一种上浆碳纤维布增强阻燃环氧树脂及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种上浆碳纤维布增强阻燃环氧树脂及其制备方法，它包括：将木质素，三聚氰胺与氨基三亚甲基膦酸反应得到木质素基膨胀型阻燃剂；将阻燃剂与环氧树脂反应制备阻燃环氧树脂；将环氧树脂和臭氧化的木质素反应获得木质素基环氧树脂，加入醇胺、羧酸和硅烷偶联剂获得上浆剂，将碳纤维布浸于上述上浆剂水溶液中，拉出、烘干，获得上浆碳纤维布；利用真空辅助成型装置，获得上浆碳纤维布增强阻燃环氧树脂复合材料。本发明专利技术的阻燃剂和上浆剂使得上浆碳纤维布增强阻燃环氧树脂复合材料具有良好的阻燃、粘结和力学性能。本发明专利技术利用木质素合成的阻燃剂和上浆剂成本低，环保，制备的上浆碳纤维布增强阻燃环氧树脂复合材料综合性能优良。性能优良。性能优良。

【技术实现步骤摘要】
一种上浆碳纤维布增强阻燃环氧树脂及其制备方法


[0001]本专利技术涉及高分子材料领域，尤其涉及一种上浆碳纤维布增强阻燃环氧树脂及其制备方法。

技术介绍

[0002]环氧树脂化学性能稳定，加工工艺简单，具有良好的绝缘性，耐化学腐蚀，具有较好的耐溶剂性等优点，使得环氧树脂在复合材料中有着广泛的应用。但环氧树脂易燃，同时燃烧过程中会产生大量有毒烟气，同时它耐磨性能差、耐冲击损伤能力差、韧性差，使其在生活中的应用受到了限制。环氧树脂的阻燃主要是通过引入阻燃组分实现的，即添加型阻燃技术，添加的阻燃组分称为添加型阻燃剂。这种阻燃剂可以是不具有反应活性但有阻燃作用的物质，但其缺点在于环氧树脂较粘稠，不能将阻燃剂均匀的分散在体系中。但反应型阻燃剂中含有活性官能团可以与环氧树脂环氧基团反应，紧密结合，会有更好的阻燃性和力学性能。
[0003]碳纤维材料具有高比强度、密度低、耐高温、热膨胀系数小等优点，广泛应用于航天航空、汽车等高端领域。通过结合环氧树脂与碳纤维的优点，可制备出高强度、轻量化的复合材料。然而，碳纤维呈现表面化学惰性，表面能低且几乎无化学基团。碳纤维进行上浆处理及添加相容剂能很好改善其界面性能。通过结合环氧树脂基体，基体的性能短板大大拉低了复合材料的整体性能，表现为材料脆、易老化、不耐温、易损伤。另外材料之间结合难度很高，对于工艺的把控要求严格，易出现气孔、分层等缺陷，在使用过程中局部冲击过大也容易出现开裂、脱层的问题，因此用一种良好的上浆剂成为了必不可少的部分。木质素中含有多种官能团，如醇羟基、酚羟基、羰基、甲氧基、羧基等，可作为阻燃剂中性能优良的成炭剂，对协同阻燃具有较好的效果。
