于高性能新型纤维材料，质量比金属铝轻，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000～43000MPa亦高于钢。碳纤维同时具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。碳纤维根据产品的规格不同，碳纤维目前被划分为宇航级和工业级两类，亦称为小丝束碳纤维和大丝束碳纤维。通常把48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括48K、60K、120K、360K和480K等。小丝束碳纤维初期以1K、3K、6K为主，逐渐发展为12K和24K。2011年以来，世界碳纤维消费主要集中在航空航天、工业应用和体育休闲品等三大领域，分别占总消费量15％、65％和20％，其中工业应用主要集中于风力发电、模压料两大领域。随着交通运输、工程机械、建筑工程和能源等领域对碳纤维复合材料需求的增加，工业领域将继续保持其碳纤维应用最大市场的地位。大丝束碳纤维具有成本低、性能高等优势，广泛用于基础设施、汽车工业、能源开发等工业与民用领域。目前欧美等国已在工业多个领域取代小丝束碳纤维获得成功，发展迅速。然而，国内碳纤维产品主要是T300、T700级小丝束，大丝束碳纤维市场供需矛盾尤为突出，建筑补强领域应用的大丝束碳纤维全部依赖进口，大丝束碳纤维及预浸布制造技术更是亟需创新，发展具有自主知识产权的复合制品生产技术，用我国自己生产的碳纤维复合制品研制并开发出成本较低、质量稳定、性能优异、赶上或超过世界先进水平的碳纤维复合材料，以满足国防、高技术和民用产品市场对碳纤维复合材料不断增长的需求。目前国内外热固性树脂基体碳纤维预浸料的生产主要为两种工艺：溶液浸渍法和热熔法。溶液浸渍法的优点是增强材料容易被树脂基体浸透；可以制造薄型预浸料，也可制造厚型预浸料；设备造价相对较低。缺点是需要干燥炉除去溶剂或进行溶剂回收。处理不当会引起燃烧或引起环境污染；预浸料往往残留一定量的溶剂，成型时易形成空隙，影响复合材料性能。热熔浸渍法的优点是工艺过程线速度大、效率高；树脂含量容易控制；没有溶剂，预浸料挥发分含量低，工艺安全；不需要干燥炉、减少了环境污染；制膜和浸渍过程可以分步进行，减少了材料特别是昂贵增强材料的损失；且这种工艺预浸料的外观质量也较好。缺点是厚度大的预浸料特别是织物难于浸透，高粘度的树脂难于浸渍、离型纸和PE膜用量较大。这两种工艺方法各有利弊，互为补充，未来这两种生产工艺将会同时存在，以适应不同需求。中国专利CN201110005086.3中公开一种碳纳米管及功能化碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备方法。此专利技术将碳纳米管经过羧基化功能化后,在碳纳米管上引入二元胺或多元胺，得到表面胺基化的碳纳米管；将胺基化的碳纳米管与表面经过羧基化的碳纤维反应，得到胺基化的碳纤维表面接枝有碳纳米管，在碳纤维表面引入二元胺或多元胺，使碳纤维表面未完全与胺基化的碳纳米管反应的羧基充分胺基化，将碳纤维与环氧树脂预聚合反应，得到功能化的碳纤维表面接枝有环氧树脂的增强体；将胺基化的碳纳米管与环氧树脂反应，获得碳纳米管强韧化的环氧树脂的基体；将得到的功能化碳纤维表面接枝有环氧树脂的增强体和碳纳米管强韧化的环氧树脂的基体复合，得到所需产品。此专利技术反应步骤简单，利用碳纳米管的强度和韧性强韧化碳纤维和基体树脂，改善碳纤维与树脂基体的粘结性能，提高复合材料的界面粘结强度，从而提高复合材料的整体性能。中国专利CN201010184682.8中公开中空碳纤维布环氧树脂复合材料及其制备方法，它涉及碳纤维环氧树脂复合材料及其制备方法。此专利技术将尿素和乙二醇放入石墨坩埚中，然后在气氛烧结炉中制成中空碳纤维布；然后将中空碳纤维布浸渍在由双酚A型环氧树脂、丙酮和二乙烯三胺组成的环氧树脂胶中，取出后经压制和真空干燥后，得到中空碳纤维布环氧树脂复合材料。此专利技术解决了现有的碳纤维环氧树脂复合材料密度大及碳纤维环氧树脂复合材料的过程中需要首先要对碳纤维进行复杂的改性的问题。
技术实现思路
为了克服限制碳纤维工业领域大规模应用的高成本问题、产品质量稳定性和结构单一问题，本专利技术的目的是提供一种采用环氧树脂预浸48K大丝束碳纤维，同时利用自主环氧树脂预浸布配方组成，克服了挥发分含量多问题，得到低成本、高性能，适用于各工业领域大规模应用的环氧树脂碳纤维预浸料及其复合材料，该复合材料利用热压罐法和预成型件真空辅助成型工艺形式实现，相比传统模压工艺，大大拓展了碳纤维的应用形式和应用范围，提高生产效率、尺寸稳定性好，大大降低了复合材料制造成本，实现了制品的大尺寸化、多样化和结构复杂化。本专利技术的方法包括以下步骤：步骤一：配置适合于48K大丝束碳纤维真空辅助成型用环氧树脂体系组合物，具体为环氧树脂组合物包含A组份和B组份，配方按如下重量份配置：A组份环氧树脂70-100phr、稀释剂0-30phr、消泡剂0-5phr、偶联剂0-3phr、抗氧化剂0-5phr；B组分固化剂10-50phr。