一种碳纤维增强材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纤维增强材料，所述碳纤维增强材料包括如下组分：改性碳纤维5‑15重量份、含硫的反应性磷腈化合物2‑10重量份、酚醛树脂50‑70重量份、催化剂1‑5重量份、填料20～50重量份、固化剂10～15重量份、偶联剂1～5重量份；其中酚醛树脂以醛和酚的单体形式加入，且甲醛和酚的摩尔比≥1.6，且所述催化剂为碱性催化剂；所述改性碳纤维是经氧化剂氧化和偶联剂偶联后的碳纤维。本发明专利技术所述改性碳纤维和加入的含硫的反应性磷腈化合物均具有反应性基团，能够与酚醛树脂的分子量接枝，相容性好，在提高酚醛树脂强度和阻燃性的同时，对其机械加工性、柔韧性和电性没有影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于碳纤维增强材料
，具体涉及一种碳纤维增强材料及其制备方法，尤其涉及一种碳纤维增强的酚醛树脂材料及其制备方法。
技术介绍
酚醛树脂(PF)原材料来源丰富，价格低廉，生产工艺简单，具有优异的机械性能、耐热性、电绝缘性、尺寸稳定性、成型加工性以及阻燃性，制品尺寸稳定性佳、电绝缘性能优良、发烟少，已成为工业部门不可缺少的材料，在汽车、家电、电子电气、钢铁和住宅等相关产业中得到非常广泛的应用。酚醛树脂作为基体树脂用于制备酚醛模塑料(酚醛树脂复合材料)是酚醛树脂的重要应用领域，占总用量的20％以上。酚醛模塑料由于具有良好的耐热、电绝缘、尺寸稳定、耐腐蚀等性能，应用广泛。对于酚醛树脂在燃烧时释放出大量烟雾和有毒的、腐蚀性的气体是火灾中的危险因素，妨碍了人们安全撤离和灭火工作，使生命财产遭到严重损失。但是向酚醛树脂中加入氢氧化铝水合物、氢氧化镁水合物等含有结晶水的金属氢氧化物等无机阻燃物质，以及向材料体系中添加溴化双酚A、溴化双酚A型环氧树脂等卤素含量比较高的有机阻燃物质的方法，使产品达到所要求的阻燃性能或等级。为了提高这些含有卤素的有机化学物质的阻燃性，还常常向体系中加入如三氧化二锑等对环境不友好的无机阻燃物质。含卤素的阻燃物质在燃烧时会产生无降解性或难降解的有毒物质(如二恶英类有机卤素化学物质)，污染环境、影响人类及动物健康。现有技术的材料中因添加有机磷酸酯和/或磷氮膨胀型阻燃体系，导致材料机械性能大幅下降，阻燃等级低，耐温等级低等缺点。对于现有技术加入阻燃剂，由于与酚醛树脂基体相容性差，导致其强度降低，现有技术还会考虑向其中加入碳纤维材料提高酚醛树脂的强度，但同样因为相容性问题导致柔性和机械性能下降。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种碳纤维增强材料，所述碳纤维增强材料包括如下组分：改性碳纤维 5-15重量份含硫的反应性磷腈化合物 2-10重量份酚醛树脂 50-70重量份催化剂 1-5重量份填料 20～50重量份固化剂 10～15重量份偶联剂 1～5重量份；其中酚醛树脂以醛和酚的单体形式加入，且甲醛和酚的摩尔比≥1.6，且所述催化剂为碱性催化剂；所述改性碳纤维是经氧化剂氧化和偶联剂偶联后的碳纤维。优选地，所述含硫的反应性磷腈化合物具有如式(Ⅰ)所示的分子结构：式(Ⅰ)中，R2表示任意的有机基团，Z为惰性亲核基团，R为活性亲核基团，M为环三磷腈基M1、环四以上磷腈基M2或非环状聚磷腈基M3中的一种及其任意组合；a为大于等于零的整数，b和c均为大于等于1的整数，a、b和c三者之和为M中磷原子个数的2倍。