基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料及其制备方法。所述碳纤维复合材料由下述按质量份数计算的组分制备而成：基于环状缩醛的可降解二羟基单体100份、固化剂20～200份、固化促进剂0～6份、有机溶剂0～300份、碳纤维20～500份。所述制备方法包括：将基于环状缩醛的可降解二羟基单体、固化剂、固化促进剂、碳纤维和有机溶剂均匀混合后进行固化，获得基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料。本发明专利技术的碳纤维复合材料可以在十分温和的条件下去除粘接碳纤维的基体树脂，使得碳纤维能够被很好地回收，并能使回收后的碳纤维保持原有的优异性能；同时赋予碳纤维复合材料可再次加工性能，并解决预浸料寿命短的问题。并解决预浸料寿命短的问题。并解决预浸料寿命短的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种碳纤维复合材料，特别涉及一种基于环状缩醛聚氨酯的易回收、可再加工碳纤维复合材料及其制备方法，属于高分子及复合材料


技术介绍

[0002]碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是目前最先进的复合材料之一。它具有轻质、高强、耐高温、抗腐蚀等优良性能。这种材料广泛地应用在包括球拍、高尔夫球杆、自行车等在内的高端体育娱乐领域；汽车制造、风力发电、电力输送、土木建筑、海上油田、医疗器械等一般工业领域；飞机结构件、卫星和空间站部件、导弹和火箭整流罩等航空航天领域，目前仍在不断向新的应用领域扩展，正处于快速扩张期。
[0003]碳纤维的需求在过去十年里有了明显的增长，预计年复合增长率为12％，其需求量将从2015年的58000吨增加到2021年的11600吨。由此可知报废碳纤维复合材料的数量也是相当惊人的，但是目前对这种废料的回收处理相当不成熟，绝大多数都采取焚烧和填埋处理。但随着环境立法变得越来越严格，填埋和焚烧处理对环境的巨大破坏使我们需要更多工业化的解决方案。碳纤维复合材料的降解回收从本质上来讲是对树脂基体的降解，并保证降解树脂的同时尽量不损伤碳纤维。
[0004]当前报道的技术中，已经有将可降解基团如席夫碱键、二硫键、缩醛结构等通过分子设计引入到热固性树脂基体中，赋予热固性树脂基体可降解性能。使碳纤维复合材料能够在温和条件下发生降解，实现碳纤维的回收再利用。另外，这些降解基团中，某些键如二硫键、席夫碱键等还存在独特的化学性质。引入这种可交换基团后，能够赋予热固性树脂可修复、可重新加工等性能。而应用到碳纤维复合材料中后，还能解决复合材料预浸料寿命短，改善其成型后无法再次加工的问题。然而这些可降解基团的引入都会导致制得的复合材料的热稳定性、机械性能，使其不能跟传统热固性树脂基复合材料相媲美。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于提供一种基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料及其制备方法，以克服现有技术的不足。
[0006]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0007]本专利技术实施例提供了一种基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料，它由下述按质量份数计算的组分制备而成：
[0008][0009]其中，所述可降解二羟基单体具有式I所示的结构：
[0010][0011]其中R包括H或甲氧基。
[0012]本专利技术实施例还提供了一种基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料的制备方法，其包括：
[0013]将基于环状缩醛的可降解二羟基单体、固化剂、固化促进剂、碳纤维和有机溶剂均匀混合后进行固化，获得基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料；
[0014]其中，所述可降解二羟基单体具有式I所示的结构：
[0015][0016]其中R包括H或甲氧基；
[0017]所述可降解二羟基单体、固化剂、固化促进剂、有机溶剂和碳纤维的质量比为100：(20～200)：(0～6)：(0～300)：(20～500)。
[0018]相对于现有技术，本专利技术具有如下有益效果：
[0019]1)本专利技术提供的基于环状缩醛聚氨酯的可回收、可再加工碳纤维复合材料可以在十分温和的条件下去除粘接碳纤维的基体树脂，使得碳纤维能够被很好地回收，并能使回收后的碳纤维保持原有的优异性能；
[0020]2)本专利技术提供的基于环状缩醛聚氨酯的可回收、可再加工碳纤维复合材料可以在一定的温度下实现再次加工成型，赋予碳纤维复合材料可再次加工性能，制得的预浸料可以长时间放置，解决预浸料寿命短的问题；
[0021]3)本专利技术提供的基于环状缩醛聚氨酯的可回收、可再加工碳纤维复合材料还可以在温和条件下得到分量相对小的基体树脂降解片段，其中活性基团很明确，是缩醛结构降解得到的醛基和醇羟基，方便后续对回收树脂基体进行再利用；
[0022]4)本专利技术提供的基于环状缩醛聚氨酯的可回收、可再加工碳纤维复合材料的制备可采用现在通用的碳纤维复合材料加工制备方法，可操作性强，可控性好，易于实施，有利于工业化大规模生产。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1是本专利技术实施例1中制得的基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料的FIRT图