步骤二：碳纤维增强织物均为48K大丝束碳纤维连续纤维毡、纤维布、无皱折织物、三维针织物或三维编织物；由于碳纤维上浆剂的存在会导致树脂与纤维的界面受到严重的影响，将导致制品内产生空隙和裂痕，影响复合材料的性能，采用常温减压阴干的方法去除织物中的有机溶剂，使得溶剂去除率高，削弱固化成型时的空隙和裂痕的产生。步骤三：采用浸渍-滚压双配置法，将48K碳纤维织物在T0和T90方向施加10～20N牵伸力，浸渍到优配环氧树脂体系组合物胶液中10min～15min后，置于双混炼胶机上微热滚压，微热温度为35～50℃，反复微热滚压后贴膜制得浸润程度高的48K碳纤维/环氧树脂预浸布；所述的优配环氧树脂体系组合物胶液的重量份配比是80份E51型环氧树脂、14份1,4丁二醇二缩水甘油醚、2份3-缩水甘油醚丙氧基三乙氧基硅烷，1份亚磷酸三丁酯和12份异二乙烯三胺为固化剂；步骤四：成型工艺采用热压罐成型，或直接利用步骤二制造的48K织物进行真空辅助成型，将模具清洗干净，涂抹封孔剂、脱模剂后待用，将预浸布剪掉毛边，按模具尺寸裁成小块；按设计在模具内铺放预浸布，成型后进行后固化，脱模，对碳纤维复合材料制品进行修剪，制得目标产品。优选的是，所述步骤一中环氧树脂组合物A组份配方按重量份配置为环氧树脂70～100phr、稀释剂0～30phr、消泡剂0～5phr、偶联剂0～3phr、抗氧化剂0～5phr；环氧树脂组合物A：B组分固化剂按重量份配比为90～50phr：10～50phr。优选的是，所述的步骤一的环氧树脂为双酚型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、对氨基苯酚环氧树脂、邻甲酚型环氧树脂、酚醛型环氧树脂和多官能度环氧树脂的一种或多种组合。优选的是，所述的稀释剂为：丁基缩水甘油醚、叔丁基酚缩水甘油醚、1,4丁二醇二缩水甘本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低成本、大丝束48K碳纤维预浸布及其复合材料的制造方法，该方法包括以下步骤：步骤一：配置适合于48K大丝束碳纤维真空辅助成型用环氧树脂体系组合物，具体为环氧树脂组合物包含A组份和B组份，配方按如下重量份配置：A组份环氧树脂70‑100phr、稀释剂0‑30phr、消泡剂0‑5phr、偶联剂0‑3phr、抗氧化剂0‑5phr；B组分固化剂10‑50phr。步骤二：碳纤维增强织物均为48K大丝束碳纤维连续纤维毡、纤维布、无皱折织物、三维针织物或三维编织物；由于碳纤维上浆剂的存在会导致树脂与纤维的界面受到严重的影响，将导致制品内产生空隙和裂痕，影响复合材料的性能，采用常温减压阴干的方法去除织物中的有机溶剂，使得溶剂去除率高，削弱固化成型时的空隙和裂痕的产生。步骤三：采用浸渍‑滚压双配置法，将48K碳纤维织物在T

【技术特征摘要】
1.一种低成本、大丝束48K碳纤维预浸布及其复合材料的制造方法，该方法包括以下步骤：步骤一：配置适合于48K大丝束碳纤维真空辅助成型用环氧树脂体系组合物，具体为环氧树脂组合物包含A组份和B组份，配方按如下重量份配置：A组份环氧树脂70-100phr、稀释剂0-30phr、消泡剂0-5phr、偶联剂0-3phr、抗氧化剂0-5phr；B组分固化剂10-50phr。步骤二：碳纤维增强织物均为48K大丝束碳纤维连续纤维毡、纤维布、无皱折织物、三维针织物或三维编织物；由于碳纤维上浆剂的存在会导致树脂与纤维的界面受到严重的影响，将导致制品内产生空隙和裂痕，影响复合材料的性能，采用常温减压阴干的方法去除织物中的有机溶剂，使得溶剂去除率高，削弱固化成型时的空隙和裂痕的产生。步骤三：采用浸渍-滚压双配置法，将48K碳纤维织物在T0和T90方向施加10～20N牵伸力，浸渍到优配环氧树脂体系组合物胶液中10min～15min后，置于双混炼胶机上微热滚压，微热温度为35～50℃，反复微热滚压后贴膜制得浸润程度高的48K碳纤维/环氧树脂预浸布；所述的优配环氧树脂体系组合物胶液的重量份配比是80份E51型环氧树脂、14份1,4丁二醇二缩水甘油醚、2份3-缩水甘油醚丙氧基三乙氧基硅烷，1份亚磷酸三丁酯和12份异二乙烯三胺为固化剂；步骤四：成型工艺采用热压罐成型，或直接利用步骤二制造的48K织物进行真空辅助成型，将模具清洗干净，涂抹封孔剂、脱模剂后待用，将预浸布剪掉毛边，按模具尺寸裁成小块；按设计在模具内铺放预浸布，成型后进行后固化，脱模，对碳纤维复合材料制品进行修剪，制得目标产品。2.根据权利要求1所述的一种低成本、大丝束48K碳纤维预浸布及其复合材料的制造方法，其特征在于：所述步骤一中，环氧树脂组合物A组份配方按重量份配置为环氧树脂70～100phr、稀释剂0～30phr、消泡剂0～5phr、偶联剂0～3phr、抗氧化剂0～5phr；环氧树脂组合物A：B组分固化剂按重量份配比为90～50phr：10～50phr。3.根据权利要求1所述的一种低成本、大丝束48K碳纤维预浸布及其复合材料的制造方法，其特征在于：所述的步骤一中，环氧树脂为双酚型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、对氨基苯酚环氧树脂、邻...

【专利技术属性】
技术研发人员：敖玉辉，尚垒，孙立浩，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22