优选地，R2表示取代或未取代的直链烷基或支链烷基、取代或未取代的环烷基、取代或未取代的芳烷基、取代或未取代的芳基或取代或未取代的杂芳基中的任意一种或其至少两种的组合；优选地，Z选自-OR14、-SR15、-C≡C-R6、-O-NO2、-I或中的任意一种或者至少两种的组合；其中，R14、R15、R3、R4、R5、R6、R13、R16、R11和R12均独立地为取代或未取代的直链烷基或支链烷基、取代或未取代的环烷基、取代或未取代的芳烷基、取代或未取代的烷氧基、取代或未取代的烷基硫基、取代或未取代的环烷氧基、取代或未取代的芳烷氧基、取代或未取代的烷基芳氧基、取代或未取代的碳酸酯基、取代或未取代的磺酸酯基、取代或未取代的膦酸酯基、取代或未取代的芳基或取代或未取代的杂芳基中的任意一种；优选地，所述R选自-O-R20-OH、-O-R21-SH、-O-R22-NH-R23、-S-R24-OH、-S-R26-SH、-S-R28-NH-R29或中的任意一种或者至少两种的组合，优选-O-R20-OH；其中，R20、R21、R22、R24、R25、R26、R27、R28和R30均独立地为取代或未取代的直链烷基或支链烷基、取代或未取代的环烷基、取代或未取代的芳烷基、取代或未取代的烷氧基、取代或未取代的烷基硫基、取代或未取代的环烷氧基、取代或未取代的芳烷氧基、取代或未取代的烷基芳氧基、取代或未取代的碳酸酯基、取代或未取代的磺酸酯基、取代或未取代的膦酸酯基、取代或未取代的芳基或取代或未取代的杂芳基中的任意一种，R23、R29和R31均独立地为氢原子、取代或未取代的直链烷基或支链烷基、取代或未取代的环烷基、取代或未取代的芳烷基、取代或未取代的烷氧基、取代或未取代的烷基硫基、取代或未取代的环烷氧基、取代或未取代的芳烷氧基、取代或未取代的烷基芳氧基、取代或未取代的碳酸酯基、取代或未取代的磺酸酯基、取代或未取代的膦酸酯基、取代或未取代的芳基或取代或未取代的杂芳基中的任意一种；R20优选为取代或非取代的苯环、稠芳环或多芳环，进一步优选为联二苯环，进一步优选为优选地，M1结构为：M2结构为：其中，x大于等于4；M3结构为：其中，y大于等于3。应当交代的是，在M1和M2结构式的表示中，所出现符号仅仅是对“环状”结构的一种示意。M1、M2和M3中中P原子上连接的键仅代表三者中取代基取代发生在P原子上，不可理解为甲基的表示。在本专利技术的阻燃化合物中，应该理解的是，与M连接的基团是连接在M的磷原子上，即M1、M2和M3结构中的磷原子上的侧基。进一步说明的是，M1、M2和M3结构中P原子上所出现的两个单键不可理解为两个甲基，该两个单键仅仅表示M1、M2和M3通过P原子连接侧基。M可以连接相同位置的磷原子，也可以连接不同位置的磷原子。优选地，M包含至少50wt％的环三磷腈基M1、至多48wt％的环四以上磷腈基M2以及至多48wt％的非环状聚磷腈基M3。在本专利技术中，M1含量至少为50wt％，即M1含量可以为50wt～100wt％，M1为主体成分。当M1含量为100wt％时，则不含有M2和M3。本专利技术典型但非限制性的M1的含量可以为50wt％、51wt％、55wt％、58wt％、60wt％、65wt％、70wt％、74wt％、75wt％、80wt％、85wt％、90wt％、92wt％、95wt％、98wt％或100wt％。在本专利技术中，M2含量至多为48wt％，即指，M2含量可以为0～48wt％。当M2含量为0wt％时，即指，不含有M2。本专利技术典型但非限制性的M2含量可以为0wt％、2wt％、5wt％、8wt％、11wt％、14wt％、17wt％、20wt％、23wt％、26wt％、29wt％、32wt％、35wt％、38wt％、42wt％、45wt％或48wt％。在本专利技术中，M3含量至多为48wt％，即指，M3含量可以为0～48wt％。当M3含量为0wt％时，即指，不含有M3。本专利技术典型但非限制性的M3含量可以为0wt％、2wt％、5wt％、8wt％、11wt％、14wt％、17wt％、20wt％、23wt％、26wt％、29wt％、32wt％、35wt％、38wt％、42wt％、45wt％或48wt％。在本专利技术中，若M1含量小于50wt％，或者M2多于48wt％，则与环氧树脂反应后的生成物在使用中均会损害耐热性、耐水性和机械性能。若M3含量大于48％，则与环氧树脂反应后的生成物在使用中将有可能因粘度过大而导致使用不便，以及因分子量过大而使其性能受到损害等不良结果。