谱。
具体实施方式
[0025]鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，其主要是在树脂结构中引入了类似螺环缩醛的环状缩醛结构和氨基甲酸酯键这一动态键。在保证材料性能的同时赋予碳纤维复合材料可降解性能，可重新加工性能，并解决其预浸料的寿命短的问题。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
[0026]本专利技术实施例的一个方面提供了一种基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料，它由下述按质量份数计算的组分制备而成：
[0027][0028]其中，所述可降解二羟基单体具有式I所示的结构：
[0029][0030]其中R包括H或甲氧基。
[0031]作为优选实施方案之一，所述的基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料由下述按质量份数计算的组分制备而成：
[0032][0033]进一步地，所述的基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料由下述按质量份数计算的组分制备而成：
[0034]DMF，1000g石油醚和30g对甲苯磺酸，采用Dean-Stark装置进行分水回流反应12h，利用饱和碳酸氢钠水溶液沉降并水洗后得到二羟基单体560g。其结构式为：
[0051][0052]作为另一优选实施方案之一，所述可降解二羟基单体的制备方法包括：
[0053]将500g对羟基苯甲醛与377g甘油按摩尔比1：1的量加入到三口烧瓶中，再加入1000g DMF，1000g石油醚和30g对甲苯磺酸，采用Dean-Stark装置进行分水回流反应12h，利用饱和碳酸氢钠水溶液沉降并水洗后得到二羟基单体650g。其结构式为：
[0054][0055]作为优选实施方案之一，所述固化剂包括多异氰酸酯，所述多异氰酸酯的基官能度不小于3，优选为L-赖氨酸三异氰酸酯、三苯基甲烷三异氰酸酯和HDI三聚体等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
[0056]作为优选实施方案之一，所述固化促进剂包括有机金属化合物，优选为2-乙基己酸亚锡、新十二酸铋、乙酰丙酮铁(III)、二月桂酸二丁基锡等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。本专利技术的方案中添加了固化促进剂，能大大缩短固化反应的时间，提高了制备复合材料的效率，在实际工业生产中具有极大的经济效益。
[0057]作为优选实施方案之一，所述有机溶剂包括苯类有机溶剂、卤代烃类有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料，其特征在于，它由下述按质量份数计算的组分制备而成：其中，所述可降解二羟基单体具有式I所示的结构：其中R包括H或甲氧基。2.根据权利要求1所述的基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料，其特征在于：它由下述按质量份数计算的组分制备而成：3.根据权利要求2所述的基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料，其特征在于：它由下述按质量份数计算的组分制备而成：4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料，其特征在于：所述固化剂包括多异氰酸酯，所述多异氰酸酯的基官能度不小于3，优选为L-赖氨酸三异氰酸酯、三苯基甲烷三异氰酸酯和HDI三聚体中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述固化促进剂包括有机金属化合物，优选为2-乙基己酸亚锡、新十二酸铋、乙酰丙酮铁、二月桂酸二丁基锡中的任意一种或两种以上的组合。5.根据权利要求1-3中任一项所述的基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料，其特征在于：所述有机溶剂包括苯类有机溶剂、卤代烃类有机溶剂、醚类有机溶剂中的任意一种或两种以上的组合，优选为甲苯、二甲苯、三氯甲烷、二氯乙烷、四氢呋喃、乙醇、N,N-二甲基甲
酰胺、二甲基亚砜和N,N-二甲基乙酰胺中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述碳纤维包括短纤维、碳纤维单向布、碳纤维双向布或碳纤维毡。6.根据权利要求1所述的基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料，其特征在于：所述基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料具有树脂基体交联结构，所述树脂基体交联结构中包括环状缩醛结构和氨基甲酸酯键。7.一种基于环状缩醛聚氨酯的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于包括：将基于环状缩醛的可降解二羟基单体、固化剂、固化促进剂、碳纤维和有机溶剂均匀混合后进...

【专利技术属性】
技术研发人员：王滨搏，马松琪，颜世峰，朱锦，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：