[0004]上浆剂具有以下功能：(1)可减少静电作用，提高碳纤维的集束能力，便于进行后续加工；(2)能够隔绝空气、水分和灰尘，保持碳纤维表面活性；(3)可填补碳纤维表面缺陷，在一定程度上对碳纤维起到辅助增强作用；(4)使碳纤维表面光滑，避免了在后续加工中的摩擦损伤，减少毛刺产生，提高碳纤维寿命，对碳纤维起到保护作用。
[0005]上浆剂可以分为溶液型上浆剂、乳液型上浆剂和亲水型上浆剂。溶液型上浆剂因其需要使用大量有机溶剂，成本相对较高，而且大量溶剂的挥发对于人体健康和工作环境具有非常严重的危害，所以目前已较少使用。乳液型上浆剂由于需要使用大量的乳化剂，其本质也是一种表面活性剂，故使碳纤维表面容易吸附水分；并且，低分子量的表面活性剂也会影响纤维与树脂之间的粘结性。少加或者不加乳化剂是上浆剂发展的重要方向，亲水型上浆剂是传统乳液型上浆剂的改进，通过向树脂中引入亲水性基团或将官能团离子化使其具有自乳化能力，能在水中不需要外加乳化剂就可以自乳化分散成乳液，较好的溶于水中，从而避免乳化剂的使用，而且其具有粒径尺寸小、粒径尺寸均匀及稳定性较高等优点。因此，亲水型环保无污染的上浆剂的研究成为了未来上浆剂发展的重点。
[0006]膨胀型阻燃剂(IFR)，主要由三部分组成，即酸源(主要是磷酸或多磷酸盐等)，气
源(主要是含氮化合物)和炭源(主要是多羟基化合物)。其作用机理是：IFR在受热过程中，成炭剂在酸源作用下脱水，生成酯类化合物；随后酯类化合物脱水交联形成炭，炭化物在气源分解气体的作用下，形成蓬松封闭发泡结构的致密炭层。该炭层为无定型结构，一旦形成，其本身不燃，并可阻止聚合物与热源间的热传导，提高聚合物的热降解温度。另外，多孔炭层既可以阻止热解产生的气体扩散，也可以阻止外部氧气扩散到未裂解聚合物表面。当燃烧过程中缺少足够的氧气和热能时，燃烧的聚合物就会自熄。然而常见的IFR多为复配型阻燃剂，其往往与基体相容性差，并且容易吸潮，而且其中作为主要成分的碳源一般来源于石油裂解产生的含碳丰富的多羟基化合物，不仅成本高也不符合环保要求。
[0007]基于以上，开发一种高效增强环保型木质素基膨胀型阻燃剂，以及一种环保高粘附性能上浆剂对碳纤维进行处理，提高碳纤维与阻燃环氧树脂相容性，减少相容剂的使用量，同时满足环氧树脂材料阻燃性能与力学性能，已成为亟需解决的技术难题。