本专利技术所使用的术语“取代的”是指指定原子上的任何一个或多个氢原子被选自指定组的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纤维增强材料，其特征在于，所述碳纤维增强材料包括如下组分：改性碳纤维              5‑15重量份含硫的反应性磷腈化合物  2‑10重量份酚醛树脂                50‑70重量份催化剂                  1‑5重量份填料                    20～50重量份固化剂                  10～15重量份偶联剂                  1～5重量份；其中酚醛树脂以醛和酚的单体形式加入，且甲醛和酚的摩尔比≥1.6，且所述催化剂为碱性催化剂；所述改性碳纤维是经氧化剂氧化和偶联剂偶联后的碳纤维。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增强材料，其特征在于，所述碳纤维增强材料包括如下组分：改性碳纤维 5-15重量份含硫的反应性磷腈化合物 2-10重量份酚醛树脂 50-70重量份催化剂 1-5重量份填料 20～50重量份固化剂 10～15重量份偶联剂 1～5重量份；其中酚醛树脂以醛和酚的单体形式加入，且甲醛和酚的摩尔比≥1.6，且所述催化剂为碱性催化剂；所述改性碳纤维是经氧化剂氧化和偶联剂偶联后的碳纤维。2.如权利要求1所述的碳纤维增强材料，其特征在于，所述含硫的反应性磷腈化合物具有如式(Ⅰ)所示的分子结构：式(Ⅰ)中，R2表示任意的有机基团，Z为惰性亲核基团，R为活性亲核基团，M为环三磷腈基M1、环四以上磷腈基M2或非环状聚磷腈基M3中的一种及其任意组合；a为大于等于零的整数，b和c均为大于等于1的整数，a、b和c三者之和为M中磷原子个数的2倍。3.如权利要求2所述的碳纤维增强材料，其特征在于，R2表示取代或未取代的直链烷基或支链烷基、取代或未取代的环烷基、取代或未取代的芳烷基、取代或未取代的芳基或取代或未取代的杂芳基中的任意一种或其至少两种的组合；优选地，Z选自-OR14、-SR15、-C≡C-R6、-O-NO2、-I或中的任意一种或者至少两种的组合；其中，R14、R15、R3、R4、R5、R6、R13、R16、R11和R12均独立地为取代或未取代的直链烷基或支链烷基、取代或未取代的环烷基、取代或未取代的芳烷基、取代或未取代的烷氧基、取代或未取代的烷基硫基、取代或未取代的环烷氧基、取代或未取代的芳烷氧基、取代或未取代的烷基芳氧基、取代或未取代的碳酸酯基、取代或未取代的磺酸酯基、取代或未取代的膦酸酯基、取代或未取代的芳基或取代或未取代的杂芳基中的任意一种；优选地，所述R选自-O-R20-OH、-O-R21-SH、-O-R22-NH-R23、-S-R24-OH、-S-R26-SH、-S-R28-NH-R29或中的任意一种或者至少两种的组合，优选-O-R20-OH；其中，R20、R21、R22、R24、R25、R26、R27、R28和R30均独立地为取代或未取代的直链烷基或支链烷基、取代或未取代的环烷基、取代或未取代的芳烷基、取代或未取代的烷氧基、取代或未取代的烷基硫基、取代或未取代的环烷氧基、取代或未取代的芳烷氧基、取代或未取代的烷基芳氧基、取代或未取代的碳酸酯基、取代或未取代的磺酸酯基、取代或未取代的膦酸酯基、取代或未取代的芳基或取代或未取代的杂芳基中的任意一种，R23、R29和R31均独立地为氢原子、取代或未取代的直链烷基或支链烷基、取代或未取代的环烷基、取代或未取代的芳烷基、取代或未取代...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘庆崇，
申请(专利权)人：广东广山新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44