技术实现思路

[0008]为解决上述技术难题，本专利技术提供了一种上浆碳纤维布增强阻燃环氧树脂及其制备方法，包括如下步骤：
[0009]采用真空辅助成型工艺，将上浆预处理后的碳纤维布置于真空辅助成型装置中，进行抽真空操作，利用负压将与固化剂混合均匀的阻燃环氧树脂注入真空辅助成型装置，抽注15～30分钟后，在室温条件下保持真空度在
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0.095～
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0.1MPa8～16小时后获得上浆碳纤维布增强阻燃环氧树脂；按照质量比：固化剂：阻燃环氧树脂为5～24：90～120。
[0010]进一步地，所述的固化剂为三乙烯二胺。
[0011]本专利技术提供了一种上浆预处理后的碳纤维布，它是由如下方法步骤制备的：
[0012](1)将5g有机溶剂木质素置于臭氧化装置中，在臭氧浓度13mg/L，混合气体流速450L/h条件下处理1.5小时获得臭氧化改性的木质素；
[0013](2)将1.5g步骤(1)获得的臭氧化改性的木质素和8.5g双酚A型环氧树脂溶于N,N
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二甲基甲酰胺后，在室温搅拌15分钟，然后再升温到95℃搅拌反应1.5小时获得木质素基环氧树脂；
[0014](3)在步骤(2)获得的木质素基环氧树脂中加入无水乙醇，再加入3g二乙醇胺，在75℃进行搅拌反应2.0h后，搅拌速度400rpm，获得接枝醇胺的木质素基环氧树脂；
[0015](4)在步骤(3)获得的接枝二乙醇胺的木质素基环氧树脂中加入1.75g乙酸溶液，在70℃搅拌反应0.5小时后，搅拌速度为400rpm，再加入γ
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氨丙基三乙氧基硅烷，反应3.5小时后，按照质量比计：所述γ
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氨丙基三乙氧基硅烷、步骤(2)中的双酚A型环氧树脂、步骤(1)中的木质素、步骤(3)中的二乙醇胺和乙酸质量比为0.95:8.5:1.5:3:1.75，再通过旋蒸除去溶剂，获得上浆剂；
[0016](5)在室温，将步骤(4)获得的上浆剂制备为浓度为2.5wt％上浆剂水溶液，将碳纤维布浸渍在浓度为2.5wt％上浆剂水溶液中6min，然后将碳纤维布以4cm/min的速度从上浆剂水溶液中拉出，再在90℃烘干2.5小时后获得上浆预处理后的碳纤维布。
[0017]本专利技术还提供了一种阻燃环氧树脂，它是由如下方法步骤制备的：
[0018](1)将木质素与三聚氰胺溶解于N,N
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二甲基甲酰胺溶液中，加热至60～120℃，反应2～6小时获得反应中间体LM；
[0019](2)将步骤(1)获得的中间体LM与氨基三亚甲基膦酸溶解于N,N
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二甲基甲酰胺溶液中在70～110℃下反应8～17小时后获得木质素基膨胀型阻燃剂LMA；
[0020](3)将步骤(2)获得的木质素基膨胀型阻燃剂LMA在70～80℃的条件下烘干12～14小时后粉碎，得到木质素基膨胀型阻燃剂LMA粉末本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种上浆碳纤维布增强阻燃环氧树脂，其特征在于：它的制备方法包括如下步骤：采用真空辅助成型工艺，将上浆预处理后的碳纤维布置于真空辅助成型装置中，进行抽真空操作，利用负压将与固化剂混合均匀的阻燃环氧树脂注入真空辅助成型装置，抽注15～30分钟后，在室温条件下保持真空度在
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0.095～
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0.1MPa，8～16小时后获得上浆碳纤维布增强阻燃环氧树脂；按照质量比：固化剂：阻燃环氧树脂为5～24:90～120。2.根据权利要求1所述的一种上浆碳纤维布增强阻燃环氧树脂，其特征在于：所述的上浆预处理后的碳纤维布，它是由如下方法步骤制备的：(1)将5g有机溶剂木质素置于臭氧化装置中，在臭氧浓度13mg/L，混合气体流速450L/h条件下处理1.5h获得臭氧化改性的木质素；(2)将1.5g步骤(1)获得的臭氧化改性的木质素和8.5g双酚A型环氧树脂溶于N,N
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二甲基甲酰胺后，在室温搅拌15分钟，然后再升温到95℃搅拌反应1.5小时获得木质素基环氧树脂；(3)在步骤(2)获得的木质素基环氧树脂中加入无水乙醇，再加入3g二乙醇胺，在75℃进行搅拌反应2.0h后，搅拌速度400rpm，获得接枝醇胺的木质素基环氧树脂；(4)在步骤(3)获得的接枝二乙醇胺的木质素基环氧树脂中加入1.75g乙酸溶液，在70℃搅拌反应0.5小时后，搅拌速度为400rpm，再加入γ
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氨丙基三乙氧基硅烷，反应3.5h后，按照质量比计：所述γ
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氨丙基三乙氧基硅烷、步骤(2)中的双酚A型环氧树脂、步骤(1)中的木质素、步骤(3)中的二乙醇胺和乙酸质量比为0.95:8.5:1.5:3:1.75，再通过旋蒸除去溶剂，获得上浆剂；(...

【专利技术属性】
技术研发人员：呼微，刘昱含，张晨晨，刘佰军，朱广山，徐义全，
申请(专利权)人：东北师范大学，
类型：发明
国别省市：